Nd:GGG激光晶体热容工作下的热致效应与冷却特性数值模拟

基于对称双侧激光二极管（LD）抽运Nd：GGG（掺钕钆镓石榴石）激光晶体板条，从热传导基本方程出发，以废热等效于内热源模型为前提，利用有限元分析软件ANSYS对Nd：GGG板条在热容工作下的瞬态温度场及应力场进行了数值模拟，分析了在不同边界条件下温度和应力随时间和空间的变化特性及其热致变形。计算结果表明：在激光发射阶段，边界非绝热使得板条在垂直光轴方向产生温度梯度，由此产生的折射率梯度和应力梯度导致距离光轴最远的板条边缘和光轴处产生约0．2μm的变形量。同时模拟了冷却阶段空气对流冷却、水循环冷却及喷雾冷却条件下的温度变化过程，研究了适用于热容板条固体激光器工作的冷却手段。     

矩形截面Nd:GGG热容激光器热分析

为了研究长方体型Nd:GGG热容激光晶体的热效应,通过对激光晶体工作特点的分析,采用半解析各向异性热分析方法,建立了符合实际工作状态热模型,对长方体型Nd:GGG热容激光晶体进行了热分析,得到了激光晶体抽运阶段和冷却阶段晶体内部温度场计算公式,定量分析了晶体宽度和厚度对温度场的影响。结果表明,当使用输出功率为8100W、脉冲频率500Hz、脉冲宽度0.2ms的LD抽运晶体4s时,抽运面中心最高温升为169.1℃;停止抽运120s时,晶体最高温升下降到0.97%。所得结果为热容激光器的优化设计提供了理论依据。     

热容模式下片状Nd:GGG光学畸变的模拟和实验研究

基于二极管泵浦的固体热容激光器,采用有限元软件ANSYS模拟了泵浦光高斯分布条件下,圆片状Nd:GGG晶体内部的温度分布,计算并分析了热致折射率梯度和端面形变带来的光学畸变对热容激光器输出激光波前的影响.利用干涉法对介质的光学畸变进行了测量,提取出畸变的轮廓图,计算出等效热焦距,与模拟结果基本相符.结果表明:泵浦光与激光介质形状的不匹配将会使激光介质产生光学畸变,光学畸变的形状与泵浦光的形状密切相关.     

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%。     

固体热容激光工作物质瞬态温度和热应力分布

文章利用有限差分法,对激光二极管阵列泵浦的热容激光器片状Nd∶YAG和Nd∶GGG晶体进行了非稳态热传导下温度分布数值计算与对比分析;并计算了Nd∶YAG晶体热应力分布,对热容激光器的实验工作有一定的参考价值。     

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。     

Nd∶YAG板条激光增益模块真空焊接工艺研究

传导冷却型Nd∶YAG板条激光放大器通常要把大尺寸晶体与微通道热沉焊接在一起,提高散热能力。为获得高光束质量的激光输出,要求焊面的空洞率越低越好,以降低Nd∶YAG板条激光增益模块在工作时产生的热畸变,本文提出了一种实现Nd∶YAG板条激光增益模块大面积无空洞焊接的工艺。在真空辐射加热条件下,使用精密行程控制系统调整热沉和Nd∶YAG板条激光增益介质之间焊接缝隙大小。通过对模拟件超声波扫描图的对比分析,使用精密行程控制系统调整焊接缝隙大小的焊接设计实现了大面积低空洞的连接,有效焊接面积达到98.9%。利用该工艺封装的增益模块进行了激光实验,在11kW泵浦光注入情况下,模块动态波前畸变减小了22%,表明新的焊接工艺可以提高Nd∶YAG板条激光增益模块的输出激光功率和光束质量。     

热容模式下LD阵列泵浦Nd:GGG圆盘的温度场分析

为了研究Nd:GGG激光晶体圆盘在热容运行模式下的温度场分布及变化问题,根据实际情况建立物理模型进行了分析.从热传导微分方程出发,通过格林函数法求得激光器工作、冷却阶段晶体内部温度场的解析解,在一定程度上可以反映温度场的变化情况.数值计算了矩形LD光斑尺寸3 cm,泵浦功率8100 W、脉冲频率500 Hz、脉冲宽度0.2 ms条件下泵浦4 s后圆盘的温度场以及变化曲线,得到4 s末的最大应力已经达到晶体断裂极限的47%.采用280 K、290 K的温度分别对圆盘进行背面冷却时,需要60～70 s左右的冷却时间;当采用280 K对圆盘进行背面和侧面同时冷却时,冷却时间缩短到30 s左右.     

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.     

LD抽运Nd∶GGG热容激光器实验研究

报道了激光二极管抽运单片Nd∶GGG热容激光器,实验获得平均输出功率为1.49 kW的激光输出,光-光转换效率为24.1%。同时对介质不同截面内抽运光、温度及温度梯度分布的瞬态三维分布进行了计算模拟。     

LD侧边抽运板条激光器的热效应

对LD侧边抽运的板条激光介质热效应进行理论分析与数值模拟,根据2.5 mm×14 mm×40 mm Nd∶YAG板条实物建立了相应的三维(3D)热模型,采用有限元方法分析并模拟了板条激光介质内部温度场和热应力的分布,给出在120 W抽运功率下板条激光介质的热畸变特性,估算了在不同抽运功率下热焦距的大小.在此基础上设计并封装了LD侧边抽运的板条激光模块,对该模块的热焦距进行实验研究,得到热焦距随抽运功率变化的测量曲线,实验结果与理论分析一致.     

LD抽运Nd∶GGG热容激光器实验研究

报道了激光二极管抽运单片Nd∶GGG热容激光器,实验获得平均输出功率为1. 49 kW 的激光输出,光- 光转换效率为24. 1%。同时对介质不同截面内抽运光、温度及温度梯度分布的瞬态三维分布进行了计算模拟。     

宽温区Yb∶YAG板条激光模块热畸变仿真研究

本文对不同冷却温度下的Yb∶YAG晶体板条激光模块高功率运转时的温度场、应力场及对应的热畸变进行了仿真分析研究。结果显示,随着冷却温度从300K降低至77K,板条的温度梯度热应力与应变都明显降低。当冷却温度为77 K时,最大主应力为414 MPa,仅为常温时的156,最大主应变为382×10-5,仅为常温时的6。为了分析Yb∶YAG晶体板条激光模块不同冷却温度下输出激光的光束质量,以确定其最佳运转温度,我们采用光线追迹的方法,对单程通过板条的1030nm探测光进行仿真。可以看到,当冷却温度为77 K时,远场光斑能量更为集中,且探测光光程差的PV值为07941μm,仅为300K时的596。模拟结果表明低温运转有利于Yb∶YAG晶体板条激光模块产生高功率高光束质量激光输出,这为高功率高光束质量Yb∶YAG晶体板条激光的设计工作奠定了基础。     

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...     

不同抽运光分布的Nd:GGG热容激光器介质热应力分析

从固体瞬态热传导微分方程出发并结合弹性力学的基本方程,利用有限元方法对Nd:GGG热容激光器介质的瞬态温度和热应力进行了数值模拟.数值模拟并分析了介质端面抽运光为均匀分布和高斯分布两种情况下,介质的温度、应力的瞬态分布.模拟中考虑了由介质的吸收特性导致的介质热沉积功率不均匀分布和介质热容随温度的变化关系.结果表明,抽运光功率一定时,抽运光均匀分布时介质的最高温度较低,温度梯度较小,介质所受热应力较小.     

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。     

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.     

端面抽运复合Nd:YAG陶瓷板条激光介质温度和应力分布的理论分析

基于提出的能量均分方法,理论分析和系统模拟了大功率激光二极管(LD)端面抽运Nd:YAG激光陶瓷板条阶变梯度浓度掺杂情况下板条温度分布及应力分布情况.采用板条阶变梯度浓度掺杂结构,在抽运效率很高的情况下,抽运吸收光功率分布更加均匀,产生更小的热应力,从而解决抽运效率和抽运吸收功率均匀性之间的矛盾.     

输出功率11kW的高功率固体板条激光器介质热分析

为研制高功率的板条功率放大模块,对Nd∶YAG板条激光器的增益介质的热结构进行了研究。采用有限元方法仿真了高功率激光二极管阵列端面抽运Nd∶YAG板条介质的温度、应力分布,数值模型考虑了抽运光在介质内的不均匀分布。结果表明,板条介质掺杂和未掺杂结合部位温度和应力最高,是整个板条介质的薄弱环节,应优化设计避免板条破裂。以此为参考设计高功率放大模块,而后搭建激光放大链路,种子光功率2.5 W,通过一级预放模块四程放大后,再经过四级功放模块双程放大,实现了11 kW激光输出。实验中测量了高功率抽运条件下增益介质的温度分布,与数值仿真结果基本符合。     

高斯光束单侧面抽运Nd∶YAG板条热效应研究

建立了高斯光束单侧面抽运Nd∶YAG板条部分区间的热效应模型.利用ANSYS程序用有限元法对此模型进行数值计算,获得板条内的温度场分布和板条宽度方向的热透镜焦距.使用的面阵二极管激光器的峰值功率为960 W,平均功率192 W,工作频率为1 kHz,Nd∶YAG板条的大小为3 mm×8 mm×41 mm,抽运束在板条区间的大小为3 mm×41 mm,板条的抽运面不冷却,其对立面用12°C循环水冷却.数值结果显示,板条宽度方向的温度分布呈高斯分布,抽运束边缘出现应力突变,在此方向光程差为3.8 μm(λ＝1.06 μm),用凹柱面镜对该畸变进行补偿,可使其光程差小于λ/4波长差,但在应力突变区光程差大于λ/4波长差.建立实验对热透镜焦距进行测试,高斯光束单侧面抽运Nd∶YAG板条热效应模型理论计算结果与实验结果相符.(OC38)