基于零声子线泵浦的高效率Yb∶YAG薄片激光器

高功率激光器在工业应用领域的需求不断增长,提高光-光转化效率是降低其生产制造成本的关键途径。针对提高激光器光-光转化效率所面临的增益介质的热负荷问题,利用锁定波长的969 nm“零声子线”泵浦、自主研制的高性能Yb∶YAG薄片晶体和48冲程泵浦系统等,搭建了高效的连续Yb∶YAG薄片激光器系统,实现了最高输出功率373 W,光-光转化效率可达73.37%。其优异性能为后续开展千瓦级超快Yb∶YAG薄片激光器研究奠定了基础。

100W二极管泵浦Nd:YAG薄片激光器

报道了一台高效率二极管泵浦Nd:YAG薄片激光器,采用高效均匀泵浦耦合技术,在峰值功率1.008kW,占空比25%,电 光效率大于45%的二极管激光阵列泵浦下,用一块1mm厚的Nd:YAG薄片激光介质,获得了峰值功率404W,平均功率101W的准连续激光输出,光 光效率达到40%,电 光效率超过18%。

Nd:YAG薄片激光器热致波前畸变

理论分析了激光二极管端面泵浦薄片Nd:YAG激光器的激光介质热效应对波前相位分布的影响,给出了薄片激光器波前热畸变的计算公式。数值模拟了理想均匀泵浦及4阶超高斯泵浦下的波前分布,分析了介质厚度和泵浦均匀性与波前畸变量的关系。研究表明,介质越薄,激光泵浦光均匀性越好,泵浦功率密度越小,激光波前畸变越小;与介质厚度、泵浦功率密度相比,泵浦光光强分布对波前的影响更为显著。

二极管侧面泵浦薄片激光器泵浦均匀性分析

建立了二极管侧面泵浦复合薄片激光介质Nd:YAG/YAG的数值模型:二极管阵列的快轴垂直于薄片激光介质表面的排布,二极管对称排列在增益介质的周围,从侧面进行泵浦,通过微柱透镜对二极管的快轴进行准直。模拟并实验研究了激光二极管慢轴方向的远场分布特性,结果发现在近距离时激光二极管慢轴方向上的远场分布近似为高斯分布。对于二极管参量,研究发现泵浦二极管越多,增益介质内泵浦光分布就越理想;增益介质吸收系数越小,泵浦的均匀性就越好,但总的吸收效率下降;二极管与工作物质的距离越近,工作物质靠近中心的区域对泵浦光的吸收就越多,但泵浦的均匀性就越差。选用增益介质为Nd:YAG/YAG的复合薄片介质,当掺杂原子分数以及增益介质的吸收系数不同时,发现0.6%掺杂的增益介质(吸收系数为0.24 cm-1)的泵浦均匀性比1%掺杂(吸收系数为0.51 mm-1)有明显改善,实验结果与模拟结果一致。

二极管泵浦Nd:YAG薄片激光器技术研究

固体激光器向高平均功率发展的最大障碍是激光介质的热效应。采用薄片激光介质可以实现热流近一维分布,因而是解决固体激光器热效应的有效手段之一,但许多因素都会影响薄片的一维热分布。对薄片热分布的主要影响因素进行的计算分析表明,在均匀泵浦条件下,泵浦区径向温度的均匀性不仅和泵浦区面积与薄片厚度之比有关,而且和冷却区与泵浦区的相关尺寸有关。采用均匀耦合技术并合理设计薄片的散热冷却结构以实现热流近一维分布,用平均功率336 W的激光二极管阵列泵浦一块Nd:YAG薄片,获得了平均功率超过120 W的准连续激光输出。

薄片激光器喷流冷却技术

为了分析喷流冷却技术对薄片激光器的冷却效果,从湍流换热理论出发,定义了评定喷流冷却换热能力和冷却均匀性的两个参数:面均对流换热系数和平均最大温差。利用ANSYS CFX流体力学仿真软件,建立喷流冷却的物理模型,对多种喷板结构进行求解计算。设计加工了整套喷流冷却实验装置,并进行了模拟热源喷流冷却实验。分析结果表明,喷流冷却换热能力和冷却均匀性主要受喷板结构参数的影响,仿真计算结果可以定性地指导喷板结构参数的优化设计。

Yb:YAG薄片激光器多通泵浦耦合系统设计与实验

介绍了基于Yb:YAG薄片的16通泵浦耦合系统的设计方法,建立了泵浦系统的模型,对模型进行了模拟。以16通泵浦耦合系统为基础,通过微通道冷却,利用国产单片直径10 mm、厚度为250μm、掺杂原子分数为10%的Yb:YAG薄片进行了实验研究。在泵浦功率为69.5 W时,采用曲率半径为-800 mm的输出镜,获得了27 W的1 030 nm连续激光输出,光光转换效率为38.8%;采用曲率半径为-2 000 mm的输出镜,获得了18.65 W的1 030 nm连续激光输出,光束质量平分因子小于等于1.1,光光转换效率为26.8%。

Nd：YAG方形薄片激光器3维温度及热应力的数值模拟

在有限差分迭代方法的基础上,利用MATLAB程序模拟计算了在超高斯泵浦光连续作用下Nd:YAG薄片激光器中方形薄片介质的3维瞬态和稳态温度分布。根据热平衡微分方程和热弹性体边界条件,由3维温度分布数值模拟了介质的3维位移和热应力。有限差分迭代方法避免了常规的有限元法需要求解超大稀疏矩阵而导致的占用系统的内存数增加和计算速度等问题。模拟计算得到的介质温度分布和应力分布与实验结果相符合。

大口径薄片激光器失调输出特性

对大口径的薄片激光器的失调输出特性进行了理论和实验研究,V-型腔由平面输出耦合镜和凹面反射镜及孔径光阑组成。基于矩阵光学和失调衍射积分方程得到了激光器的功率失调曲线。实验测量了在200Hz泵浦频率下加入不同孔径光阑后谐振腔失调对输出功率的影响和谐振腔失调对光束质量的影响,以及在300Hz泵浦频率下输出功率分别与平面输出耦合镜和凹面反射镜失调的关系。实验结果表明:失调输出功率和失调角度成二次函数关系,失调容限和腔镜口径成正比,光束质量因子随失调角度的增大而变小。

薄片激光介质分区域主动冷却方法

针对高功率、大口径薄片激光器,提出了采用半导体制冷片阵列对薄片激光介质进行分区域主动冷却的方法,通过调节各单元半导体制冷片的工作电压,改变阵列的冷却效率分布,实现了对薄片激光介质的局部温度的控制,进而使得薄片介质的横向温度分布均匀,降低了热效应的影响,为薄片激光器的冷却设计提供了新思路,并通过实验验证了该方法的可行性。

高平均功率薄片激光多通泵浦耦合系统设计

薄片激光器的耦合系统主要采用正交的快慢轴柱透镜及柱面反射镜对220 个线阵的大尺寸二极管面阵光源进行准直和4通耦合,在泵浦区得到23 mm×27 mm的光斑,耦合效率达到85%,用CCD观测到泵浦区光斑的均匀性较好。采用光线追迹的方法从快慢轴耦合透镜和反射镜两方面进行计算模拟。泵浦模块快轴和慢轴两方向光经过相应耦合透镜后,薄片处泵浦区光强近乎平顶分布。

4.81 WYb:YAG/1030nm薄片激光器优化设计

设计了四程泵浦的Yb:YAG薄片激光器。晶体掺杂原子数分数为10%,几何尺寸为直径10mm、厚340μm,提出了Cr/Au金属化方案,采用铟焊工艺将其焊接到微通道水冷热沉上。耦合系统为四程泵浦结构,球面镜规格为直径30 mm、曲率半径50 mm。利用LightTools软件模拟计算了泵浦光斑半径,选用曲率半径200 mm输出镜以使泵浦光斑半径与基模光斑半径比符合模式匹配原则。在激光二极管阵列泵浦功率为18.73 W时,获得了最高功率为4.81 W的1030nm连续激光输出,光-光转换效率为25.7%。

LD泵浦的被动调QYb:YAG薄片激光器实验研究

采用中心波长为940nm的激光二极管泵浦,实现了Yb:YAG薄片的Cr4+:YAG被动调Q激光输出.Yb:YAG薄片掺杂Yb3+离子浓度为10%,厚度为500μm.理论上计算了Yb:YAG薄片在直接水冷方式与不同厚度SiC冷却方式下的温度分布.实验中采用厚度800μm的SiC冷却方式,获得了最高功率2.8 W的1 030nm连续激光输出,输出功率相比直接水冷方式提高了40%.通过Degnan理论优化了被动调Q晶体Cr4+:YAG的初始透过率和输出耦合镜,采用初始透过率为93%的Cr4+:YAG晶体和透过率为10%的输出耦合镜,在800μm SiC冷却方式下,获得了平均输出功率1.95 W、单脉冲能量1.2mJ、脉冲宽度74ns、重复频率1.6kHz的稳定调Q脉冲输出,斜效率为18.1%.光束质量因子M2x=1.622,M2y=1.616.

半导体薄片激光器窗口散热模式的热效应

基于垂直外腔面发射半导体激光器窗口散热模式的传热模型,用有限元法计算了不同条件下量子阱有源区的温度变化,建立了量子阱最高温度的等效热阻模型和计算公式,并通过拟合确定了热阻模型的相关参数.计算表明量子阱最高温度与抽运功率存在线性关系,与光斑面积近反比关系,窗口散热片可显著降低量子阱有源区温度和温度的不均匀度.等效热阻模型表明由于半导体晶片内热流在径向难以扩散,热传导中存在较大串联热阻,使得散热片热扩散能力趋于饱和,其中碳化硅的散热性能约为金刚石的75%.

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端面泵浦薄片激光器的温度和热应力分布研究

为了分析薄片激光器的热效应,建立了LD端面泵浦薄片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材料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,运用有限单元法,得出了介质内温度和热应力的时空分布,分析了温度和热应力与泵浦功率、换热系数和时间的变化规律。模拟结果表明:热破坏主要为前表面光斑外侧的拉伸破裂;温度和应力的上升时间和热恢复时间随泵浦功率的变化不是很明显,随换热系数的增大而减小,但随着换热系数的增加,温度和应力的变化越来越小。

激光二极管侧面泵浦薄片激光器的泵浦光场分布研究

建立了激光二极管侧面泵浦复合晶体薄片激光器的数值模型,考虑到光束在晶体边界的折射,得出了晶体薄片内的泵浦光分布情况。分析了二极管个数、泵浦距离、吸收系数、光束发散角及晶体薄片半径对薄片内泵浦光分布和吸收效率的影响规律。理论结果与相关的实验基本相符,可为二极管泵浦固体激光器的结构设计和实验研究提供理论参考。

二极管侧面抽运薄片激光器耦合系统研究

设计了二极管侧面抽运 Nd:YAG 薄片激光器,耦合系统由消像差透镜组和空心光波导组成,对二极管快轴和慢轴方向的抽运光进行压缩和均匀化。采用光线追迹法,同时考虑二极管在快轴和慢轴方向的发散特性及薄片侧面的散射特性,模拟并分析了光线在耦合系统内的传输和薄片内抽运光分布的规律。模拟结果表明耦合系统具有98.1%的耦合效率,同时薄片内具有理想的抽运光分布。

二极管侧面泵浦薄片激光器泵浦性能数值仿真

利用二极管侧面泵浦薄片激光器泵浦分布的对称性,通过泵浦分布中的特殊点对泵浦均匀性进行定量描述的方法,提出了由泵浦均匀性和吸收效率共同表征的泵浦性能指标,并使用该指标对一定范围内的阵列距离、圆薄片晶体尺寸和吸收系数的泵浦性能进行了对比。在一定取值范围内,当圆薄片晶体半径为13 mm、阵列与晶体中心间距为37 mm、吸收系数为0.10 mm-1时,泵浦性能指标达到最小值0.111 0。采用接近最优泵浦性能指标值的泵浦参数进行实验,初步测量了热效应造成的薄片相位畸变,根据泵浦分布计算出的相位畸变分布与实验结果基本相符。文中提出的泵浦性能指标和相应计算结果为薄片激光器的优化设计提供了理论参考。

激光二极管阵列侧面泵浦薄片激光器的热效应

建立了激光二极管阵列快轴垂直于薄片表面、对快轴压缩、环绕侧面泵浦复合薄片激光器的数值模型。依据激光二极管阵列的输出光束特性,运用有限元法,得出了薄片内的泵浦光、温度和热应力分布。分析了温度和热应力与泵浦功率、换热系数和时间的变化规律。模拟结果表明:热破坏主要为复合面外侧的拉伸破裂;温度和应力的上升时间和恢复时间随泵浦功率的变化不明显,随换热系数的增大而减小,存在一个最佳的换热系数;考虑热力学参数温度相关性的稳态温度和应力要大于不考虑热力学参数温度相关性时的值。