1 西安建筑科技大学理学院，陕西 西安 710055
2 西安建筑科技大学应用物理研究所，陕西 西安 710055
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400 μm。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。
激光器 激光二极管 YAG/Yb∶YAG 热效应 复合晶体 激光与光电子学进展
2023, 60(1): 0114001
1 西安建筑科技大学理学院，陕西 西安 710055
2 西安建筑科技大学应用物理研究所，陕西 西安 710055
为了解决LD端面泵浦晶体引起的热效应问题，根据脉冲LD端面泵浦复合晶体工作特点，利用热传导理论建立了脉冲激光二极管泵浦YAG/Nd∶YAG 复合晶体的有限元热模型。定量分析了泵浦功率、未掺杂晶体厚度、脉冲宽度对复合晶体温度场及热形变量的影响。结果表明，当掺杂晶体厚度为8 mm，未掺杂晶体厚度为3 mm，脉冲宽度为3 ms，经光学耦合系统准直聚焦的泵浦光斑半径为300 μm，重复频率为100 Hz时，使用泵浦功率为80 W的脉冲LD端面泵浦复合晶体YAG/Nd∶YAG，泵浦端面中心的最高温度及最大热形变量分别66.84 ℃和0.12 μm。可见，复合晶体能有效缓解晶体的温升和晶体端面的热形变。该研究为实现Nd∶YAG激光器高功率输出目标提供了理论指导。
激光光学 复合晶体 热效应 温度场 激光二极管 激光与光电子学进展
2022, 59(21): 2114001
1 西安建筑科技大学理学院，陕西 西安 710055
2 西安建筑科技大学应用物理研究所，陕西 西安 710055
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400 μm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。
激光器 激光二极管 YAG/Yb∶YAG 复合晶体 温度场 激光与光电子学进展
2022, 59(13): 1314002
1 西安建筑科技大学 理学院，陕西 西安 710055
2 西安建筑科技大学 应用物理研究所，陕西 西安 710055
为减弱脉冲激光二极管巴条侧面泵浦Nd:YAG陶瓷激光器热效应影响，提高谐振腔稳定性以及改善激光器性能，文中利用热传导理论对脉冲激光二极管巴条侧泵激光陶瓷产生的温升及热形变场进行了解析研究。依据脉冲激光二极管巴条侧面泵浦激光陶瓷工作状态分析，建立契合实际的热分析模型，通过热传导Poisson方程求解，得到单脉冲侧泵激光陶瓷泵浦时段与泵浦间期两个阶段温度场与热形变场的一般解析表达式。定量地分析了脉冲二极管巴条侧面泵浦Nd:YAG陶瓷三维温场分布、重复脉冲泵浦过程中温度场分布，以及不同泵浦参数对温场的影响，定量分析了达到热动态平衡时泵浦面的热形变量。计算结果表明：当泵浦光功率为60 W，重复频率为100 Hz，束腰半径为150 μm，钕离子掺杂质量分数为1.0 %时，Nd:YAG陶瓷泵浦面产生29.6 ℃的温升，泵浦面与通光面产生0.95 μm和0.99 μm的热形变量。激光陶瓷温度场解析方法解决了使用数值分析法造成研究精确度不高的问题，该方法还可以应用到激光系统的其他热问题研究中，为减弱激光系统中的热问题提供了理论依据。
全固态激光器 侧面泵浦 Nd:YAG陶瓷 瞬态热效应 解析分析 all-solid-state-laser side-pumped Nd:YAG ceramics transient thermal effect analytical analysis 红外与激光工程
2021, 50(11): 20200495
1 西安建筑科技大学 理学院, 西安 710055
2 西安建筑科技大学 应用物理研究所, 西安 710055
对方形激光晶体的实际工作特点进行分析, 根据热容激光器的管理模式, 建立泵浦阶段和冷却阶段的晶体热模型, 引入变热传导系数对方程进行求解, 分别得到LD单端泵浦和冷却时热容激光器温度场的表达式。分析了不同的光斑半径、泵浦时间对晶体温度场的影响。计算结果表明: 当泵浦功率为60W、光斑半径为800μm、超高斯阶次为3的脉冲激光二极管对晶体进行泵浦时, 在将Nd∶YAG晶体的热导率视为常量和变量的情况下, 晶体在泵浦端面获得的最大温升分别为149.93℃、180.18℃。激光晶体的尺寸为(20×20×10)mm3, 掺钕离子为1.0%。
热容激光器 变热导率 温度场 激光器 heat capacity laser variable thermal-conductivity temperature field laser
西安建筑科技大学理学院, 陕西 西安 710055
对微片激光晶体的实际工作特点进行分析, 根据热容激光器的管理模式, 建立抽运和冷却阶段的晶体热模型。然后引入变热传导系数对方程进行求解, 分别得到激光二极管(LD)单端抽运和冷却时热容激光器温度场的表达式。并对光斑半径和抽运时间这两个影响晶体温度场的因素进行了分析, 计算结果表明：当Nd∶YAG晶体热导率分别为常量和变量时, 其抽运端面的最大温升分别为459.24 ℃、535.78 ℃。其中晶体钕离子的质量比为1.0%, 微片尺寸为Φ20 mm×1 mm, 抽运功率为60 W, Nd∶YAG晶体对入射抽运光的吸收系数是910 m-1, 超高斯光束阶次为3, 抽运光的光斑半径为800 mm。计算分析结果对LD端面抽运固体热容激光器谐振腔的设计具有借鉴意义。
激光器 微片激光器 端面抽运 温度场 激光与光电子学进展
2017, 54(12): 121404
1 西安建筑科技大学 理学院, 陕西 西安 710055
2 西安建筑科技大学 应用物理研究所, 陕西 西安710055
针对激光二极管端面泵浦圆片Yb∶YAG晶体产生的热效应问题, 以实际工作特点为基础, 通过热传导理论分析了热效应。分析了不同泵浦功率、超高斯阶次、光斑半径、晶体尺寸因素对变热导率圆片Yb∶YAG晶体温度场的影响。研究结果表明, 使用泵浦功率为60W、超高斯阶次为5、光斑半径为400μm的泵浦光对含质量分数为8%、晶体半径为4mm、厚度为0.5mm的圆片Yb∶YAG晶体进行泵浦, 在将晶体的热导率分别视为常量和变量时, 泵浦端面获得的最大温升分别为52.15℃和59.51℃。根据计算结果, 设计了适合的激光器热稳腔, 能充分抑制激光器产生的热效应问题。
圆片Yb∶YAG晶体 变热导率 温度场 激光器 circular Yb∶YAG crystal variable thermal-conductivity temperature field laser
1 西安建筑科技大学 理学院, 陕西 西安 710055
2 西安建筑科技大学 应用物理研究所, 陕西 西安 710055
针对激光二极管端面泵浦方形Yb∶YAG微片晶体产生的热效应问题, 运用半解析方法计算该晶体的温场分布。根据连续LD端面泵浦方形Yb∶YAG微片晶体的工作特性, 建立符合实际工作情况的热模型, 构造初始条件和边界条件。同时考虑到晶体的热导率是温度的函数, 并结合牛顿法求解热传导方程, 得到晶体温度场的一般解析表达式。定量分析了不同的泵浦功率、超高斯阶次、光斑半径、晶体厚度因素对变热导率方形Yb∶YAG微片晶体温度场的影响。结果表明: 使用泵浦功率为80 W、超高斯阶次为1、光斑半径为400 μm的泵浦光对含方形Yb∶YAG微片晶体质量分数为8.0%、晶体的尺寸为4×3×1 mm3进行泵浦, 将晶体的热导率视为常量和变量时, 泵浦端面获得的最大温升分别为41.25 ℃和52.14 ℃。研究结果对减小全固态Yb∶YAG晶体的热效应问题具有指导意义。
Yb∶YAG微片晶体 变热导率 温度场 激光器 Yb∶YAG micro-crystal variable thermal-conductivity temperature field laser
1 西安建筑科技大学理学院, 陕西 西安 710055
2 西安建筑科技大学应用物理研究所, 陕西 西安 710055
对脉冲激光二极管(LD)端面抽运变热导率方片Yb:YAG晶体的温度场进行了分析和研究，建立了端面绝热、周边恒温的热传导模型，采用半解析理论，结合牛顿法得到了晶体的温度场分布，分析了不同的抽运功率、超高斯阶次、光斑半径和晶体尺寸因素对晶体温度场的影响。计算结果表明,当采用抽运功率为80 W、超高斯半径为400 μm、超高斯阶次为3的脉冲激光二极管对晶体进行抽运时，在将Yb:YAG晶体的热导率分别视为常量和非常量的情况下，该晶体在抽运端面处获得的最大温升分别为31.69，35.66 ℃。研究结果为激光器的设计提供了一定的理论指导。
激光技术 方片Yb:YAG晶体 变热导率 温度场 激光器 激光与光电子学进展
2016, 53(8): 081401
