1 中国科学院上海硅酸盐研究所, 上海 200050
2 中国科学院空天信息创新研究院, 北京 100094
高功率固体激光技术的发展史就是一部与“废热”的斗争史, 为抑制热效应对光束质量的不利影响, 先后出现了热容激光器、薄片激光器、板条激光器以及光纤激光器, 新的增益介质形态结合先进的散热技术将激光输出功率提升至百千瓦量级。固体激光增益介质的热学性能是限制激光功率进一步取得突破的重要瓶颈。因此, 寻找具备超高热导率的激光晶体材料意义重大。本文介绍了上述四种激光器的基本原理及其在高功率激光方面取得的研究进展, 从提高增益介质材料热导率的角度出发, 对目前已有的方法和研究成果进行了分析与总结, 对超热导激光晶体研究和高功率激光技术的发展进行了展望。
高功率激光 热效应 激光晶体 超高热导率 热容激光器 薄片激光器 板条激光器 光纤激光器 high-power laser thermal effect laser crystal ultra-high thermal conductivity heat capacity laser thin disk laser slab laser fiber laser 人工晶体学报
2022, 51(9-10): 1560
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
张玲玲 1,2,3,*陈媛 1,2,3李国旗 1,2,3王健超 1,2,3[ ... ]张伟 1,2,3
1 上海市激光技术研究所, 上海 200233
2 上海激光直接物标溯源工程技术研究中心, 上海 200233
3 上海市激光束精细加工重点实验室, 上海 200233
为了改善高能固体激光器由于激光增益介质的热畸变限制了激光器在大能量输出时保持高光束质量的能力, 提出一种基于离轴混合腔的高能双板条热容激光器, 并进行了实验研究。实验结果表明该激光器的双板条结构, 具有对温度分布不均匀造成的激光波面畸变实现部分自校正的能力。再配合离轴混合腔的使用, 可大大提高激光器的光束质量。实验中采用了两块尺寸为100 mm×20 mm×500 mm的大尺寸钕玻璃板条, 激光器的阈值泵浦电压大约是2 400 V左右, 斜效率为3.4%。当泵浦电压为3 400 V时, 激光器的输出脉冲能量达到158.07 J。泵浦电压为2 800 V时, 分别对近场和远场的光斑进行测量, 可计算得到非稳腔和稳腔方向的发散角分别为1.245 9 mrad和1.545 9 mrad。
热容激光器 双板条 离轴混合腔 热畸变自校正 heat capacity laser dual-slabs off-axis hybrid resonator self-corrected of thermal distortion
1 上海市激光技术研究所，上海 200233
2 上海激光直接物标溯源工程技术研究中心，上海 200233
3 上海市激光束精细加工重点实验室，上海 200233
提出了一种对温度分布不均造成的激光波面实现部分自校正的双板条结构的热容激光器。为了进行波面热畸变可自校正的热容运行方式的原理性演示验证及建立可靠的技术基础，本文建立了闪光灯泵浦的以两块尺寸为100 mm×20 mm×500 mm的大尺寸钕玻璃板条为工作介质的激光装置,在实验过程中采用三种耦合输出率分别为20％、53％和67％的平行平板腔，对工作在热容状态下的激光输出进行了测试。20％的耦合输出率过低，会造成腔内功率密度过高导致增益饱和。采用53％的耦合输出腔片在充电电压为3 300 V时，得到213.6 J的输出能量，并且未见饱和。采用耦合输出率为67％的输出腔片，在充电电压为2 200 V时达到激光阈值，阈值输出能量为82.3 J；在充电电压为3 300 V时得到单脉冲输出能量为370.1 J，斜率效率0.013，总体效率为0.94%。
热容激光器 板条 热畸变自校正 heat capacity laser slab self-corrected of thermal distortion
1 军械工程学院 光学与电子工程系，石家庄 050003
2 北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094
综述了目前获得高功率激光输出的板条、薄片激光器以及运行于热容模式固体激光器抽运耦合方式的进展，分析了这几种固体激光器的抽运耦合技术路径，比较了各类抽运耦合方式在克服热效应方面的优缺点，展望了固体激光器抽运耦合技术的发展趋势。
激光器 高功率固体激光器 抽运耦合 板条激光器 薄片激光器 热容激光器 lasers high power solid-state laser pumping and coupling slab laser disk laser heat capacity laser
1 四川大学 光电子研究中心, 成都 610065
2 中国工程物理研究院 应用电子学研究所, 四川 绵阳 621900
根据固态热容激光器的动态工作特性, 考虑热力学参数与温度的关系, 采用3维有限差分方法模拟分析了薄片热容激光器的3维温度和热应力分布随时间的变化关系。计算了热容激光器的热畸变和退偏损耗随时间的动态变化规律, 并与采用连续水冷却方式工作的圆棒激光器的热畸变特性做了比较。模拟结果显示, 形变是引起波前相位畸变的主要因素, 退偏损耗随泵浦时间增加和泵浦功率增大而非线性增大。
热容激光器 3维瞬态热畸变 退偏损耗 有限差分法 Heat capacity laser three dimensional dynamic thermal distortion depolarization loss finite difference method
为了研究长方体型Nd∶GGG热容激光晶体的热效应，通过对激光晶体工作特点的分析，采用半解析各向异性热分析方法，建立了符合实际工作状态热模型，对长方体型Nd∶GGG热容激光晶体进行了热分析，得到了激光晶体抽运阶段和冷却阶段晶体内部温度场计算公式，定量分析了晶体宽度和厚度对温度场的影响。结果表明，当使用输出功率为8100W、脉冲频率500Hz、脉冲宽度0.2ms的LD抽运晶体4s时，抽运面中心最高温升为169.1℃;停止抽运120s时，晶体最高温升下降到0.97%。所得结果为热容激光器的优化设计提供了理论依据。
激光物理 热容激光器 端面抽运 长方体Nd∶GGG晶体 最高温升 冷却时间 laser physics heat capacity laser end pump rectangular Nd∶GGG crystal maximum temperature rise cooling time
北京应用物理与计算数学研究所, 北京 100088
构建了内腔主动光学(ICAO)系统的工作流程模型, 并通过数值模拟验证了在高功率固体激光器中使用ICAO进行波前校正的可行性。利用一个具有严重热致像差的千瓦级热容激光器, 说明ICAO系统对该激光器的输出性能有本质性提升, 由此验证了ICAO布局和控制算法的可行性。物理上ICAO系统与腔内其他物理现象存在复杂的耦合, 数值模拟表明这种耦合使得系统对大的误差比较敏感, 因此要求在所需求补偿的像差阶数、波前传感器子孔径数目和变形镜单元数之间有恰当的匹配关系。
激光器 热容激光器 自适应光学 光束质量控制
国防科技大学光电科学与工程学院, 湖南 长沙 410073
固体热容激光器发射期间将废热储存在激光介质中, 从而使激光介质的温度随着激光的不断发射而不断升高。温度的升高导致激光介质的受激发射截面发生改变。有效受激发射截面的改变导致激光增益的变化。根据各种掺钕磷酸盐玻璃和掺杂原子数分数为1%的Nd∶YAG的发射截面随温度变化的规律, 计算出使用相应工作介质的固体热容激光器随温度上升后抽运阈值和输出功率的改变。计算结果表明, 掺钕磷酸盐玻璃和Nd∶YAG介质工作在热容模式下, 随着温升导致的有效受激发射截面不断减小, 激光器输出功率明显下降。
激光器 热容激光器 受激发射截面 数值计算
设计了高功率固体热容激光器实验装置.采用二极管阵列泵浦Nd:GGG晶体腔内串联的方式,对激光器的输出特性进行了实验研究,得到输出平均功率8.7 kW,光先效率20%.获得了增益介质内的荧光分布,利用干涉测量法测量干涉条纹表征增益介质受热后折射率变化造成的畸变.
固体热容激光器 二极管泵浦 干涉条纹 荧光分布 Nd GGG
