YAG:Nd、YAG:Nd:Cr晶体热线膨胀特性

一、前言固体激光材料YAG:Nd、YAG:Nd:Cr属于立方晶系晶体。对于完整的理想晶体,在光学、热学、机械性质上是各向同性的。作为固体激光材料,为了估价和设计固体激光器,需要有准确的折射率温度系数和热线膨胀系数。对于热线膨胀系数,虽然文献〔2～9〕有报导,但数据差异较大,并且与膨胀系数有关的样品成份、结晶状态和取向、测量的温度范围等参数报导得不详细。本报告利用普通光学膨胀仪对YAG:Nd、YAG:Nd:Cr不同成分、取向单晶棒进行了热线膨胀特性测定,提供了某些参数条件下的单位线膨胀和平均线膨胀系数数据。     

Nd:YAG激光器增大线偏振输出功率的实验研究

由热应力双折射产生的热退偏是限制Nd:YAG激光器线偏振输出功率的重要因素。本文理论分析并实验证明,相比于传统的[111]方向切割的Nd:YAG晶体棒,使用[100]方向切割的Nd:YAG晶体棒能够改善Nd:YAG激光器的线偏振态输出功率。在理论分析的基础上,实验中采用半导体侧面泵浦不同切割方向的Nd:YAG棒状晶体,比较[111]、[100]方向切割晶体的线偏振输出特性,实验证明[100]方向切割的Nd:YAG棒状晶体,有最小的晶体热退偏方向,可以提高激光器的线偏振输出功率。     

Nd:YAG晶体的断裂应力及弹性模数

研究在连续泵浦的激光头上使用的Nd:YAG棒,在系统工作时的热应力,资料[1]研究了在连续泵浦的Nd:YAG晶体中的吸收泵浦功率、热分布图及有关应力分量等的详细分布。如果激光棒是用12瓧输入功率泵     

非球面透镜弥补棒状激光晶体热效应的研究

研究了激光二极管侧面泵浦Nd:YAG晶体的热效应.通过热传导方程,获得了Nd:YAG晶体内部的温度分布.分析了温度梯度和热应力对激光棒的影响,得到了在激光器运行时激光棒内的折射率分布.在谐振腔内,作为光学元件的激光晶体必然产生像差.计算了Nd:YAG晶体棒沿径向的光学路径差(OPD)用以量化像差.通过实例演示了此种方法...     

固体激光器中热效应对晶体介质寄生振荡的影响

使用8条激光二极管(LD)阵列对Nd:YAG晶体进行双侧泵浦,分析晶体的温度、应力和热致折射率的变化.研究不同泵浦条件下放大器的放大系数,并在此基础上,重点讨论了热效应对晶体寄生振荡的影响.实验结果表明,在高功率泵浦的条件下,由晶体热效应引起的晶体变形及热致折射率变化可以在一定程度上抑制晶体的寄生振荡.不管振荡器输出光是直线通过放大器还是在放大器晶体表面反射一次通过晶体,均能得到2倍的单程放大系数.     

425mJ高光束质量特殊取向Nd:YAG激光放大器

基于主振荡功率放大结构,采用特殊取向Nd:YAG激光放大器,获得高脉冲能量、高光束质量的激光输出。激光放大结构包含种子源、预放大级和主放大级三部分。在主放大级中,采用串联放置的激光二极管侧面抽运Nd:YAG棒状放大模块对种子光进行放大。为了获得高光束质量的输出光束,对不同切割方向Nd:YAG晶体棒的热退偏损耗进行了模拟。根据模拟结果,放大模块选择[100]切割方向的Nd:YAG晶体棒作为增益介质。在重复频率为200Hz、脉宽为25ns、脉冲能量为40μJ、光束质量接近衍射极限的种子光注入条件下,获得了425mJ脉冲能量输出,输出光光束质量因子为1.37,功率稳定度为0.81%。     

YAG激光晶体热致双折射的非线性分析

为了克服线性模型在描述高功率运转的激光晶体时,热焦距和热致双折射计算值与实测值不符的缺点,采用非线性热传导模型,计算了常用[111]切割方向Nd:YAG激光晶体的热致双折射椭圆分布以及径向和切向热焦距。进行了平均热焦距数据测量和旋转线偏振光干涉实验,实验结果与理论分析吻合。结果表明,非线性模型对Nd:YAG激光晶体在高功率运转时的描述更符合实际情况,普适性更强。这一结果对于设计高功率径向或切向偏振固体激光器是有帮助的。     

连续Nd+Cr:YAP激光器

分析了连续泵浦b轴Nd+Cr:YAP激光器中热效应对偏振输出的影响。实验证明在双折射率大的b轴Nd+Cr:YAP棒中,热致退偏损耗是微不足道的。采用工作在稳定区边界附近的平凸型谐振腔,在φ5.3×54毫米的棒中获得了32.8瓦的激光输出。     

几种常用方向YAG激光棒的热致双折射效应及其在激光器中的应用

YAG晶体连续激光器,在泵浦过程中,大约有5％的光泵能量被棒吸收之后转化成热,因此,通常在棒的周围通以循环的冷却液。这样,在YAG棒中,形成了一个径向对称分布的温度场,使棒产生热透镜效应,热应力以及热致双折射效应。本文着重研究热致双折射效应及其在激光器中的一些应用。 Koechner等人对YAG棒的热效应作过多方面的研究。他们给出了计算热致双折射率的方程式,指出它与棒轴方向成函数关     

刻螺纹对Nd:YAG晶体棒的热透镜效应影响实验研究

从理论上分析了Nd:YAG晶体棒内热传导过程以及影响冷却效果的因素,给出了表面刻上螺纹后,对Nd:YAG晶体棒的表面积和表面冷却换热方式的影响。对热焦距进行了测量,与普通的棒的实验结果进行了对比,螺纹棒比普通棒的热焦距大12.9%。用刻螺纹的方法可以增大晶体与冷却液的接触面积同时改变了对流传热方式,有效地降低了棒的热透镜效应。     

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双面侧抽运Nd∶GGG热容激光晶体热分析

为了研究矩形晶体Nd∶GGG受到具有高斯分布激光双侧错位抽运时,激光晶体内部温度场和热形变分布情况,采用以各向异性半解析热分析为基础的方法进行了研究.当用输出功率分别都为300W从Nd∶GGG晶体两侧面错位中心抽运时,高斯半径为9.00mm,最高温度出现在前抽运面,晶体内最大温度为309.73℃;分析了激光晶体工作的特...     

棱边倒角面抽运热键合平板波导固体激光器

采用晶体热键合方法加工制作了YAG/Nd:YAG/YAG单包层平板波导,波导晶体几何尺寸为12 mm×5 mm×1 mm,其中中心掺杂层Nd:YAG厚度约为0.2 mm,对称外包层YAG厚度约为0.4 mm。采用一种新的抽运方法—棱边倒角面抽运方法对晶体进行抽运:波导晶体的一条12 mm长棱边加工成大小为12 mm×0.3 mm的倒角面,快轴准直抽运激光二极管(LD)发出的抽运光经聚焦后从倒角面入射进入晶体,抽运吸收效率约为82%。激光器谐振腔采用平-平腔,其中全反镜直接在波导晶体端面镀高反膜实现,输出镜尽可能靠近晶体另一端面,腔长约12mm。当输出镜透射率为6.6%,激光二极管抽运光功率约为49.5 W时,得到输出激光功率13.6 W,光-光转换效率约27.5%,导波方向光束质量M2因子1.9。激光器实现了较高的光-光转换效率和较好的导波方向光束质量。     

抽运光分布对Nd:YAG微片激光器热效应的影响

以半解析热分析理论为基础,研究超高斯分布激光二极管(LD)端面抽运背冷式微片Nd:YAG晶体的热效应。通过对超高斯分布激光二极管端面抽运背冷式微片Nd:YAG晶体工作特点分析建立热模型,利用热传导方程新的求解方法得出微片Nd:YAG晶体内部温度场、热形变场、附加光程差(OPD)半解析计算表达式;利用附加光程差得出微片Nd:YAG晶体的热焦距计算表达式。研究结果表明,当使用总功率为24.2 kW,10%占空比4阶超高斯分布激光二极管抽运时,微片上获得70.36℃最高温升,0.465μm最大热形变,0.836μm最大附加光程差。     

Ta2O5单晶激光法生长及其介电性质研究

Ta2O5 single crystals have been grown by the laser heated pedestal growth (LHPG) technique up to several centimeters length with diameter of 1.1 mm. The crystal, characterized by X-ray diffraction, dielectric measurement, and thermal expansion analysis, has Htri-Wa2O5 symmetry. Dielectric permittivity, loss tangent along [001] and [110] direction were investigated over the temperature range from -180℃ to 100℃. Large dielectric anisotropy in 2O5 single crystal was observed. At room temperature, the dielectric permittivities (1 MHz) along [001] and [110] are 33.2 and 231.9, respectively. The reason of dielectric enhancement in Ta2O5 crystal grown by LHPG was also discussed.     

A Thermal Conductivity Model for Micro-Nanoscale Diamond Thin Films Using Dispersion Curve Data

Thermal conductivity is investigated for a cubic C (diamond). Boundary scattering, Umklapp processes, normal processes, and the presence of impurities are the mechanisms considered for heat flow resistance. Three symmetry directions [001], [110], [111], and three polarizations for each direction in the first Brillouin zone are considered for the material. The main purpose of this study is to analyze the effect of the curvature of phonon dispersion curves on the thermal conductivity, and develop an accurate model. The model incorporates the effects of impurity and impurity concentration, film thickness, and crystal orientation on thermal conductivity. The model is validated by comparing results with experimental data for diamond in the [111] direction. The model is then used for the other symmetry directions using the appropriate dispersion curves. The results show that the curvature of the dispersion curves dramatically affects the thermal conductivity. A sensitivity analysis is conducted to study the effect of boundary scattering as the film decreases in thickness and the effect of impurities.     

热边界和泵浦结构对激光晶体热效应的影响

报道了不同热边界和泵浦结构下激光晶体的热效应情况。理论上,基于星载激光器的工作特点,通过建立符合激光晶体工作状态的热模型,模拟了Nd:YAG晶体受到具有高斯分布半导体激光侧面泵浦时的温度场分布,分析了热边界、泵浦方式以及泵浦光斑、吸收系数等泵浦参数对温度场的影响。将激光晶体热透镜作薄透镜近似,进行了热透镜焦距理论计算和实验测量。五面环形泵浦结构,泵浦功率4 500 W,10 Hz重复频率下,Nd:YAG晶体的热透镜焦距约9.5 m,实验结果与理论仿真结果基本符合。文中建立的模型与实验方法为预测激光晶体的热效应提供了一种有效工具,为激光器设计提供依据。     

(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.     

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。