热容激光器中热致受激发射截面改变对输出功率的影响

固体热容激光器发射期间将废热储存在激光介质中,从而使激光介质的温度随着激光的不断发射而不断升高.温度的升高导致激光介质的受激发射截面发生改变.有效受激发射截面的改变导致激光增益的变化.根据各种掺钕磷酸盐玻璃和掺杂原子数分数为1%的Nd∶YAG的发射截面随温度变化的规律,计算出使用相应工作介质的固体热容激光器随温度上升后抽运阈值和输出功率的改变.计算结果表明,掺钕磷酸盐玻璃和Nd∶YAG介质工作在热容模式下,随着温升导致的有效受激发射截面不断减小,激光器输出功率明显下降.     

高占空比大功率激光器阵列

设计并研制了1cm长折射率渐变分别限制单量子阱(GRIN—SCH—SQW)单条激光器阵列。占空比为20％，在70A工作电流下，输出功率达到61．8W，阈值电流密度为220A／cm^2，斜率效率为1．1W／A，激射波长为808．2nm。     

半导体抽运的叠片热容激光器理论和实验研究

报道了半导体抽运的Nd:YAG叠片热容激光器的理论与实验研究，并用热容激光器的理论模型计算了在一定的工作时间和介质温升内激光输出特性，用Zemax软件对其抽运结构进行了模拟计算。实验中采用的4片Nd:YAG晶体尺寸均为63.5 mm×38.5 mm×7 mm，抽运平均功率约110 W，重复频率为10 Hz，占空比为0.2％，获得了最大19.1 W的1 064 nm激光输出，光光效率约17.4％。最后对两种抽运结构的叠片激光器进行了比较，提出了下一步的改进方案。     

V型有源镜构型热容激光器热特性研究

为了提高抽运效率、改善抽运均匀性、克服热退偏的影响,建立了一套V型有源镜构型热容激光器,采用数值模拟与实验研究相结合的方法,对激光介质热分布进行了研究。数值模拟充分考虑了内热源的分布不均匀性,分析了激光介质的3维热分布。实验中采用热像仪对激光介质的表面温度进行了无接触测量。数值计算和实验研究结果具有较高的一致性。研究结果表明,该激光器构型对于提高热分布均匀性有较大的帮助。     

LD端面泵浦各向异性激光介质的热效应研究

针对各向异性激光介质的通光面为方形、泵浦光为高斯光束及泵浦尺寸小于通光面的情况，以Nd：YVO4为例，用MATLAB程序语言对激光二极管(LD)端面泵浦的各向异性激光介质的热传导方程进行数值计算，精确地求出了激光介质中各点的温度和温度分布，从而可以定量地分析出LD端面泵浦固体激光器的热效应，进而设计出高效高功率LD端面泵浦的TEM00Nd：YVO4固体激光器。LD尾纤输出功率为28．77W时，得到18．16W的1064nm激光输出。     

VCSELs输出功率取得重大突破

美国Photonics Spectra杂志2007年7月号报道了Princeton Optronics Inc．的VCSELs（垂直腔面发射激光器）在输出功率方面的重大突破，展现了用作固体激光器泵浦源的光明前景。目前，一个VCSEL的二维阵列，连续输出超过230W，功率密度1kW／cm^2（芯片面积0．22cm^2）；准连续输出达100W，室温工作，脉宽100μs，占空比0．3％，功率密度3．5kW／cm^2。     

固体热容激光器的设计和功率标定

固体热容激光器（SSHCL）作为下一代最佳候选高功率激光器,引起人们广泛关注。介绍了固体热容激光器工作原理、光抽运期间介质板内荧光分布和温度分布、介质板冷却以及功率标定。详细讨论了激光介质温度对激光输出功率的影响,对有关设计要点也作了相关分析。     

测量激光器结温的脉冲注入法研究

提出了一种精确测量半导体激光器结温的方法。由于激光器的热容很小，因此采用脉冲注入的方法可以显著减小激光器的温升。研究了脉冲电流注入下激光器的激射波长随环境温度的变化规律，通过实验研究得到电流脉冲宽度和周期与激射波长的关系，理论分析得到的定量关系式与实验结果十分吻合。在此基础上得到了精确测量激光器结温的最佳脉冲参数。即脉宽为10ns，脉冲周期为10μs。并且确定了激光器结温与激射波长的定量关系式，波长随温度的漂移系数为0．0728nm／K。这种方法避免了电学测量法中的结电压波形过冲。测量精度明显优于后者，同时也可以方便地测量封装好的激光器组件的温度特性。     

板条热容激光器的二维热特性

固体热容激光器(SSHCL)作为高功率固体激光器的一个重要发展方向,引起人们广泛关注。数值模拟激光介质板条在热容方式下工作的温度和应力分布是了解该类激光器工作特性的一种有效手段,采用平面应力近似法导出了半导体激光器抽运热容激光介质板的二维温度和应力分布公式,同时也对二维抽运光吸收密度、介质板温度分布和折射率变化进行了分析与讨论。数值计算的结果表明二维效应的温度分布和应力分布要比一维效应给出的分布更均匀。     

千瓦级激光二极管抽运热容固体激光器

开展了热容激光二极管(LD)抽运固体激光器理论和实验研究工作,进行了抽运源耦合结构的光线追迹和优化设计,针对热容工作模式下激光介质的激光特性进行了初步理论分析,数值模拟了不同抽运条件下激光介质的增益分布及温度梯度、应力梯度,确定了激光器的安全运行条件。初步完成了热容激光器实验平台的建立:采用两个220 Bar的激光二极管面阵对直径为50 mm,厚度为15 mm的Nd∶GGG晶体进行抽运,耦合方式为微透镜准直加正交柱透镜组,耦合光斑的大小为30 mm×30 mm,谐振腔采用平平腔,实验结果表明该激光器在平均抽运功率为8100 W的激励条件下获得了1385 W的激光输出,光-光转换效率约为17%。     

连续工作的体布拉格光栅外腔半导体激光器的温度特性

对体布拉格光栅(VBG)作为波长选择元件的外腔半导体激光器的波长锁定进行了实验研究,报道了连续运转输出功率达43.5 W的半导体激光器阵列的体布拉格光栅波长锁定实验结果,给出了不同热沉温度下的稳定的波长锁定结果,说明采用体布拉格光栅外腔将减小半导体激光器的温控压力。实验中发现,随着注入电流的增大,输出激光功率逐渐增强,锁定的激射波长向长波长方向偏移。在输出功率为34.5 W时,波长红移约0.56 nm。这一移动与实验测量的体布拉格光栅的温度特性相吻合。连续和高占空比运行、高输出功率情况下,在器件的设计和使用时应该考虑这一效应。     

激光二极管抽运Nd∶YAG双薄片激光器

激光介质的热效应是高平均功率固体激光器面临的最大挑战,采用薄片激光介质是解决热效应的有效手段之一。当在抽运区尺寸远大于薄片厚度并且抽运光均匀分布的条件下,热流近似为沿厚度方向的一维分布,从而大大降低介质的热透镜效应和热致应力双折射。设计了四通光学耦合系统,通过提高二极管激光器阵列输出激光强度分布的均匀性,并优化经微柱透镜准直后光束的发散角,实现了抽运光的近平顶分布。采用两片1 mm厚的Nd∶YAG薄片激光介质,在两个峰值功率2000 W,占空比为15%的二极管激光器阵列抽运下,获得了峰值功率1440 W,平均功率216 W的准连续激光输出,光光转换效率达到36%,电光转换效率超过16%,在稳腔下测得的光束质量M2因子约为12×13。     

大功率半导体激光器二维阵列模块特性分析

根据固体激光器抽运的技术要求,设计了一种具有水冷装置的大功率半导体激光器二维阵列模块,并对半导体激光器热沉和致冷系统的热流进行了分析。在不同占空比下,对该模块进行了测试与分析。该模块的中心波长为810 nm,光谱半峰全宽(FWHM)为2.5 nm,工作电流为110 A(200μs,10%占空比),循环水温为15℃时输出峰值功率为280 W。结果表明,该封装结构在占空比小于5%时器件工作特性良好,在10%占空比下也可正常工作。利用该模块可以组合成多种几何结构、功率更高的半导体激光器组件。     

热容激光器冷却过程的热力学数值模拟

为了研究热容激光器冷却过程中激光介质的热力学特性,建立了激光介质热力学理论模型.该模型将介质表面的换热作为瞬态导热微分方程的热源,得到冷却过程中热传导模型.获得了激光介质在冷却过程中的瞬态温度场,进一步得到介质的热应力.利用数值模拟,得到了YAG介质和GGG介质在不同冷却条件下的冷却时间、温差和热应力.表面换热系数从0.1 W?cm-2?K-1增加到0.5 W?cm-2?K-1,冷却时间明显缩短;表面换热系数从0.5 W?cm-2?K-1增加到1 W?cm-2?K-1,冷却时间缩短不明显.对于相同体积、相同初始温度场的YAG介质和GGG介质,YAG介质的冷却时间少于GGG介质的冷却时间.在相同冷却条件下,YAG介质的温差小于GGG介质的温差,YAG介质的最大等效应力小于GGG介质的最大等效应力.     

千瓦级低透射波前畸变端抽运板条增益模块技术研究

基于端抽运板条增益模块的主振荡器功率放大(MOPA)是高平均功率激光二极管抽运激光器(DPL)发展的有效途径之一,近年来受到广泛关注。通过理论分析和数值模拟,建立了板条增益模块的设计模型,分析了板条增益模块的小信号增益系数、输出特性、温度和热应力等关键参数。研制的模块尺寸为50cm(长)×30cm(宽)×20cm(等),静态波前畸变为0.22μm(不包括倾斜),实验研究获得了均匀性约94%的荧光分布,在占空比为60%条件下,输出平均功率1086.3W,斜率效率41.7%。     

半导体激光密集谱合束中VBG的热效应

研究并分析了半导体激光密集谱合束技术中体布拉格光栅(VBG)的热效应问题。为了提高半导体激光器的输出功率及其电光转换效率,利用COMSOL软件模拟了半导体激光器中VBG在自由传导散热和水循环冷却两种条件下的温度分布,通过对比这两种条件下VBG温度对其中心波长漂移量及输出功率的影响,分析了VBG热效应变化。模拟与实验结果表明,水循环冷却可以有效将VBG的温度从390.44 K降低到299.09 K,减小了VBG的波长漂移量,有效抑制了VBG的热效应问题。因此合理控制VBG的温度,可提高半导体激光器的输出功率和电光转换效率。     

热畸变对单板条热容激光器输出的影响

开展了激光二极管(LD)抽运的全固态热容激光器的理论与实验研究,数值模拟了在热容工作条件下侧面抽运的Nd∶YAG板条激光器的热透镜效应,分析了热透镜效应对激光输出的影响,并进行了相应的实验论证。实验中采用的晶体尺寸为57mm×40mm×4mm,激光二极管阵列的抽运峰值功率为12kW,重复频率为1kHz,占空比为20%,为了获得较高的增益,将抽运光通过光学系统进行聚焦,抽运光在晶体侧面的光斑大小为15mm×57mm.实验中观察了1s内的脉冲能量输出的波动情况,在开始工作的时候单脉冲能量输出为1J,在1s后单脉冲能量输出下降到开始的50%。     

18J,20 Hz固体热容激光器

为研究同体热容激光器运转的物理机制,研制了一台演示验证样机。激光器使用钕玻璃板条为工作物质,脉冲灯抽运,平-凹式稳定谐振腔。固体热容激光器运转有两个工作相,样机达到的技术性能如下：第一工作相输出激光,以20Hz重复频率工作10S,输出能量开始时23．81J／脉冲,结束时18．51J／脉冲;第二工作相冷却工作物质,经编程控制的氮气冷却5min后,激光器可重新进入第一工作相循环工作。分析了限制激光器输出激光时间的两个主要原因。试验表明：固体热容激光器输出激光时,沉积在工作物质中的废热使工作物质处于表面温度高于内部温度的状态。由此工作物质产生了向内的压应力,它使工作物质破坏阈值上升,激光器可以工作在较高的温度状态。对第二工作相冷却工作物质的热管理模型进行了讨论．