端面抽运Nd:YVO4,Nd:GdVO4及Nd:GdYVO4晶体的热效应比较

为了改善激光晶体热效应,建立了矩形截面激光晶体热模型,通过求解热传导泊松方程,比较了矩形截面Nd:YVO4和Nd:GdVO4及Nd:GdYVO4晶体的温度场分布和抽运端面的热形变,计算了由抽运端面热形变引起的光程差和总的光程差。由比较结果可知,在相同情况下,Nd:YVO4,Nd:GdYVO4及Nd:GdVO4晶体的端面中心最高温升分别约为320℃,342℃和190℃,总光程差最大为1.7μm,2.11μm和1.3μm。结果表明,Nd:GdYVO4晶体端面中心最高温升及总光程差均为最小,更适用于大功率LD端面抽运;对于大功率全固态激光器,由端面热形变引起的光程差对晶体热焦距有较大影响。     

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:GdVO_4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:GdVO_4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:GdVO_4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85%,5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:GdVO_4晶体,抽运面可获得419.3℃的最大温升,并产生0.711μm的热形变.该结果对估算Nd:GdVO_4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.     

LD端抽运下几种激光晶体的端面形变研究

为了对端抽运DPSSL的端面形变场进行测量,研究了LD端抽运下Nd:YVO4,Nd:GdVO4,Nd:KGW晶体的端面形变.主要对具有轴对称性的不同抽运光的功率下所引起的端面形变进行了计算机模拟.先对温度场进行理论计算,建立理论模型,然后对形变进行理论计算,并用计算机模拟了它们的形变.得到了由形变导致的端面形变热透镜焦距与致热功率之间的关系曲线,另外得到Nd:YAG,Nd:YVO4,Nd:GdVO4,Nd:KGW晶体的端面形变场分布.结果表明,随着致热抽运功率的增大,端面形变热透镜焦距越来越短,均在10m以内变化,而在聚焦半径为0.45mm、光纤耦合15W时,晶体形变量在10μm以内.     

LD端面抽运变导热系数Nd:YAG晶体热效应

为了计算二极管抽运Nd:YAG晶体温度场及热形变场,建立了端面绝热、周边恒温的晶体热模型。基于Nd:YAG晶体导热系数及热形变系数与其温度的函数关系,应用Newton切线法对热传导方程进行求解,得到了变导热系数和变热形变系数矩形截面Nd:YAG晶体端面抽运下的温度场和热形变场的一般表达式,同时计算了Nd:YAG晶体在不同抽运功率和抽运光斑半径下内部温度场和热形变场的分布变化。结果表明,使用钕离子质量分数为0.01、尺寸为3mm×3mm×8mm的Nd:YAG晶体,在功率为60W、光斑半径为450μm的抽运光照射下,变导热系数的Nd:YAG晶体端面最大温升为55.7℃,最大热形变量为2.85μm,而按传统将Nd:YAG晶体导热系数、热形变系数均视为定值时,晶体端面最大温升为43.4℃,端面最大热形变为2.84μm。     

LD端面抽运变导热系数Nd:YAG晶体热效应

为了计算二极管抽运Nd∶ YAG晶体温度场及热形变场,建立了端面绝热、周边恒温的晶体热模型.基于Nd∶ YAG晶体导热系数及热形变系数与其温度的函数关系,应用Newton切线法对热传导方程进行求解,得到了变导热系数和变热形变系数矩形截面Nd∶YAG晶体端面抽运下的温度场和热形变场的一般表达式,同时计算了Nd∶ YAG晶体在不同抽运功率和抽运光斑半径下内部温度场和热形变场的分布变化.结果表明,使用钕离子质量分数为0.01、尺寸为3mm×3mm×8mm的Nd∶ YAG晶体,在功率为60W、光斑半径为450μm的抽运光照射下,变导热系数的Nd∶ YAG晶体端面最大温升为55.7℃,最大热形变量为2.85μm,而按传统将Nd∶ YAG晶体导热系数、热形变系数均视为定值时,晶体端面最大温升为43.4℃,端面最大热形变为2.84μm.     

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.     

LD端面抽运圆形截面YAG-Nd:YAG复合晶体热效应

通过对半导体激光端面入射复合晶体工作特点的分析,建立了符合实际工作情况的热模型,利用热传导方程求解方法,得出了圆形截面复合晶体的温度场分布和端面热形变场通解表达式.研究结果表明:当使用输出功率为1 8 W半导体激光器端面中心入射复合晶体YAG-Nd:YAG时,抽运端面中心获得91.21℃最高温升和2.53μm最大热形变量.复合晶体可以有效降低晶体中最高温升,但是不能减少晶体端面热形变.     

激光二极管端面抽运激光晶体的热效应

建立了激光晶体的热传导模型,通过求解泊松方程,得到激光晶体内温度和温度场分布,计算了由端面形变引起的光程差(OPD)和总的光程差,得到不同抽运功率下的热焦距,并通过实验进行了验证,实验结果与理论计算基本一致。当抽运功率为10 W,抽运光斑半径320μm时,Nd∶YVO4激光晶体端面形变引起的光程差占总的光程差的45%。抽运功率为24 W时,晶体热焦距为65.8 mm。提出激光晶体端面腔镜会加重激光晶体热透镜效应的结论。研究表明,对于大功率全固态激光器,由晶体端面形变引起的光程差对晶体热透镜效应有较大影响。对提高激光器的稳定性、研究晶体的热效应提供了理论依据。     

脉冲半导体激光器端面抽运Nd:YAG晶体瞬态热分析

为了研究脉冲半导体激光器端面抽运激光晶体产生的热效应,对激光晶体瞬态温度场以及热形变场进行解析分析与计算。考虑到脉冲LD出射光具有超高斯分布,且Nd:YAG晶体热传导各向同性的特点,利用热传导Poission方程得到了超高斯分布脉冲LD端面抽运Nd:YAG晶体瞬态温度场以及热形变场的一般解析表达式,定量分析了单脉冲抽运过程中超高斯抽运光光斑半径及超高斯阶次、脉冲宽度对Nd:YAG晶体瞬态温场的影响以及准热平衡状态温度场的时变特性。结果表明,当脉冲LD端面抽运光具有3阶超高斯分布、抽运功率为80W、脉冲频率为100Hz、脉宽为200 s、钕离子掺杂质量分数为0.01的Nd:YAG晶体瞬态温度场随抽运脉冲呈现出周期性分布,准热平衡状态的温度在25.5℃到29.2℃之间成锯齿形周期分布;晶体抽运面的热形变量在0.13m和0.19m之间也呈现出周期性变化。该研究对于脉冲LD端面抽运全固态激光器热不敏谐振腔设计具有理论指导意义。     

端面抽运Nd:YAG圆棒热容激光晶体热分析

为了准确研究LD端面抽运圆棒热容激光晶体Nd:YAG时产生的热效应,采用以半解析热分析理论为基础、结合弹性力学理论的研究方法,得出了圆棒热容激光晶体抽运阶段和冷却阶段的温度场、热应力场和端面形变量半解析计算方法。结果表明,当抽运总功率为200W,4阶超高斯LD对Nd:YAG抽运2s时,Nd:YAG圆棒热容激光晶体的端面最大应力为52.9MPa,低于晶体断裂阈值下线的50%;此时激光晶体端面形变为3.05μm。所得结果为优化热容激光器提供了理论支持。     

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。     

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变半径泵浦Nd:GdVO4晶体棒热效应

研究LD泵浦晶体在实际谐振腔中,LD变化半径在晶体中产生的热效应,通过与理论上在理想模型下所求解的结果比较,发现采用变高斯半径构建物理模型,实验值与理论值基本一致。新模型的研究结果：当输出功率为15W时,抽运端面中心获得199.545C最高温升和1.33m最大热形变量。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。     

圆棒Nd:glass热容激光器的热过程半解析分析

建立了基于Nd:glass热容激光器的热传导模型,利用半解析热分析理论,对于给定的边界条件和初始条件,分别求解出泵浦阶段和冷却阶段时圆棒Nd:glass晶体的Poisson方程的解,得出圆棒Nd:glass晶体的温度场、形变场以及由端面热形变引起的热焦距、附加光程差的计算公式。研究结果表明:当泵浦总功率为2kW,4阶超高斯分布LD对Nd:glass晶体泵浦4s时,获得泵浦阶段圆棒Nd:glass晶体最高温升67.10℃,最大形变量为35.45μm,中心处附加光程差为5.677μm。冷却阶段圆棒Nd:glass晶体冷却800 s后中心最大热形变量为0.943μm。为优化热容激光器提供了理论依据。     

脉冲激光二极管巴条侧面泵浦Nd:YAG陶瓷瞬态热效应研究

为减弱脉冲激光二极管巴条侧面泵浦Nd:YAG陶瓷激光器热效应影响,提高谐振腔稳定性以及改善激光器性能,文中利用热传导理论对脉冲激光二极管巴条侧泵激光陶瓷产生的温升及热形变场进行了解析研究。依据脉冲激光二极管巴条侧面泵浦激光陶瓷工作状态分析,建立契合实际的热分析模型,通过热传导Poisson方程求解,得到单脉冲侧泵激光陶瓷泵浦时段与泵浦间期两个阶段温度场与热形变场的一般解析表达式。定量地分析了脉冲二极管巴条侧面泵浦Nd:YAG陶瓷三维温场分布、重复脉冲泵浦过程中温度场分布,以及不同泵浦参数对温场的影响,定量分析了达到热动态平衡时泵浦面的热形变量。计算结果表明:当泵浦光功率为60 W,重复频率为100 Hz,束腰半径为150 μm,钕离子掺杂质量分数为1.0 %时,Nd:YAG陶瓷泵浦面产生29.6 ℃的温升,泵浦面与通光面产生0.95 μm和0.99 μm的热形变量。激光陶瓷温度场解析方法解决了使用数值分析法造成研究精确度不高的问题,该方法还可以应用到激光系统的其他热问题研究中,为减弱激光系统中的热问题提供了理论依据。     

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%。     

高亮度半导体激光器腔面膜的研究

要降低半导体激光器阈值电流密度和提高外微分量子效率,其中采取的主要方法之一是在发光芯片的两个端面选取适当的能量反射比。根据光学薄膜的设计理论,优化膜系结构,并采用电子束离子辅助蒸发技术,选取合适的薄膜材料,在条宽100 μm,腔长1 mm的850 nm半导体激光器发光芯片的两个端面沉积光学介质膜。其作用不仅获得一定的光谱特性,而且可以使发光腔面钝化。经过反复实验优化薄膜沉积的工艺参量,可以减少膜层材料的吸收,提高膜层的激光损伤阈值。经测试采用此方法制作出的高亮度半导体激光器使用寿命明显提高,发光芯片的输出功率可达3.7 W,与未镀膜的器件相比功率提高了2.8～3.1倍。     

强激光辐照下硅基片超薄多层金属镜的热畸变

对硅基片超薄多层金属镜在CO2 激光辐照下的热特性进行了实验观测与理论分析。给出了超薄多层镜的结构设计方案 ,以及不同激光功率情况下镜面热变形与激光照射时间的关系曲线。结果表明 ,当反射镜吸收功率为 12 0W ,光照时间为 4s时 ,普通硅镜的热变形量为 0 71μm ;同等条件下硅基片超薄多层金属镜最大热变形量仅为 0 2 5 μm。理论计算与实验结果基本相符。     

脉冲激光二极管端面抽运全固态激光器热效应瞬态过程

从圆柱状晶体热传导方程出发,采用有限元方法,对脉冲激光二极管(LD)端面抽运Nd∶YAG激光器中激光晶体的瞬态温度场分布进行了计算.对单脉冲过程中,晶体升温和降温时端面温度的分布情况进行了计算;分析了束腰位置和束腰半径对单脉冲过程的影响,以及晶体热弛豫时间的影响因素;根据光线追迹理论,分析了激光晶体内温度分布达到动态平衡后,由温度梯度引起的中心与边缘相对光程差时变特性.结果表明,当束腰位于晶体抽运端面时,增大束腰半径晶体端面温度降低;当不改变束腰半径并且后移束腰位置时,晶体端面温度降低;增大冷却液对流换热系数或者空气流速、降低空气温度以及减小晶体半径都可不同程度地缩短热弛豫时间;当晶体温度分布达到动态平衡后,晶体内各点温度呈周期性变化;由晶体径向温度梯度引起的相对光程差(OPD)也随时间作周期性变化.