Nd∶YAG激光器热效应的计算模拟及实验研究

对Nd :YAG激光棒的热透镜效应、应力双折射、退偏效应采用自编软件进行计算模拟 。

大能量钕玻璃棒状激光器新型热管理技术

针对kJ级大能量钕玻璃固体脉冲激光器,对比研究了传统恒温水冷方式和采用加热控制的新型热管理技术下的激光棒温度分布情况。结果表明,采用新型热管理技术可大大降低棒内温度梯度,减小泵浦过程中的热效应,确保大能量激光输出;而且加热循环水的最佳升温值在单泵浦脉冲引起的激光棒平均温升值附近,使得径向温差最小,该最佳升温值与脉冲间隔时间有关,比如脉冲间隔15 s时,循环水在每个脉冲过后的最佳升温值为单泵浦脉冲引起的激光棒平均温升值的0.85倍;采用加热控制后水温和激光棒温度整体升高,因此在工作一个脉冲串后,必须恢复激光棒温度到初始状态,然后再进行下一个脉冲串工作。

高功率环形激光二极管阵列重复脉冲抽运激光器中棒的瞬态温度分布

采用光线追迹方法和有限元方法,对高功率环形激光二极管阵列(LDA)重复脉冲抽运Nd:YAG激光器中,棒的瞬态温度分布进行了详细的计算模拟,分析比较了不同抽运阶段、抽运频率及占空比的情况下棒内的瞬态温度分布。结果表明:高功率环形LDA重复脉冲抽运时,棒中心处温度随时间变化成锯齿形分布,棒内温度随抽运频率和占空比的增大而增大,最后温度随时间成周期性变化。

Cr^(4+)∶YAG调Q的SBS激光器

对在SBS调Q的YAG激光器中加入Cr4+ ∶YAG的情况进行了计算模拟和实验研究 ,证明两种被动调Q的适当结合 。

角锥棱镜阵列谐振腔钕玻璃激光器实验研究

利用角锥棱镜阵列作为谐振腔的后腔镜,设计了一种新型的钕玻璃激光器谐振腔并进行了实验研究。实验中获得了能量大于500 J的1.06μm激光脉冲,发散角0.6 mrad左右,电光效率为2.3%。实验采集到的输出光斑不是一系列强度相差不大的子脉冲,而是中间有一个强峰,周围分布着一系列强度小得多的次峰。最后,对实验结果进行了解释与讨论,提出了利用角锥棱镜阵列进行光束相干合成的设想。

2kJ高能量钕玻璃激光器的热管理技术分析

为了进一步提高激光器输出功率,针对脉冲串工作的2kJ高能量钕玻璃固体激光器,采用有限差分法,对比研究了传统恒温水冷方式和采用传统水冷与加热控制相结合的新型热管理技术下的激光棒温度分布情况。结果表明,采用新型热管理技术可以降低激光棒内的温度梯度,确保高能量激光输出。

无后向反射镜的SBSYAG激光器实验研究

对无后向反射镜SBS调Q的YAG激光器做了实验研究。在对透镜焦距、池子长度、聚焦位置优化后 ,当重复频率分别为 1Hz和 5Hz时 ,得到了稳定的高质量激光输出。

高功率LDA紧密环绕抽运Nd:YLF放大器实验研究

采用高功率LDA紧密环绕抽运10mm× 10mmNd :YLF和两级双程离轴行波放大结构 ,实现了对 5mm× 5mm口径激光的放大。分析并实验研究了在不同抽运电流及不同抽运延时条件下 ,激光放大器及两级双程离轴放大系统小信号增益的规律。实验得到两级双程放大系统的小信号净增益可达 6 0

由周期型强激光脉冲引起的光学元件的温度分布

在本文中,我们根据强激光脉冲的重复频率较低,脉宽窄的特点,把介质在一个周期中受辐照的温升分为辐照阶段和辐照后热扩散阶段处理。在充分考虑辐照脉冲的周期性特征后,得出了稳定周期运行的系统中光学元件上的温度分布。

飞秒脉冲的破坏阈值研究

在Stuart等人理论模型的基础上,综合考虑Ming等人对电子密度衰减机制的研究,对飞秒激光的破坏机制进行了分析。通过计算模拟,分析了多光子电离、雪崩电离、电子衰减等机制与被辐照介质中自由电子密度之间的关系。分析表明脉冲宽度越窄,多光子电离过程提供的自由电子比例越小,其对激光破坏的作用也越小,此时雪崩电离过程将提供绝大部分电子,起到主导的作用;而随着脉宽增大,多光子电离提供的自由电子比例也将增大,其作用逐渐增强。当考虑衰减机制的影响后,电子密度在脉冲后沿不是维持在一个稳定的值,而是在达到极大值后呈下降趋势。在研究电子密度的基础上,利用计算飞秒脉冲破坏阈值的模型,分析了不同的衰减因子对破坏阈值的影响,研究表明,考虑电子衰减机制模拟得到的破坏阈值比不考虑时有所提高。

激光引信用微宝石激光器设计

针对微宝石激光器在激光引信领域的应用需求,从激光二极管泵浦Cr4+:YAG被动调Q微宝石激光器速率方程出发分析了输出镜反射率、Cr4+:YAG晶体初始透过率、泵浦速率对激光器输出参量的影响及其变化规律。理论计算表明,文中设计的激光器理论上可以实现短脉冲(<1.5ns)、高峰值功率(14.5kW)、高重频(泵浦光为1W情况下激光重复频率为7.2kHz)的稳定激光输出。最后给出了Cr4+:YAG晶体运转过程,并以此为基础分析了微宝石激光器的稳定性。计算分析表明,微宝石激光器理论上可以满足激光引信用激光器的要求。

部分相干环形光束经透镜聚焦的焦移和焦开关

为了从理论上对部分相干环形光束被透镜聚焦后轴上点的光强分布以及焦移和焦开关现象进行研究,采用惠更斯-菲涅耳衍射积分方法进行了理论分析,取得了轴上点光强分布及焦移、焦开关现象的相关数据。结果表明,焦移量不仅依赖于环形光束外半径的菲涅耳数,还依赖于入射部分相干光的空间相干度和中心拦截比。菲涅耳数越大,焦移量越小;部分相干光的空间相干度越高,焦移量越小。菲涅耳数一定时,环形光束的中心拦截比越大,焦移越大。对于某一固定的空间相干度,随着菲涅耳数的降低会出现焦开关现象。这些结果对研究部分相干环形光束的聚焦性质是有帮助的。

高功率LDA紧密侧面抽运Nd:YLF两级双程离轴放大系统实验研究

介绍了一台10mm口径两级双程离轴放大系统,实现了对5mm×5mm口径光束的激光放大,耦合系统采用高功率LDA紧密侧面直接抽运棒状Nd:YLF方式。分析并实验研究了在不同抽运电流、放大脉冲与放大器LDA抽运时刻的不同延时及不同注入能量条件下,放大系统及光束每次放大时放大特性的规律。实验得到:在放大系统5mm×5mm软光阑处注入1.58mJ能量时,放大系统可输出129.2mJ能量,能量提取效率达到19.5%,满足该系统的设计指标。

输出参数可调的微宝石激光器设计

从激光二极管泵浦Cr4+:YAG被动调Q微宝石激光器速率方程出发,分析了微宝石激光器输出参数(脉冲能量、峰值功率、脉宽、重复频率)的影响因素,计算表明在激光模块(包括激光晶体、调Q晶体、镀膜)已定的情况下,输出激光脉冲的脉宽也已定,而改变泵浦面积可以同时改变脉冲能量、峰值功率、重复频率,改变泵浦速率只改变脉冲重复频率。在此基础上对输出参数可调的微宝石激光器进行了概念设计。

管状激光器的介质温升研究

基于二次吸收发热模型,考虑了激光介质的端面效应,对有限尺寸的管状YAG激光器介质温升进行了计算分析。结果表明,介质横截面上的温升呈环状分布,激光管壁中心部分的温升最大,内壁和外壁的温升较小,且外壁温升低于内壁温升。聚光腔反射率越大、厚度越厚、泵浦功率越大、吸收系数越大,都会使得介质内的温差升高,从而使得热效应不断加剧。

微型光纤光谱仪的波长定标分析

为了提高光纤光谱仪的测量精度,采用标准汞氩灯谱线和最小二乘法的3阶线性拟合,取得了完整的波长定标方案。结果表明,算术平均误差小于0.167nm,标准差小于0.217nm,波长与像素的拟合相关程度较高;定标后波长不确定度优于0.11nm,误差小于0.15nm,波长重复性可达0.01nm。这一结果对提高光谱仪实际应用中的测量精度是非常有益的。

重复脉冲泵浦管状固体激光器的介质温升

对重复脉冲泵浦的管状YAG激光器的3维温度分布进行了深入研究,计算模拟了管状介质在不同时刻的3维动态温升分布。计算结果表明,泵浦初始阶段,介质中各点的瞬态温升均随泵浦脉冲个数呈锯齿形增长,最大温升点的位置由介质内壁随时间逐渐向介质内部移动;经过大约490个脉冲泵浦后,介质内的瞬态温升最终随时间呈重复周期性变化,最大温升点将不再移动。当温升分布呈重复周期性变化后,激光管中心部分的温升较大,内外壁的温升较小,且外壁温升低于内壁温升。

多个短脉冲辐照下光学元件的温升分布

从傅里叶热传导方程出发,推导了在多个幅度、间隔不等的短脉冲辐照下,无源光学元件温升三维分布的含有时间的解析表达式,针对具有周期性的重复脉冲照射的情况进行了具体的计算分析,讨论了入射脉冲数目、脉冲间隔及脉冲通量密度等与光学元件的温升分布的关系,并估计了温升引起的光波相位畸变。

管状固体激光器中的热致退偏分析

对非均匀发热的管状YAG激光器的热应力双折射和热致退偏进行了深入研究,计算模拟了不同管壁厚度和泵浦功率下的热致双折射光程差和热致退偏损耗。

环形激光二极管抽运棒状激光器中瞬态温度和热应力分析

直接从激光二极管发光强度的角分布出发 ,采用光线追迹方法获得激光棒内的热沉积分布 ,在此基础上采用热传导模型和热力模型 ,比较了不同抽运功率、不同棒半径下达到稳态温度分布的时间 ,并且对稳态和瞬态热应力进行了详细模拟计算。结果表明 ,采用环形激光二极管阵列侧面抽运的棒状激光器中的热效应问题十分严重 ,不同的抽运结构参量下 ,温度分布不同 ;达到稳态所需时间随棒半径增大而增加 ,而不受抽运功率的影响 ;抽运功率越大 ,棒内温差增大 ,热应力也越大 ;热破坏主要集中于激光棒中心区域和表面区域。