激光二极管阵列端面抽运复合棒状激光器热效应的有限元法分析

建立了激光二极管阵列(LDA)端面抽运棒状激光介质的数值模型.考虑到介质与空气的对流换热和介质的热力学参数随温度的变化,根据经典热传导方程和热弹性方程,运用有限元法得出了复合棒状介质和未复合棒状介质内瞬态温度、热应力和应变的时空分布,分析了温度、热应力和应变随抽运功率、换热系数和时间的变化规律.结果表明,复合棒的最高温度、最大张应力和最大轴向应变的位置与未复合棒不同,并且数值分别为未复合棒的73%,60%和33%.由此可知,利用复合棒可极大地减小热效应的影响.理论分析结果可为LDA抽运固体激光器的结构优化设计和实验研究提供理论参考.

高功率激光二极管阵列端面抽运放大器新型耦合方式研究

就高功率激光二极管阵列端面抽运大口径放大器提出一种新的耦合方式:激光二极管阵列拟球面排布,其后紧接一个导管进行耦合传输.用三维光线追迹法对这种耦合方式的特性进行模拟分析.结果表明,该耦合方式能实现高的抽运耦合效率和高的能量沉积效率,在面积缩束比为30的条件下,该耦合方式的耦合效率和能量沉积效率最高可分别达96.7%,93.7%;当激光二极管面阵单元发光区域不小于导管输出端口径时,该耦合方式能实现抽运场均匀平顶分布;另外,采用该耦合方式,激光二极管阵列排列方式灵活,非对称排布时也可实现两维对称性好、均匀平顶分布的抽运耦合场输出.建立了激光二极管阵列端面耦合实验系统,实现了85.4%的耦合效率和均匀的抽运耦合场输出.

高功率激光二极管阵列端面抽运大口径片状放大器抽运场评价方法

在高功率激光二极管阵列(LDA)端面抽运大口径放大器研究中,高效均匀的抽运耦合系统是非常重要的.为了对各种抽运耦合系统进行比较,需要对抽运场分布实现量化评价.依据抽运场分布提出一套评价方法,利用沉积效率、平均抽运密度、调制度、起伏均方根(RMS)值、均匀区尺寸等五项指标对抽运场分布进行综合评价.评价方法中既有统计量(如沉积效率、起伏RMS值、平均抽运密度),又有极值量(如调制度),还有建立在起伏RMS值统计结果基础上且满足一定条件的均匀区尺寸指标,是一套比较综合的评价方法.还提出从抽运场中间小区域开始,逐步向外扩大面积计算各指标,最后得到这些指标的变化曲线,根据这些变化曲线可对不同的耦合系统进行分析比较.对三个抽运场分布进行实例分析,结果表明,提出的评价指标和计算方法能反映出抽运场分布的抽运能沉积效率和分布起伏等关键信息.

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。

大口径高功率激光二极管阵列端面泵浦技术研究

采用大口径、高功率激光二极管阵列的大型全固化二极管泵浦激光系统能够产生高功率、大能量、高重复频率和高光束质量的激光。为了实现对介质的高效泵浦,将空心透镜导管应用于大口径高功率激光二极管阵列耦合系统。基于3维光线追迹的数值计算方法,编制了LD纵向泵浦耦合系统模拟软件,对空心透镜导管进行模拟与设计,将发光面积超过100 cm2、功率达48 kW的二极管阵列发出的泵浦光,耦合到面积仅4cm2 的Nd:YLF中,在系统耦合效率超过70%的同时,增益介质表面泵浦场具有良好的均匀性。

拟柱面激光二极管阵列端面泵浦方式提高固体激光器性能

就高功率激光二极管阵列端面泵浦大口径放大器提出一种新的耦合方式:激光二极管阵列拟柱面排布,即所有激光二极管面阵成1维圆弧型排列,圆弧的圆心在增益介质的几何中心,其后紧接一个空心导管进行耦合传输。建立了3维光线追迹程序对这种新耦合方式的特性进行模拟。模拟计算结果表明:这种耦合方式中二极管阵列排布方式灵活,当二极管阵列面阵单元以1×12(圆弧方向)、2×6(圆弧方向)、3×4(圆弧方向)这3种排布方式排布时,在较大的圆半径变化范围内均能实现高的输出耦合效率和高的能量沉积效率;当增益介质紧贴导管输出放置时,3种方式排列均能在增益介质中实现均匀平顶分布;当快轴方向所排阵列个数与慢轴方向所排阵列个数之比接近慢轴发散角与快轴发散角之比时,能获得更好的耦合效果。

激光二极管端面抽运梯度浓度掺杂介质激光器热效应的有限元法分析

基于能量均分方法,根据经典热传导和热弹性理论,建立了激光二极管端面抽运梯度浓度掺杂棒状激光介质的数值模型,考虑到梯度浓度掺杂激光介质端面与空气的对流换热和激光介质材料的热力学参数的温度相关性,运用有限元法,得出了单一浓度掺杂、2阶阶变梯度浓度掺杂、5阶阶变梯度浓度掺杂和理想梯度浓度掺杂四种掺杂结构激光介质内吸收系数、抽运光吸收功率、温度、热应力和应变的空间分布。结果表明,采用梯度浓度掺杂结构可以大大提高激光介质内抽运光吸收分布的均匀性,5阶阶变梯度浓度掺杂激光介质的最高温度、最大主拉应力和最大主应变分别为单一浓度掺杂激光介质的42.6%、31.9%和28.1%,可见明显减小了热效应的影响。理论分析结果可为激光二极管抽运梯度浓度掺杂激光器的合理优化设计提供数据理论支撑。

LD端面抽运的全固化单频蓝光激光器

用激光二极管(LD)抽运Nd:YAG晶体,采用四镜环行腔,腔内放置TGG晶体和λ/2波片,组成光学单向器,利用LBO晶体内腔倍频技术,实现单频946nm红外光和473nm蓝光输出。最大单频蓝光输出12mW,红外光输出13mW,光束x方向的M2为1.02,Y方向的M2为1.14。腰斑的不对称性为1.062。自由运转情况下,功率波动小于±1.5%,频率稳定性优于±5.4MHz。

端面抽运激光晶体热形变及温度场分布研究

用有限元方法研究了端面抽运Nd∶YAG激光器中激光晶体的温度和端面热形变分布规律.研究表明,激光晶体的端面热形变分为端面伸长形变和鼓出形变两种,晶体的热形变透镜效应是由鼓出形变引起的.在端面抽运的Nd∶YAG晶体中采用第三类热传导边界条件,实验测量了晶体的端面伸长和端面鼓出形变,结果与理论分析相一致.

LDA侧面抽运棒状激光器热透镜效应的有限单元法分析

建立了激光二极管阵列端面抽运棒状激光介质的数值模型.考虑到介质与空气的对流换热和介质的热力学参量随温度的变化,根据经典热传导方程和热弹性方程,运用有限单元法,得出了棒状介质内瞬态温度、热应力和应变的分布.分析了热透镜焦距随抽运功率的变化规律,所得的规律与有关文献相符合.理论分析结果可为激光二极管阵列抽运固体激光器的结构优化设计和实验提供理论参考.

LD抽运355nm准连续紫外激光器

采用连续LD端面抽运,腔内插入Cr+4∶YAG,KTP和LBO等晶体,并采用自孔径选模,获得较好光束质量的准连续紫外激光输出。在抽运功率12W的条件下,紫外激光输出功率约50mW,重复频率10kHz,近场光斑显示获得近似基模的355nm紫外激光。

平顶光端面抽运DPL中热效应对输出功率的影响

用平顶光束描述由多根光纤紧密排列耦合并经透镜整形后的抽运光分布,给出了平顶光束的光强分布,对晶体热效应引起的热致衍射损耗随抽运功率和抽运光束半径的变化规律进行了数值计算,讨论了晶体热效应引起的热致衍射损耗对基横模高斯光束输出功率的影响,并实验验证了基横模高斯光束输出功率随抽运功率的变化规律.结果表明:热致衍射损耗使基横模高斯光束输出功率明显降低.随着抽运光束半径的增大,热致衍射损耗减小,对基横模高斯光束输出功率的影响就减小;抽运功率越大,热致衍射损耗越大,对基横模高斯光束输出功率的影响就越大.

LDA抽运Nd∶YAG/KTP腔内和频589nm连续波激光器

报道了一种激光二极管阵列(LDA)抽运Nd∶YAG双波长和频黄光激光器.黄激光是由Nd∶YAG晶体的1064 nm和1319 nm谱线腔内和频产生.以KTP为和频晶体,采用Ⅱ类临界相位匹配,在12 W的808 nm抽运功率下,获得了最高功率为430 mW连续波基横模的589 nm黄激光输出,光光转换效率为3.6%,光束质量因子M2<1.2.实验结果表明采用激光二极管阵列抽运Nd∶YAG/KTP腔内和频技术是获得黄激光的高效方法,并可以应用到其它激光增益介质的两条谱线进行腔内和频,获得更多不同颜色的单谱线激光输出.

LDA抽运Nd:YAG／LBO单通道腔内和频589nm激光器

报道了一种光纤耦合激光二极管阵列(LDA)抽运Nd:YAG晶体、腔内I类临界相位匹配LBO和频、连续波输出的全固态589nm激光器的设计和实验结果。黄光激光是由Nd:YAG 晶体的1064nm和1319nm谱线腔内和频产生,其对应能级跃迁分别为4F3/2到4I11/2和4F3／2 到4I13/2。实验采用三镜腔结构,在808nm 12W的抽运功率下,获得了最高功率为384mW连续波TEM00的589nm黄光激光输出,光束质量因子M2<1．2,4h功率不稳定度小于±2％。实验结果表明采用三镜腔进行腔内和频是获得589nm黄光激光的有效方法,并可以应用到 Nd:YAG晶体的其它谱线或具有多条谱线的其它激光增益介质,获得更多不同波长激光输出。

四程抽运Yb∶YAG薄片激光器

设计了四程抽运的Yb∶YAG薄片激光器。选用掺杂原子数分数为10%,几何尺寸为Φ10 mm×300μm的薄片状Yb∶YAG晶体,采用铟焊工艺将其焊接到水冷系统上,用可调式恒温水箱对其进行温度控制。使用两个Φ=30 mm,R=50 mm的球面反射镜,完成了四程抽运。利用蒙特卡罗方法对抽运光斑的大小进行了计算,将反射镜轴向与光纤头轴向夹角控制在12°以内,以使抽运光斑半径与基模光斑半径比符合模式匹配原则。在LDA抽运功率为4.13 W时,获得了最高功率为670 mW的1030 nm连续激光输出,光-光转换效率为16.2%。实验结果表明:该结构可降低激光介质的热透镜效应和应力双折射效应,获得高光束质量的激光输出,但散热系统和焊接工艺需进一步优化。

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。

离轴抽运对Nd∶YAG激光器振荡模式影响的研究

以激光二极管端面抽运固体激光器为研究对象,通过实验研究了离轴抽运条件下,离轴量的大小对Nd∶YAG激光器的振荡光阈值、振荡模式、光束质量以及激光器的斜效率的影响,分析了在同一抽运位置改变LD电流时输出光位置及模式的变化情况。实验结果表明,当抽运光离轴量增大时,斜效率增大,但输出光依次出现从低阶模到高阶模的变化,激光器的振荡阈值升高,光束质量变差;在同一抽运位置增大LD电流时,输出光从高阶模向低阶模转化,光斑中心向此时的抽运中心轴靠拢。

200 mJ半导体端面泵浦MOPA激光器研究

采用高功率激光二极管阵列(LDA)端面泵浦Nd:YAG激光棒方式,结合凸凹非稳腔的设计,获得20 Hz运转条件下小束散角激光输出平均能量约为83 mJ。以该激光为振荡源,同样采用LDA端面泵浦Nd:YAG激光棒的方式进行能量放大,组成LDA端面泵浦振荡-放大(MOPA)激光器,最终获得重频频率20 Hz、平均能量>200 mJ、发散角<2.1 mrad、能量波动<±2.5%的脉冲激光输出。该激光器光光转换效率约为14.6%,体积为175×91×49 mm^3,质量<1 kg,激光经8倍发射天线后发散角<0.3 mrad。

利用输出功率测量激光二极管端面抽运的固体激光器热透镜焦距

运用谐振腔变换圆理论 ,详细分析了激光二极管抽运的Nd :YVO4 平行平面腔固体激光器振荡光在晶体内的基模光斑半径随抽运功率变化的U形曲线 .提出在适当腔长情况下激光器的输出功率随抽运功率变化曲线上将出现凹陷或尖峰现象 ,利用曲线上的凹陷和尖峰可以测量激光晶体的热透镜焦距 .同时在理论分析的基础上进行了实验 ,实验结果与理论分析相符合 .

大功率激光二极管端面抽运的Nd∶YVO_4激光器

报道了利用掺杂浓度为 0 3at. % ,通光长度为 10mm的Nd∶YVO4晶体作为增益介质 ,带光纤耦合的激光二极管端面抽运的Nd∶YVO4激光器。在抽运功率为 2 7 36 5W时 ,获得了 14 85W的TEM0 0 模输出 ,光 光转换效率为6 0 4 9% ,斜率效率达 6 4 5 %。