LD端面泵浦变热传导系数YAG-Nd:YAG复合晶体温场特性研究

为了解决LD泵浦YAG-Nd:YAG复合晶体的热效应问题,建立了端面绝热、周边恒温的YAGNd:YAG复合晶体热模型。考虑到YAG-Nd:YAG复合晶体热传导系数是随温度变化的函数,利用解析方法与Newton切线法相结合的方法对热传导方程进行求解,得到了LD端面泵浦YAG-Nd:YAG复合晶体变热传导系数情况下温度场的一般表达式。定量计算了泵浦光功率、光斑半径对温度场分布的影响。研究结果表明:在将Nd:YAG晶体的热传导系数视为定值13W·m-1·K-1时,使用60W LD端面中心入射YAG-Nd:YAG复合晶体时(未掺杂Nd3+的YAG段长度2mm,Nd:YAG段掺Nd3+质量分数1.0%),晶体内部的最大温升为20.3℃;而将热传导系数视为随温度变化的函数时,晶体内部的最大温升为26.1℃。研究结果为正确计算YAGNd:YAG复合晶体温度场分布提供了方法,并为合理设计谐振腔提供了理论依据。

热等静压工艺对Yb:YAG复合激光晶体性能影响

由于施压不均匀、升温时温场分布不均匀等因素,键合晶体键合面上会产生气泡、孔洞、裂纹等缺陷。将热等静压技术与热键合技术结合,控制热等静压参数,可减少或消除键合晶体烧结后的内部缺陷。对键合晶体在不同温度、压强、恒温时间进行热等静压实验,并通过弯曲强度、维氏硬度、透过光谱和光学均匀性测试对热等静压后的元件进行表征。借助金相显微镜观察键合晶体内部孔隙消除与缺陷的闭合情况,通过分析颗粒间应力变化,研究了热等静压工艺缺陷减少或消除机理。实验结果表明,热等静压后键合晶体元件键合面上的气泡与缺陷大幅度降低,弯曲强度较热等静压前提升185.29%,维氏硬度提升16.14%,透过率和光学均匀性明显提高。

板条Nd:YAG晶体的合成盘抛光技术

针对高功率板条激光器核心工作器件——板条Nd:YAG晶体的超精密加工开展研究,分析了具有特殊构型的板条Nd:YAG晶体元件的加工性能及工艺难点,提出了一种新的基于合成盘抛光的板条Nd:YAG晶体加工工艺,并对规格为100mm×30mm×3mm的板条Nd:YAG晶体进行了加工实验。实验结果表明,合成盘抛光可以很好地控制元件的塌边现象;通过磨料的优化选择,在合成盘抛光工艺中匹配合适粒度的Al2O3磨料能够实现元件的低缺陷加工,元件下盘后的全反射面平面度达0.217λ(1λ=632.8nm),端面平面度达到0.06λ,表面粗糙度达0.55nm(RMS),端面楔角精度可达2″。

边缘抽运非对称Yb:YAG盘片激光器

为了对 Yb:YAG 固体盘片激光器进行简单高效的抽运,采用了边缘抽运的方式,使用 LD 阵列通过光束耦合装置对非对称 Yb:YAG/YAG 复合晶体进行抽运,获得了80%以上的抽运光吸收效率和较均匀的吸收分布;同时,为了避免高功率工作下晶体过热导致性能下降,对这种抽运结构的散热装置结构进行了理论分析和实验研究,自主设计了理论散热效率超过12W/(cm^2·K)的微喷式散热系统,并进行了实验。在抽运吸收功率750W 时获得了123W 的连续光输出,斜率效率达到34.8%。结果表明,边缘抽运方法在 LD 抽运盘片激光器的研究中有着很好的应用前景。

复合Nd:YAG晶体固体激光器热效应研究

通过使用Comsol有限元仿真软件中的热传导模块,对以下四种晶体在端面泵浦工作情况下晶体内部温度分布进行了模拟分析。其中包含:(1)3 mm×3 mm×10 mm均匀掺杂Nd∶YAG晶体;(2)两个端面分别键合3 mm长YAG晶体的3 mm×3 mm×10 mm Nd∶YAG复合晶体;(3)侧面键合厚度1 mm的YAG晶体5 mm×5 mm×10 mm复合Nd∶YAG晶体;(4)四个侧面分别键合厚度1 mm的YAG晶体,两个端面分别键合3 mm长的YAG晶体的5 mm×5 mm×10 mm Nd∶YAG晶体。在泵浦功率为30 W时,四种晶体的最高工作温度分别为153℃,114℃,157℃,115℃。结果表明,与侧面键合结构相比,端面键合是降低激光晶体的工作温度,减小热效应的有效方法。为研究侧面键合结构的适用条件,论文降低了晶体侧面的导热系数,模拟了在同样的泵浦功率条件下四种晶体的最高温度,分别为212.014℃,149.158℃,186.741℃和134.410℃。模拟结果表明在侧面散热条件比较差的条件下,侧面与端面双重键合是降低激光晶体热效应的最佳选择。在实验方面,采用LDA作为泵浦源,在泵浦功率为18 W时,得到侧面与端面双重键合的Nd∶YAG的输出功率最高,为12.1 W,转换效率为67.2%,实验结果与理论模拟结果相符合。

复合Nd∶YAG晶体大功率1064 nm固体激光器研究

报道了采用Comsol多物理场仿真软件模拟计算三种结构Nd∶YAG晶体的温度场分布,并通过实验,对比分析复合晶体与均匀掺杂Nd∶YAG晶体的输出功率和转化效率。模拟结果表明,当泵浦功率为18 W时,尺寸为3 mm×3 mm×10 mm、3 mm×3 mm×16 mm、3 mm×3 mm×20 mm的三种晶体的最高温度分别为97.12℃、89.08℃和88.01℃,复合晶体在降低晶体工作温度,减小热效应方面优势明显。采用相同的工作条件,当泵浦功率为18 W时,均匀掺杂Nd∶YAG晶体1064 nm激光最大输出功率为6 W,16 mm长的复合晶体的输出功率为9.3 W,且未出现饱和现象,光斑质量优于均匀掺杂晶体情况。理论和实验结果表明,复合晶体在降低热效应,提高光斑质量方面具有更高的实用性。

基于YAG/Nd:YAG/Cr^(4+):YAG键合晶体的被动调Q亚纳秒激光器

全固态被动调Q激光器有光束质量好、脉冲宽度窄、结构紧凑等特点,在雷达探测、工业制造等领域具有广泛应用前景。对YAG/Nd:YAG/Cr^(4+):YAG键合晶体被动调Q激光器的输出特性进行了理论和实验研究,在泵浦光中心波长为808 nm、光斑直径为230μm、泵浦功率为6.72 W的泵浦条件下,获得了平均功率1.41 W、脉宽736 ps,重复频率8.46 kHz的调Q激光输出。进一步研究表明,随着泵浦光焦点远离Nd:YAG端面,激光光斑的对称性下降;且泵浦光焦点离Nd:YAG端面的距离沿晶体轴向增大时,激光阈值呈上升趋势。

激光二极管端面抽运YAG-Nd:YAG复合晶体棒温度场特性

为解决激光二极管(LD)端面抽运激光介质产生的热效应问题,建立了端面绝热、周边恒温、界面热流连续的YAG-Nd:YAG复合晶体棒热分析模型。利用特征函数法和常数变异法得到了超高斯光束端面抽运YAG-Nd:YAG复合晶体棒温度场的一般解析表达式。同时定量分析了超高斯抽运光光斑尺寸,光束阶次,YAG晶体长度对YAG-Nd:YAG复合晶体棒温度场的影响。研究结果表明,若LD输出功率为50 W,光学耦合器传输效率为82%,4阶超高斯光束端面抽运YAG-Nd:YAG复合晶体棒时,复合晶体棒内最大温升为132.7℃,其中YAG晶体长为1.5 mm,Nd:YAG晶体长5 mm,钕离子掺杂质量分数为1.0%。研究结果为减小激光晶体热效应、合理设计激光器热稳腔提供了依据。

端面抽运Nd:YAP/YVO4被动调Q 1.2µm拉曼激光

报道了半导体激光端面抽运Nd:YAP晶体产生的1080 nm基频光驱动纯YVO4晶体的被动调Q拉曼激光特性。利用初始透过率85%的Cr4+:YAG/YAG复合晶体作为可饱和吸收体,以a切YVO4晶体的890 cm^-1拉曼频移为研究对象,研究了一阶斯托克斯光的输出功率和脉冲特性。在抽运功率为9.87 W时,获得了平均输出功率0.76 W的1195 nm一阶斯托克斯光,转化效率为7.7%。脉冲重复频率从阈值附近约3.7 kHz持续增加至33.5 kHz。最高抽运功率下,脉冲宽度为1.5 ns,对应最大单脉冲能量为22.8µJ,最高峰值功率为15.2 kW。

角抽运Yb:YAG激光器

报道了一种高功率准三能级激光器角抽运方法 ,抽运光从板条激光器结构中的板条工作介质的角注入 ,综合考虑抽运吸收、抽运亮度、晶体的掺杂浓度以及晶体尺寸等因素 ,进行了角抽运复合Yb :YAG激光器设计 ,实验上获得了最大连续输出功率 4 0 0W ,斜效率 2 8%的输出 ,实验结果充分证明了角抽运原理的正确性和应用于高功率激光器方面的可行性 .

连续LD端面泵浦YAG/Yb∶YAG复合晶体温度场分析

为了解决激光二极管端面泵浦圆盘晶体引起的热效应问题,根据连续LD端面泵浦圆盘形YAG/Yb∶YAG的工作特点,基于热传导理论建立了复合晶体有限元分析模型。通过设定LD泵浦参数,定量分析了泵浦功率、复合晶体厚度与截面大小对温度场的影响。研究结果表明,当复合晶体几何结构一定时,随泵浦功率增大,晶体温度升高。当泵浦功率为70 W,经光学耦合系统准直聚焦的泵浦光斑半径为400μm时,Yb∶YAG晶体厚度为3 mm,当键合的YAG晶体厚度从0 mm变为0.7 mm时,复合晶体内最高径向温升降低了39.7℃,最高轴向温升降低了238.3℃。在相同泵浦条件下,取YAG晶体厚度为0.5 mm,当复合晶体截面半径由8 mm增加至13 mm时,晶体内沿径向的最高温升降低了32.8℃,沿轴向最高温升降低了171.7℃。利用复合晶体能够降低激光晶体内部热效应,对实现全固态Yb∶YAG激光器高功率输出具有指导意义。

连续LD端面泵浦方片YAG/Yb:YAG复合晶体热效应分析

以激光二极管(LD)端面泵浦方形YAG/Yb∶YAG复合晶体为研究对象,采用有限元分析方法,并根据热传导理论以及连续LD端面泵浦方形YAG/Yb∶YAG的工作特点,系统分析了泵浦功率、YAG晶体厚度及截面尺寸对激光晶体温度、热应力及热形变的影响。计算过程中经光学耦合系统准直聚焦的泵浦光斑半径为400μm。研究结果表明:当Yb∶YAG晶体尺寸为4 mm×4 mm×1 mm,YAG晶体厚度为0.1 mm时,随着泵浦功率由60 W增加为80 W,YAG/Yb∶YAG方片晶体内最高温升明显增大,由37.19℃变为82.92℃;当YAG晶体厚度由0 mm增加为0.5 mm时,薄片晶体内最大热应力由26.93 MPa变为10.438 MPa,最高温升也随之降低了18.18℃,但由热应力产生的热形变基本保持不变。利用方片YAG/Yb∶YAG复合晶体能够有效降低激光晶体内最大热应力及最高温升,对全固态Yb∶YAG激光器的设计及高功率输出具有指导意义。

激光二极管列阵抽运Nd:YAG/LBO大功率蓝光激光器

报道了激光二极管列阵 (L DA)端面抽运全固体腔内倍频大功率蓝光激光技术的研究。采用复合 Nd:YAG晶体作为增益介质 ,并利用半导体致冷器 (TEC)对激光晶体的温度进行精密控制。倍频晶体采用 类临界相位匹配方式切割的 L BO晶体。谐振腔为 V型结构。根据大功率抽运条件下激光晶体热透镜效应严重 ,且热透镜的焦距会随着抽运功率的增大逐渐变短的特点 ,计算出最大抽运功率条件下激光晶体的热透镜焦距 ,依据此数据来优化谐振腔结构 ,使激光器实现最佳模式匹配和倍频效率 ,得到高效蓝光激光输出。在可吸收抽运功率为 1 8.5 W时 ,4 73nm蓝光激光输出功率为 1 .38W,抽运光 -倍频光的光 -光转换效率为 7.5 %。

Cr^(4+):YAG作饱和吸收体的被动Q开关复合单晶光纤激光器

采用激光加热基座法(LHPG)将Cr4+:YAG单晶光纤和Nd3+:YAG单晶光纤生长为一体化复合单晶光纤。进一步实验研究该单晶光纤的一些性质,表明它满足全固化被动调Q激光器的要求。已实现了脉宽10ns、最大平均输出功率达30mW、重复频率为16kHz的调Q激光。

Yb∶Y_3Al_5O_(12)/Y_3Al_5O_(12)复合晶体的制作和光谱性能

采用热键合技术,制作中运用不同的工艺参量制作出12片Yb∶Y3Al5O12/Y3Al5O12(Yb∶YAG/YAG)复合晶体。利用偏光显微镜对其键合界面进行了观察,研究了样品的透射光谱,从而确定出复合晶体合适的制作工艺。通过透射光谱的形状和透射率来表征复合晶体键合界面的质量。研究表明Yb∶YAG/YAG复合晶体键合质量较好,可实现一体化。