激光二极管侧抽运长方形Nd:YVO4激光晶体热分析

以解析分析理论为基础,研究长方形Nd∶YVO4激光晶体受到具有高斯分布半导体激光侧端面抽运时,晶体温度场和热形变的分布情况。通过对激光二极管(LD)侧面抽运晶体工作特点分析,建立了符合实际工作情况的热模型,利用正交各向异性材料热传导方程,得出长方形Nd∶YVO4晶体温度场和热形变场通解表达式,并提出了两种有效减小晶体热形变的方法。研究结果表明,当使用输出功率为30 W的激光二极管侧面中心抽运Nd∶YVO4激光晶体时,在抽运端面中心获得240.0℃最高温升和4.73μm最大热形变量。偏心0.6 mm时,端面最大热形变量减少31.1%。晶体厚度减小30%时,端面最大热形变量减少23.5%。     

激光二极管端泵Yb:YAG晶体的温度场及应力场

为了解决激光二极管端面泵浦Yb:YAG晶体引起的热效应问题,通过对晶体工作特点的分析,建立了周边冷却恒温、端面与空气存在热交换的有限元热模型。利用泊松方程,对Yb:YAG晶体的温度场、热应力场、热形变场和热透镜焦距进行了数值计算,并定量分析了激光二极管泵浦光的高斯阶次、光斑半径和泵浦功率对激光晶体温度场的影响。研究结果表明：若激光二极管泵浦功率为50 W,耦合到泵浦面的光斑半径为400μm时,晶体尺寸为3 mm×3 mm×4 mm、掺杂浓度为5.0 at.%的Yb:YAG晶体端面的最高温升为59.2 K,最大热形变量为0.645 67μm,晶体内稳定时最大应力为2.380×10⁸ N/m²,热透镜焦距为19.99 mm,该条件下激光器可正常运行。研究结果为全固态Yb:YAG激光器的设计提供了理论依据。     

双端抽运Nd:YVO4激光晶体的半解析热分析

通过对激光二极管双端抽运Nd:YVO4晶体的分析,建立符合实际工作条件的热模型和边界条件,利用半解析热分析方法得出了激光晶体内部温度场和端面的热形变计算公式,并对影响温度场分布的各种因素进行了理论分析与计算。所得出的结论可以推广到其它激光晶体,为有效地解决激光晶体热效应问题提供了理论基础。     

双端偏心抽运矩形截面Nd:GdVO4晶体的热效应分析

以解析分析为基础,研究矩形横截面Nd:GdVO4晶体受高斯分布半导体激光双端面偏心入射时温度场以及抽运面热形变分布情况.得出了矩形截面Nd:GdVO4晶体的温度场分布和端面热形变场通解表达式,同时对影响激光晶体温度场分布的各种因素进行了定量研究.并对偏心度对热形变影响的规律进行了研究.由于双端偏心抽运是对于激光二极管端面抽运激光情况的一般讨论,所以更切合实际.这种方法还可以应用到其他激光晶体热问题研究中,为有效解决激光系统热问题提供了理论依据.     

激光二极管端面抽运圆形截面Nd∶GdVO_4晶体的热形变

以解析分析理论为基础,研究圆截面Nd∶GdVO4激光晶体受到具有高斯分布半导体激光端面中心入射时,晶体温度场分布和抽运面热形变分布情况。通过对激光二极管(LD)端面入射晶体工作特点分析,建立了符合实际工作情况的热模型,利用热传导方程新求解方法,得出了圆形截面Nd∶GdVO4晶体温度场分布和端面热形变场通解表达式,对比分析了圆形截面和矩形截面Nd∶GdVO4晶体的热形变。研究结果表明,当使用输出功率为15 W激光二极管端面中心入射Nd∶GdVO4激光晶体时,在抽运端面中心获得187.5℃最高温升和1.313μm最大热形变量。两种截面晶体具有相同的热形变形状,当截面尺寸不太大时,如果圆形截面晶体的半径等于矩形截面晶体半边长,最大热形变量将减少4.1%。这种方法还可以应用到其他圆形截面晶体热问题研究中,为有效解决激光系统热问题提供了理论依据。     

激光二极管端面抽运圆形截面Nd:GdVO4晶体的热形变

以解析分析理论为基础，研究圆截面Nd：GdVO4激光晶体受到具有高斯分布半导体激光端面中心入射时，晶体温度场分布和抽运面热形变分布情况。通过对激光二极管（LD）端面入射晶体工作特点分析，建立了符合实际工作情况的热模型，利用热传导方程新求解方法，得出了圆形截面Nd：GdVO4晶体温度场分布和端面热形变场通解表达式，对比分析了圆形截面和矩形截面Nd：GdVO4晶体的热形变。研究结果表明，当使用输出功率为15W激光二极管端面中心入射Nd：GdVO4激光晶体时，在抽运端面中心获得187．5℃最高温升和1．313μm最大热形变量。两种截面晶体具有相同的热形变形状，当截面尺寸不太大时，如果圆形截面晶体的半径等于矩形截面晶体半边长，最大热形变量将减少4．1％。这种方法还可以应用到其他圆形截面晶体热问题研究中，为有效解决激光系统热问题提供了理论依据。     

激光二极管双侧泵平板Nd:LuVO4晶体热效应

以解析热分析理论为基础,建立了平板Nd:LuVO4晶体在激光二极管阵列双侧泵抽运时的导热微分方程。通过方程求解,得到平板Nd:LuVO4晶体内部温度场分布的解析式及热形变分布。温度场和热形变场的数值模拟表明:当泵浦光平均功率Po=10 W、泵浦区域为1 mm×1 mm时,四组激光二极管阵列光源在三处不同位置的一维温度场、二维温度场分布和热形变量有很大差异;将三处泵浦光源位置所产生的温度分布和热形变量对比,得到了泵浦光源在位置1、2处所产生的温升和热形变量相对较小,位置3处最大。所得结论可为平板Nd:LuVO4激光器的设计及热效应消除提供理论依据。     

LD端面泵浦Er:Yb:glass/Co:MALO晶体热效应分析

为了减弱激光二极管端面泵浦固体激光器热效应的影响，提高激光谐振腔稳定性及改善激光器的输出特性，以激光二极管端面泵浦Er:Yb:glass/Co:MALO晶体为研究对象，采用有限元分析方法，并根据热传导理论对其进行多物理场耦合热效应分析，系统分析了非键合和键合晶体、泵浦中心波长、功率以及束腰半径对激光晶体的温度场、热应力场以及形变量的影响。结果表明：键合晶体中Co:MALO晶体不仅起到了被动调Q的作用，还起到了热沉的效果，可以有效改善晶体内部的温度分布、热应力和形变量。中心波长为940 nm的泵浦对晶体的穿透性远高于976 nm，采用940 nm的泵浦可以改善晶体的最高温度，但976 nm泵浦结构是扩散键合较安全的结构。由于增大泵浦功率会导致晶体单位面积功率密度分布的增加，热效应也会加剧，泵浦功率增大100 mW对应温度增加9 K，热应力增加1.5 MPa，热形变增加0.5μm。减小泵浦光束半径也会导致热效应的增加，但影响相较于功率不明显。理论分析结果可为激光二极管端面泵浦铒镱共掺磷酸盐玻璃1.5μm固体激光器减小热效应的合理优化设计提供数据理论支持。     

第三类边界条件LD端面泵浦Nd∶YAG激光器热分析

针对激光作用于含有冷却系统的方片Nd∶YAG激光晶体的工作特性,设计了与之相应的热传导数学物理模型,根据数学物理方法,结合初始条件与含有空气热交换系数的第三类边界条件,对激光作用与Nd∶YAG晶体材料的传热模型,利用贝塞尔函数以及超越方程等知识进行了求解,得出了LD端面泵浦方片Nd∶YAG激光晶体的温度场解析解表达式。利用晶体热形变与温度场的关系,计算出工作物质的热形变表达式。定义并计算了方片Nd∶YAG晶体的温场和热形变分布。同时分析了空气热交换系数等影响因子对晶体热形变的影响。推算模拟分析结论对固体激光器的设计与应用具有借鉴参考意义。     

光纤耦合LD端面抽运Nd:GdVO4晶体材料热效应分析

为了研究半导体激光器端面抽运激光晶体产生的热效应问题,采用解析分析的方法研究端面抽运激光晶体的温升以及热形变量的大小.通过激光晶体工作特点分析,考虑到Nd:GdVO4晶体热传导各向异性的特点,采用各向异性传热的Poisson方程,得出了超高斯光束端面抽运Nd:GdVO4晶体温度场以及热形变场的一般解析表达式.并定量分析了超高斯光束不同阶次、不同光斑尺寸抽运时对于Nd:GdVO4晶体温度场以及热形变场的影响.结果表明,若半导体激光器的输出功率为30W,光学聚焦耦合器传输效率为8%,阶超高斯光束沿中心端面抽运掺钕离子原子数分数为0.012的Nd:GdVO4晶体,抽运面可获得419.3℃的最大温升,并产生0.711m的热形变.该结果对估算Nd:GdVO4晶体热焦距变化范围以及进行热不敏谐振腔设计具有理论指导作用.     

高功率全固态激光器腔内倍频晶体KTP温度场的解析分析

在激光二极管泵浦的全固态激光器系统中谐振腔内有较高的基频光功率密度 ,非线性晶体采用腔内倍频方式可提高晶体的谐波转换效率。但是非线性晶体吸收基频光辐射也会引起内部非均匀的温升 ,导致晶体内部各点的折射率的改变 ,破坏晶体本征的位相匹配条件 ,从而影响了晶体的谐波转换效率。通过对谐振腔内非线性晶体工作状态的分析 ,利用解析的方法得出了全固态激光器中非线性晶体KTP内部温度场的精确计算方法 ,并分析了影响KTP晶体内部温度场变化的各种因素。所得出的结果具有一定的普适性 ,可以应用到具有轴对称形式内热源的其它热模型温度场的计算分析中 ,对连续波腔内倍频激光系统的设计将起到指导作用     

端面抽运矩形截面Nd∶GdVO_4晶体热效应研究

以解析分析理论为基础,研究矩形横截面Nd∶GdVO4晶体受到具有高斯分布的端面中心入射时,激光晶体温度场分布情况和晶体抽运面热形变分布情况。通过对半导体激光端面入射Nd∶GdVO4激光晶体工作特点分析,建立了符合激光晶体工作状态的热模型,利用热传导方程(泊松方程)的一种新求解方法,得出了矩形截面Nd∶GdVO4晶体的温度场分布和端面热形变场通解表达式,同时对影响激光晶体温度场分布的各种因素进行了定量研究。研究结果表明,当使用输出功率为15W的半导体激光器端面中心入射Nd∶GdVO4晶体(晶体掺钕离子原子数分数为1.2%)时,在抽运端面中心获得189.0℃最高温升和1.37μm最大热形变量。这种方法还可以应用到其他激光晶体热问题研究中。     

偏心度对矩形截面Nd:GdVO4晶体热效应的影响

对激光二极管（LD）端面高功率偏心抽运矩形截面激光晶体引起的热效应进行了研究。建立了符合实际的热模型,利用一种新的解析方法得出了矩形截面激光晶体温度场以及热形变场的通解形式。定义了偏心抽运矩形截面偏心度（ERS）,得出了ERS对激光晶体内部温度场及热形变场影响的规律。研究表明：随着ERS的增加,激光晶体最高温升及最大热形变随之移动并降低;当ERS分为0．50、0．75时,Nd：GdVO4晶体的最高升温相对中心抽运分别下降了3．3％、12．2％,最大热形变量相对中心抽运分别下降了8．8％、27．4％。     

复合YVO4-Nd:YVO4激光晶体的超高斯热效应研究

为了研究方形复合激光晶体YVO4-Nd:YVO4在超高斯抽运光分布下的热效应,采用半解析的分析方法进行了理论分析和实验验证。当使用输出功率为15W的半导体激光器端面中心入射、超高斯阶次为2时,在抽运端面中心获得175.4℃的最高温升和1.97μm的最大热形变量。结果表明,超高斯模型有更广泛的适用性,复合晶体可以有效地降低晶体中最高温升,但是不能明显减少晶体端面热形变。这一结果对解决激光系统热问题是有帮助的。     

LD变半径抽运Nd∶GdVO_4晶体棒热效应

为了研究LD抽运晶体在实际谐振腔中,LD变化半径在晶体中产生的热效应,采用了理论上与理想模型下所求解的结果相比较的方法,得到了当输出功率为15W时,抽运端面中心获得199.545℃最高温升和1.33μm最大热形变量、实验值与理论值基本一致的结果.结果表明,这种新的研究方法可以更准确地应用到其它激光晶体热问题的研究中,为有效解决激光系统热问题提供了理论依据.     

LD端面泵浦变热传导系数Nd:YAG晶棒温场特性

为了解决激光二极管泵浦激光晶体产生的热效应问题,对激光晶体内的温升进行了解析分析与定量计算。通过对激光二极管端面泵浦激光晶体工作特点的分析,建立了符合实际工作情况的热模型。考虑到晶体材料热传导系数受其宏观温度变化的影响,应用常数变易法以及特征函数法得到了变热传导系数Nd:YAG晶体棒在端面泵浦情况下温度场的一般表达式。定量计算了激光二极管超高斯分布泵浦光阶次、泵浦功率、光斑尺寸以及晶棒半径对其温度场分布的影响。研究结果表明:使用输出功率为60 W的激光二极管端面泵浦掺钕离子质量分数1.0%的Nd:YAG晶棒,若耦合入射的3阶超高斯光束泵浦光斑半径为400μm,晶棒半径为1.5 mm,长度为8 mm时,Nd:YAG棒内最大温升为343.9℃;而将其热导率视为定值时,晶体的最大温升只有222.7℃。研究结果为正确计算Nd:YAG晶体温度场分布提供了方法,并为提高全固态Nd:YAG激光器性能提供了理论依据。     

(Nd,Tb, Ce):YAG晶体的激光特性

(Nd,Tb,Ce):YAG晶体是我们最近研制的一种新激光晶体.本文将给出在风冷条件下,(Nd,Ce):YAG和常用的Nd:YAG及(Nd,Ce):YAG在不同重复频率下的激光输出,束散角和光束质量因子的测试结果.对比这些结果,可以看到(Nd,Tb,Ce):YAG晶体的效率不低于(Nd,Ce):YAG,而在热畸变和热稳定性方面,明显优于Nd:YAG和(Nd,Ce):YAG.