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。     

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.     

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.     

角抽运板条固体激光器热效应的分析

通过对二极管角抽运板条固体激光器的稳态热效应分析,提出了在角抽运条件下激光介质内部热源分布的模型.以此为基础,从稳态热传导方程和边界条件出发,计算了激光介质中的温度分布;同时分析了这一特定温度分布条件下增益介质的应力分布以及由于温度分布和应力分布引起增益介质的光学畸变,这些结果可以为二极管角抽运全固态激光器的稳定设计提供基础理论依据.     

晶体热效应对激光二极管抽运调Q固体激光器转换效率的影响

研究了在考虑晶体热效应的情况下,如何最优化设计激光二极管(LD)端面抽运的固体激光器。综合考虑抽运光束分布、抽运功率、谐振腔结构以及激光介质的热效应对激光器转换效率的影响,给出设计激光器的一套仿真计算算法。结果表明,热致衍射损耗与抽运光半径、抽运功率、腔长、振荡光半径以及晶体材料有关,与输出镜透射率以及重复频率无关。在考虑热致衍射损耗的情况下,当抽运功率一定时,最佳的抽运光参数和谐振腔参数能使Nd:YAG的转换效率最大。     

固体激光器中的热管理

泵浦源向固体激光介质提供产生激光所需能量的同时,在介质中造成无用热.为了持续工作,必须及时从激光介质中消除这些无用热(散热),于是形成"热效应".这种热效应造成两个恶果:应力导致工作介质破坏,从而限制了激光器的输出平均功率;畸变导致激光光束质量下降,使输出激光的亮度降低.概述克服固体激光器热效应所做的工作、取得的进展以及今后可能的技术途径.     

改善Nd…YAG掠入射板条激光器增益介质热效应的研究

增益介质的热效应是制约掠入射板条激光器获得高功率和高光束质量的重要因素。采用Nd…YAG和蓝宝石晶体键合的方法,研究掠入射板条激光器增益介质的热效应。理论模拟了Nd…YAG与蓝宝石键合晶体增益介质的温度场分布和热焦距。实验对比了Nd…YAG和蓝宝石键合晶体与单块Nd…YAG晶体增益介质的输出特性:在相同腔长和抽运的自由振荡条件下,键合晶体的最大稳定输出功率比单块Nd…YAG晶体提高了26%;当抽运功率为44W时,键合晶体相对于单块Nd…YAG晶体热焦距增长了69%;同时,键合晶体宽度、厚度方向的光束质量因子M_x~2=1.84、M_y~2=2.29,单块Nd…YAG晶体宽度、厚度方向的光束质量因子M_x~2=2.92、M_y~2=4.38。理论分析和实验结果表明,Nd…YAG和蓝宝石键合晶体能够降低掠入射板条激光器增益介质的热效应,有利于输出功率和光束质量的提高。     

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。     

高功率全固态激光器抽运耦合技术进展

综述了目前获得高功率激光输出的板条、薄片激光器以及运行于热容模式固体激光器抽运耦合方式的进展,分析了这几种固体激光器的抽运耦合技术路径,比较了各类抽运耦合方式在克服热效应方面的优缺点,展望了固体激光器抽运耦合技术的发展趋势。     

固体激光器热效应引起像差的研究

利用哈特曼波前探测器测量固体激光器中由热效应引起的像差,通过与理论计算得到的像差进行比较,修正理论计算中的不足。在热效应分析的基础上,计算固体激光器中由热效应引起的动态畸变,并以像差的形式表示,像差形式只包括均匀相移和纵向离焦,其他像差形式为零。对固体激光器像差的测量结果进行分析,得出实验中测得的固体激光器中由热效应引起的动态热畸变,并利用三维相位畸变显示动态热畸变,给出动态热畸变的像差形式,其中主要的像差为纵向离焦。     

Effect of birefringence on the performance of linearly polarized YAG:Nd lasers

The thermally induced stress birefringence has been known to severely affect the performance of a solid-state laser system when the beam is linearly polarized. This paper refines the theory of the interaction of a linearly polarized wave with a continuously pumped YAG : Nd crystal; in conjunction with experimental evidence this paper illustrates the angular independence of the birefringence, describes the radial dependence, and explains the laser power losses involved.     

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。     

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。     

The slab geometry laser-II: Thermal effects in a finite slab

This paper presents two methods for calculating the thermally induced stress, focusing, and depolarization in a pumped zigzag-slab solid-state laser. A computer program capable of detailed calculations of thermal effects in the general case is described. An approximate analysis of slab thermal effects in many cases allows calculation of these effects without use of the computer model directly. The analysis predicts that slabs of square cross section can be designed to have low depolarization and thermal focusing compared to Nd:YAG laser rods.     

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%。     

固体激光器腔型结构对热透镜焦距测量的影响

热透镜效应对固体激光器的性能影响很大,准确测量热透镜焦距对固体激光系统的设计有重要意义。考虑热致双折射效应,利用等效谐振腔的g参数坐标图进行分析,推导了三种不同腔型结构下径向热透镜焦距和切向热透镜焦距系数的计算方法,分析并得出了测量热透镜焦距系数所需的腔型结构。实验采用Nd∶YAG作为激光晶体,三组激光二极管互呈120°侧向抽运。实验结果表明,在非对称平-平腔中,当激光晶体相对于两面腔镜位置不同时,谐振腔输出功率会出现不同的变化趋势,测量出径向热透镜系数为31.76 m.W和切向热透镜系数为42.26 m.W。实验验证了理论分析的正确性。     

连续16 W二极管端面泵浦混合腔Nd:YVO4板条激光器

在半导体泵浦的固体激光器中,激光晶体的热效应在很大程度上影响了激光器的能量输出和光束质量.为减小激光器中的热效应,介绍了用LD端面泵浦板条(slab)激光晶体,结合稳腔-非稳腔混合腔型(hybrid resonator)实现的板条激光器.在腔长为50 cm的情况下,得到了16 W连续输出,高泵浦功率时斜效率达到59%,同时进行了稳腔方向的热效应分析.     

热退偏损耗完全补偿的千赫兹电光调Q Nd:YAG激光器

为了同时补偿固体增益介质的热致双折射及热透镜效应,进一步提高重复频率1 kHz激光二极管(LD)侧向抽运高平均功率电光调QNd∶YAG激光器的输出功率,设计了一种完全消除热退偏损耗的双调Q开关谐振腔结构,此结构在传统调Q谐振腔的基础上沿着偏振片的退偏方向增加了一个调Q谐振支路,并使得激光从增益介质方向输出.实验结果表明,此激光器的单脉冲能量比单Q开关结构的非补偿腔输出能量高出74.7%.当侧面抽运的激光二极管输出脉冲能量达到307 mJ时,激光输出能量达到26.2 mJ,光-光转换效率为8.5%,光束发散角为1 mrad.     

LD边抽运Yb:YAG激光器性能的数值计算

以准三能级固体激光理论为基础,用数值方法研究了LD边抽运Yb:YAG板条激光器的激光输出特性、温度效应、光学畸变和摩尔分数优化等性能.计算表明,Yb:YAG可实现100kW的激光输出,板条的尺寸在130mm×60mm×3mm左右,Yb3+的摩尔分数小于1%.从晶体的生长的角度看,生长出满足130mm×60mm×3mm晶体元件加工需求的Yb:YAG晶体是可行的.所以,Yb:YAG是未来激光战术武器中的候选材料.     

采用光学介质变温控制的固态激光器热效应补偿方法

提出了一种采用环状光束照射RG850动态补偿固态激光器热效应的新方法.研究中采用MATLAB和ANSYS理论分析了侧向泵浦的Nd:YAG晶体的热致波前畸变,以及热效应补偿片RG850的温场、折射率和波前分布;重点仿真研究了RG850在不同温度分布时对系统热效应的补偿效果.实验结果表明:该方法在单模和多模两种情况下都能较...