LD端面泵浦激光晶体热效应分析

李健1 孙尧1 李涛1 张帅一1 于果蕾1

1. 山东师范大学物理与电子科学学院，山东济南 250014

摘要：通过求解泊松热传导方程，得出了矩形截面Nd:YVO4 ,Nd:GdVO4和Nd:GdYVO4激光晶体中心泵浦和偏心泵浦情况下，晶体泵浦端面的温度分布。研究表明，偏心泵浦时，晶体泵浦端面最高温升较中心泵浦分别下下降了11.4%,13.5%,7.7%。并且计算了Nd:YVO4,Nd:GdVO4和Nd:GdYVO4激光晶体端面在达到热平衡时的热形变量，三种晶体的最大热形变量分别为2.6045m，0.536m，0.8549m。

关键词：Possion方程，激光晶体，偏心泵浦，热形变

一、引言

激光二级管（LD）泵浦的全固态激光器具有体积小、效率高、稳定性好和寿命长等优点，再国防、光电子产业、光通讯和医疗卫生等领域有着重要的应用。激光晶体是全固态激光器中最重要的核心部分，在很大程度上它决定了激光器的输出特性，为了获得高效激光输出，在一定运转方式下选择合适的激光晶体是非常重要的。在全固态激光器中，Nd:YVO4和Nd:GdVO4以其优良的物理、化学及激光特性，被广泛的应用在各类激光产品中[1][2]。最近在Nd:YVO4和Nd:GdVO4的基础上，一种新的钒酸盐晶体Nd:GdxY1xVO4逐渐引起了人们的注意。Nd:GdxY1-xVO4是由Y(Gd)部分地代替Nd:GdVO4(Nd:YVO4)中的Gd(Y)形成的新的钒酸盐晶体。三种晶体具有相同的晶体结构，它们的吸收波长中心都在808nm附近。Nd:YVO4晶体具有较高的吸收系数和受激发射截面，Nd:GdVO4晶体则具有较高的热传导率[3]。 Nd:GdYVO4具有和Nd:YVO4，Nd:GdVO4相同的晶体结构，但由于融合了两种晶体的特点，具有自身的优势[4]。

在大功率抽运的过程中，非辐射跃迁产生的热加上当激光介质吸收泵浦光能量产生激光辐射的同时，有相当一部分泵浦光能量会转变成热能消耗于激光晶体内部[5][6]。晶体的外部采用半导体制冷或循环水冷却的方式使热量得以扩散，其结果是在激光晶体内形成非均匀的温度梯度分布，这种分布对振荡的激光作用的效果可等效为一凸透镜[7]。激光晶体的热透镜效应直接影响激光器的性能。

本文通过对LD端面泵浦，周边恒温冷却的矩形截面Nd:YVO4 ，Nd:GdVO4和Nd:GdYVO4晶体进行了分析，利用matlab求解泊松热传导方程，得出了Nd:YVO4，Nd:GdVO4和Nd:GdYVO4激光晶体内部中心泵浦以及偏心泵浦温度场分布，并且计算了3种晶体在达到热平衡时的热形变量。

二、矩形截面激光晶体温度分布的数学模型和计算方法

1． LD端面泵浦，周边恒温的矩形截面激光晶体热模型

Nd:YVO4（ Nd:GdVO4，Nd:GdYVO4）晶体吸收部分泵浦光能量产生热量，通过紫铜块中循环水向周围散失。当泵浦光通过激光晶体中心时，热模型如图1所示[8]

图1、激光晶体热模型简图

Fig1.schematic diagram of laser crystal thermal model

（1）激光晶体的边界条件

由于把晶体放置在紫铜块中用循环水进行冷却，所以假定晶体侧面温度保持相对稳定，设为cuow16，为了数学处理上方便，可以先预设为0，最后再叠加上冷却水的温度。晶体两个通光端面与空气接触，热交换的热量远远小于通过晶体侧面热交换流出的热量，因此可以假设晶体两个端面绝热，边界条件为

0),,(;0),,0(zyauzyu （1）

0),,(;0).,(zbxuzoxu （2）

0),,(;0),,(0lzzzzyxuzzyxu （3）

a,b为晶体矩形截面的长和宽，l为晶体长度。

（2）晶体内部热传导方程紫铜块

泵浦光光斑

晶体x y 热传导方程的一般形式为[9][10][11]

vzyxqzuKyuKxuKtuc222222 (1)

其中，u为激光晶体的温度；zyxKKK,,为晶体的热导系数；vq为泵浦产生的内热源的发热率；为晶体的密度；c为晶体的比热。假设激光晶体的物理性质不随u而发生变化，在晶体侧面传导冷却的情况下，端面是空气对流冷却，其边界热交换系数远远小于传导冷却的边界热交换系数，因此端面散发的热量远远小于侧面热传导散发的热量，故可以忽略晶体纵向散热，那么方程就可以写成二维热传导方程。

vyxqyuKxuKtuc2222 （2）

在圆对称高斯光束泵浦时，内热源的发热率为：

azwyxlpveqeeewQqp0)(212222)1(2 （3）

其中，Q为激光晶体中的总热耗；为晶体的热吸收系数；pw为泵浦光斑的大小；l为晶体的长度;r为晶体的径向坐标；0q为在z＝0时的泵浦光入射的热流密度。

稳态时，热传导方程可写成

0),,(),,(02222zyxeqyzyxuKxzyxuK (4)

假设

)(),(),,(zuyxuzyxu (5)

可得到

zezu)( (6)

故热传导方程表示为求解方程

0),(),(02222qyyxuKxyxuKyx （7）

2．Nd:YVO4，Nd:GdVO4和Nd:GdYVO4晶体内部温度场分布表1、Nd:YVO4 ,Nd:GdVO4和Nd:GdYVO4晶体激光特性参数[12]

book1. laser parameters of Nd:YVO4 ,Nd:GdVO4 and Nd:GdYVO4

激光晶体 Nd:YVO4 Nd:GdVO4 Nd:Gd0.5Y0.5VO4

吸收系数 114.8cm 32.71cm 19.941cm

晶体尺寸 3×3×10mm3 3×3×10mm3 3×3×10mm3

掺杂浓度 0.5％ 0.5% 0.5％

热导系数（11KWcm） 0.05 0.117 0.125

热膨胀系数（K/106） 11.37 7.3 9.33

在泵浦功率为12W，泵浦光斑半径mwp320时，通过求解Possion方程，得出Nd:YVO4 ,Nd:GdVO4和Nd:GdYVO4晶体内部温度场分布，如图2,3,4所示。3种晶体的最高温升分别为312co，285co，140co，由此看见，Nd:GdYVO4的热性能明显优于Nd:YVO4 和Nd:GdVO4。

图2 Nd:YVO4晶体泵浦端面温度分布图图3. Nd:GdYVO4晶体泵浦端面温度分布

Fig2. temperature field distribution diagram of Nd:YVO4 Fig3 temperature field distribution diagram Nd:GdYVO4

图4. Nd:GdVO4晶体泵浦端面温度分布

Fig4 temperature field distribution diagram Nd:GdVO4

0.00.51.01.52.02.53.03.54.0050100150200250300GdYVO4GdVO4YVO4U/0CL/mm 图5泵浦光中线（x＝0,y=0）上温度分布

Fig5.temperature distribution diagram of crystal centre

从图5中可以得出： Nd:YVO4 ，Nd:GdVO4和Nd:GdYVO4晶体前部中心温升比后部高很多。由于Nd:GdYVO4晶体具有相对其他两种晶体而言最小的晶体中心最高温升以及最大的热导系数，所以温度沿z轴变化最小。Nd:YVO4 和Nd:GdVO4晶体内部的最高温升差不多，但由于Nd:GdVO4热传导系数比较大，所以沿z轴温度衰减的快。

3.偏心泵浦对Nd:GdYVO4和Nd:YVO4晶体内部温度场分布的影响

在泵浦条件不变的情况下，调节耦合镜的位置，偏心泵浦Nd:YVO4,Nd:GdVO4和Nd:GdYVO4（x＝0.5mm；y＝0.5mm）。Nd:YVO4,Nd:GdVO4和Nd:GdYVO4晶体端面温度分布如图6所示。中心温度分别为280c0,251c0和130c0。

图6.偏心泵浦激光晶体端面温度分布

从图6中可以看出，晶体内部温度由于泵浦光的偏心泵浦而下降，Nd:YVO4 ，Nd:GdVO4和Nd:GdYVO4晶体中心温度分别下降32c0，34c0，10c0。当偏心泵浦晶体时，晶体内热源距离冷却周边比较近，所以晶体中心温升较低。偏心泵浦时，晶体泵浦端面最高温升较中心泵浦分别下下降了11.4%,13.5%,7.7%。

4．Nd:YVO4 ，Nd:GdVO4和Nd:GdYVO4晶体端面热形变

当激光晶体内部形成稳定温度场之后，由于晶体受热膨胀会使晶体泵浦端面发生热形变，这种热形变是使激光晶体产生热透镜效应的主要原因之一。设激光晶体内部一点温度为0，当达到热平衡之后，温度变为),,(zyxu。

);.,(zyxuT

;),,(dzzyxudl

lldzzyxudll00),,(；

其中为激光晶体热膨胀系数。

图7给出了当在泵浦功率为12W，泵浦光斑半径mwp320时，三种激光晶体沿泵浦光中心方向（x=a/2;y=b/2）上泵浦端面具有的热形变分布对比图。从图中可以看出，在相同的泵浦条件下，Nd:YVO4晶体有着最大的热形变量，Nd:GdYVO4的热形变量介于Nd:YVO4,Nd:GdVO4之间。三种晶体最大的热形变量分别为2.6045m，0.536m，0.8549m。热形变改变了晶体通过方向上的有效长度，并使晶体产生伴随热效应的高阶球差，在激光器谐振腔设计、调试时应予以考虑。 -1.5-1.0-0.50.00.51.01.50.00.51.01.52.02.53.0l/umx/mm YVO4 GdVO4 GdYVO4

图7.晶体泵浦端面热形变对比图

Fig7 Thermal distortion contrast of the pumped faces

三、结论

本文通过对LD端面泵浦激光晶体工作特点的研究，提出了矩形截面激光晶体热模型，利用激光晶体周边恒温两端绝热的边界条件求解泊松热传导方程，得出了泵浦功率为12W，泵浦光斑半径mwp320时，Nd:YVO4,Nd:GdVO4以及Nd:GdYVO4激光晶体在中心泵浦和偏心泵浦两种情况下的内部温度场分布。并且计算了在达到热平衡时，三种晶体泵浦端面的热形变，对于改善激光晶体热效应影响，提高激光器的稳定性具有指导作用。

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大口径LD泵浦的激光放大器热沉积特性

第ｌ８卷第１２期　２００６年ｌ２月　强　激　光　与　粒　子　束　

ＨＩＧＨ　ＰＯＷＥＲ　ＬＡＳＥＲ　ＡＮＤ　ＰＡＲＴＩＣＬＥ　ＢＥＡＭＳ　Ｖｏ１．１８。ＮＯ．１２　Ｄｅｃ．，２００６　

文章编号：１００１—４３２２（２００６）１２—１９７９—０４　

大口径ＬＤ泵浦的激光放大器热沉积特性　

王明哲　，　李明中　，　谭吉春　，　丁　磊　，　邓青华　，　罗亦鸣　

（１．国防科学技术大学光电科学与工程学院，长沙４１００７３，２．中国工程物理研究院激光聚变研究中心，四川绵阳６２１９００）　

摘　要：　通过分析ＬＤ阵列端面泵浦片状放大器的工作特点，建立了对增益介质Ｎｄ；ＹＬＦ进行热特性研　

究的有限元模型。针对泵浦能量空间均匀分布、高斯分布、超高斯分布三种情况，计算出了ＬＤ泵浦功率５６　

ｋＷ，脉冲宽度５２０　ｓ，重复频率１０　Ｈｚ状态下晶体瞬时３维温度和热应力分布。研究结果表明：由于脉冲工作　

方式，晶体各节点温度随时问呈锯齿形变化，经过一段时间后吸热和冷却效果达到平衡，介质温度呈周期性变　

化；在相同泵浦峰值功率条件下，超高斯泵浦能量分布引起的温升和热应力最小，其最大值分别为１０３．３℃和　

４７．６　ＭＰａ；有效泵浦功率密度达到１０　ｋＷ／ｃｍ０量级时。介质极可能发生热致断裂　

关键词：　二极管泵浦激光；热效应；放大器；　端面泵浦；　有限元分析　

中图分类号：ＴＮ２４８　文献标识码：　Ａ　

二极管泵浦激光具有高功率、大能量、高重复频率的特点［１３。贾伟［２］等人设计的耦合系统，可将总功率达　

数十ｋＷ的ＬＤ阵列发出的泵浦光汇聚，使泵浦功率密度从１　ｋＷ／ｃｍ　提高到１０　ｋＷ／ｃｍ。，从而实现了对激光　

介质的高效泵浦。但晶体对泵浦光的吸收及晶体端面的冷却引起的热效应，是影响激光器工作的主要因素。　

目前国际上对热效应开展了一系列研究口　］，但多为对晶体２维、稳态的温度和热应力讨论。本文对　４　ｃｍ大　

口径Ｎｄ：ＹＬＦ激光放大器热沉积特性进行了探讨，泵浦功率密度为１４　ｋＷ／ｃｍ　，求解了工作晶体Ｎｄ：ＹＬＦ的　

半导体激光泵浦复合晶体固体激光器的热效应

杨丽颖;李嘉强;张金玉;徐晓明;曹剑

【摘要】为了验证复合晶体使用到半导体泵浦的固体激光器中与非复合晶体的区别,提高半导体泵浦的固体激光器的工作效率,开展了半导体激光泵浦YAP/Tm∶YAP复合晶体固体激光器的热效应的验证实验.采用有限元分析法,模拟了晶体温度及热应力的分布,并分析了热透镜长度的变化情况.结果发现,与非复合晶体相比,复合晶体的温度和热应力均有不同程度的下降,复合晶体工作时的最高温度降至其80%,热应力降至其70%.同时也验证了热透镜焦距不随非掺杂晶体长度的增大而改变,这也意味着复合晶体不能有效提高复合激光的光束质量,但是可以确保输出激光光束质量的稳定性.因此可以证实,使用复合晶体能够有效改善激光器的温度和力学特性,但不能优化固体激光器的光束质量.%In order to distinguish the

characteristics of composite and traditional non-composite crystal used in

the diode pumped solid state lasers (DPSSL)and improve the efficiency of

DPSSL, the thermal effect of based on YAP/Tm∶YAP composite crystal was

studied.The finite element method (FEM) was employed.The temperature

and heat stress were simulated, and the relationship between the thermal

lens and un-doped crystal length was analyzed.Experimental results

激光二极管端面泵浦激光棒热效应的解析研究

第４０卷第１０期　２００６年１０月　西安　交通大学　学报　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＸＩ　ＡＮ　Ｊ　ＩＡＯＴＯＮＧ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　Ｖｏ１．４０№１０　

Ｏｃｔ．２００６　

激光二极管端面泵浦激光棒热效应的解析研究　

李隆　。，史彭。，陈文。，甘安生。，侯洵　

（１．西安交通大学电子与信息工程学院，７１００４９，西安；２．西安建筑科技大学理学院，７１００５５，西安）　

摘要：为了解决激光二极管端面泵浦激光棒引起的热效应问题，基于热传导理论，建构了热传导方　

程新的本征函数解，得出了激光棒内温度场与热形变场的一般解析表达式．该表达式不仅解决了由　

于棒内热流线径向假设造成的温场计算误差问题，而且解决了使用数值分析方法带来的计算精度　

不高的问题．研究结果表明，当激光二极管的泵浦功率为２０　Ｗ、泵浦光斑高斯半径为２００　ｍ时，掺　钕离子质量分数为０．５　的钒酸钇激光棒泵浦端面具有４５１．２℃的最高温升和３．４２　ｍ的最大热　

形变量．对激光棒内等温线分布状态分析可以得出，其热流线为非径向分布．与棒内热流线径向假　

设计算结果对比，激光棒的最高温升值减小了３０　．所得结果可以用于激光谐振腔的设计，为减小　

激光系统的热效应问题提供了理论依据．　关键词：激光二极管；端面泵浦；激光棒；温度场；热形变场　

中图分类号：ＴＮ２４８．１　文献标识码：Ａ文章编号：０２５３—９８７Ｘ（２００６）１０—１０９８—０５　

Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ａｎａｌｙｔｓｉｓ　ｏｆ　Ｌａｓｅｒ　Ｒｏｄ　ｂｙ　

Ｄｉｏｄｅ　Ｌａｓｅｒ　Ｅｎｄ－Ｐｕｍｐｅｄ　

Ｌｉ　Ｉ￣ｏｎｇ　，Ｓｈｉ　Ｐｅｎｇ。，Ｃｈｅｎ　Ｗｅｎ。，Ｇａｎ　Ａｎｓｈｅｎｇ。，Ｈｏｕ　Ｘｕｎ　

（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ　ａｎ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ　ａｎ　７１００４９，Ｃｈｉｎａ　２．Ｆａｃｕｌｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｘｉ　ａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ　ａｎ　７１００５５，Ｃｈｉｎａ）　

LD端面泵浦Nd∶YVO_4激光放大器的理论及实验

第４１卷　第８期　２０１１年８月　激光与红外　

ＬＡＳＥＲ　＆　ＩＮＦＲＡＲＥＤ　Ｖｏ１．４１，Ｎｏ．８　Ａｕｇｕｓｔ，２０１　１　

文章编号：１００１－５０７８（２０１１）０８－０８６１－０６　・激光器技术・　

ＬＤ端面泵浦Ｎｄ：ＹＶＯ４激光放大器的理论及实验　

黄　科　，樊仲维　，余　锦　，石朝辉　，王小发　，黄玉涛　，　

（１．中国科学院光电研究院，北京１０００９４；２．中国科学院研究生院，北京１０００８１；３．北京国科世纪激光技术有限公司，北京１ｏｏ１９２）　

摘　要：设计了激光二极管（ＬＤ）连续端面泵浦的Ｎｄ：ＹＶＯ　主振荡放大器（ＭＯＰＡ），研究了重　

复频率１Ｏ～５０　ｋＨｚ调Ｑ脉冲注入时不同输入功率下放大器的输出情况。建立了基于速率方　

程理论的端面泵浦激光放大器运转模型，能够很好地描述千赫兹脉）中的放大行为。数值模拟　

和实验结果表明，随着频率的增加，脉冲放大逐渐逼近稳定态放大行为。结合实验条件，利用　

该模型得到了放大介质最佳长度随输入的种子光功率的变化关系，发现实验中放大介质最佳　

长度为８．５　ｍｍ。　

关键词：激光放大器；放大器模型；数值模拟；最佳长度　

中图分类号：ＴＮ２４８．１　文献标识码：Ａ　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－５０７８．２０１１．０８．００８　

Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ＬＤ　ｅｎｄ－ｐｕｍｐｅｄ　

Ｎｄ：ＹＶＯ４　ｌａｓｅｒ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　

ＨＵＡＮＧ　Ｋｅ　，　，　，ＦＡＮ　Ｚｈｏｎｇ．ｗｅｉ。，　，ＹＵ　Ｊｉｎ　，ＳＨＩ　Ｚｈａｏ．Ｈｕｉ　，ＷＡＮＧ　Ｘｉａｏ—ｆａ　＇　，　，ＨＵＡＮＧ　Ｙｕ．ｔａｏ　’　＇　

（１．Ｔｈｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｏｐｔｏ—ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００９４，Ｃｈｉｎａ；２．Ｇｒａｄｕａｔｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，　Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８１，Ｃｈｉｎａ；３．Ｂｅｉｊｉｎｇ　ＧＫ　Ｌａｓｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１００１９２，Ｃｈｉｎａ）　

具有热透镜效应的LD端面泵浦Z型谐振腔稳区的研究

《激光杂志）２００２年第２３卷第ｌ期ＬＡＳＥＲ　ＪＯＵＲＮＡＬ（Ｖｏ１．２３．Ｎｏ　１．２００２１　２１　

具有热透镜效应的ＬＤ端面泵浦Ｚ型谐振腔稳区的研究　

王瑞李港陈檬曾祥江　

（北京市激光技术妾ｌ验室，北京工业大学，北京１０００２２）　

提要：奉文刺用一种新方法研究了具有热透镜效应的ｕ）螭面象浦ｚ型谐振腔的稳区。　关键词：端面泵浦，热透镜效应．ＬＤ　

Ｓｔｕｄｙ　Ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｔａｂｌｅ　ａｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＬＤ　ｅｎｄ－ｐｕｍｐｅｄ　Ｚ—ｃａｖｉｔｙ　ｌａｓｅｒ　ｗｉｔＩ－ｔｈｅｒｍａｌ　ｌｅｎｓ　

ＷａｎｇＲ　ＬｉＧａｎｇ　ＣｈｅｎＭｅｎｇ　‰ｗｉａｎｇ　

（Ｂｅｉｊｌｎｇｌａｓｅｒ　０∞　１０ｇｙＬａｂ　ＢｄｊｉｎｇＩｔｍｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｂｅ￣ｊｉｎｇ　１０００２２）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：ｒ１％ｉｓ　ｒ　ｕｓｅｏｆ　ａ　ｎｅｗｍｅｔｈｏｄｔｏ　ｓｔｕｄｙｏＮｔｈｅ　ｓｔａｂｌｅ　ｏｆｔｈｅＬＤ　ｅｎｄ．ｐｕｍｐｅｄ　Ｚ－ｃ￣ｈｔｙｌａｓｅｒ，￣ｒｈｈｔｈ　ｋｎ３　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｅｎｄ－ｐｕｍｐｅｄ，ｔ￣ｅｒｍａ］ｌｅｍ．ＬＤ　

自进入９０年代以来，随着大功率半导体激光器　确取值范围，只要在利用软件计算时加以简单判断条件　

（ＬＤ）的发展，ＬＤ泵浦的全固化激光器已逐渐成为当今　给出数值即可。这种方法为指导实验提供了简单可靠　

激光领域的重要发展方向。它具有体积小，效率高等　的办法。我们还对小腔凹面镜曲率半径及泵浦功率对　

特点。当泵浦光用光纤进行耦台时，还可实现泵浦源　稳区的影响进行了系统的讨论。然而，即便对于其它类　

与激光器的有效分离，因而有着广泛的应用前景ｕ　Ｊ。　似的情况，这一方法依然适用　

但是这种泵浦结构所引起的非均匀温度场及相应的热　图Ｉ中Ｌ为聚焦透镜；Ｍ．为镀在Ｎ　：ＹＡＧ晶体　

聚焦作用会对激光器的运转带来严重影响，并成为其　端面的对波长为１＿０６４ｐｍ的光的全反膜；Ｍ２、№。为凹　

LD泵浦的高效率YVO_4KTP红光激光器

收稿日期

:2000-11-011

基金项目

:国家

863高科技计划资助项目(

863-307-22-51)

1第

22卷第

3期半　导　体　光　电

Vol.22No.3

2001年

6月

SemiconductorOptoelectronicsJune2001

文章编号

:1001-5868(

2001)

03-0198-03

LD泵浦的高效率YVO4/KTP红光激光器

郑　权1

,赵　岭2

,檀慧明1

,钱龙生1

(

11中国科学院长春光学精密机械与物理研究所

,吉林长春

130022;

21中国科学院上海光学精密机械研究所

,上海

201800)

摘　要

:　报道了用国产半导体激光二极管泵浦

Nd∶

YVO

4产生

1.342μ

m输出

,用Ⅱ类临界

位相匹配

KTP腔内倍频实现

671nm的红激光输出。当泵浦注入功率为

1.05W时

,倍频红激光

基模输出达

48mW,光光转换效率达到

4.7%,经扩束准直后测得光束发散角小于

0.5mrad,偏振

比高于

110∶

1,24h连续工作功率稳定性优于±

3%。

关键词

:　二极管泵浦

;Nd∶

YVO

4;KTP;红光激光器

中图分类号

TN248.34 文献标识码

:　A

EfficientLD2

pumpedYVO

4/KTPRedLaser

ZHENGQuan1

,ZHAOLing2

,TANHui2

ming1

,QIANLong2

sheng1

(1.ChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics,ChineseAcademyofSciences,Changchun130022,China;

2.ShanghaiInstituteofOpticsandFineMechanics,ChineseAcademyofSciences,Shanghai201800,China)

Abstract:　

AdesignofefficientLD2

pumpedNd∶

YVO

4/KTPredlaserispresentedinthispaper.

二极管泵浦固体热容激光器热效应研究

二极管泵浦固体热容激光器热效应探究

引言：

二极管泵浦固体热容激光器是一种基于固体材料的激光器，其主要特点是激光器晶体中的能级较高，具有较大的固体热容。热效应是固体激光器中的一个重要问题，热效应会降低激光器的性能和输出功率稳定性。因此，探究二极管泵浦固体热容激光器的热效应对激光器的优化设计和性能提升具有重要意义。

一、热效应的原理

二极管泵浦固体热容激光器中的热效应是由于激光器晶体在光学泵浦过程中吸纳的部分能量被转化为热能而导致的。晶体具有较大的热容，当光子能量被吸纳后，晶体温度会上升，从而导致晶体的热膨胀。热膨胀会引起激光器光腔的尺寸变化，从而导致激光器输出功率的变化。此外，激光腔的尺寸变化还会引起光腔模式的偏移，进一步影响激光器的性能。

二、热效应的影响

1. 输出功率的变化：

热效应会导致激光器的输出功率发生波动和变化。当晶体温度提高时，激光器腔内的折射率也会发生变化，导致腔内光的传输特性发生改变，从而影响激光的输出功率。此外，热膨胀还可能导致腔内激光模式的偏移，使得激光器的输出功率变得不稳定。

2. 光学泵浦效率的降低：

在二极管泵浦固体热容激光器中，光子能量被吸纳后会被转化为热能，而不是完全转化为激光光子。因此，晶体的温度提高会降低光学泵浦效率，导致激光器的发射效果不佳。 3. 激光腔的稳定性降低：

由于热膨胀引起的激光腔尺寸变化，使得激光器的腔内模式产生偏移，导致激光输出功率的不稳定性增加。这将给激光器的应用带来一些困扰，特殊是对于要求高稳定性的应用。

三、热效应的探究方法

1. 温度测量：

探究热效应的首要任务是对晶体温度进行准确测量。目前常用的温度测量方法有红外热像仪和热电偶等。通过对晶体表面的温度分布进行测量，可以了解热效应在激光器中的分布和变化状况。

2. 仿真模拟：

借助计算机软件进行热效应的仿真模拟是一种常用的探究方法。通过建立激光器的热传导方程和热光耦合方程，可以得到激光器晶体的温度分布和热效应对激光器性能的影响。仿真模拟可以为试验探究提供指导和参考。

LD端面泵浦窄线宽TmYLF激光器研究

LD端面泵浦窄线宽Tm:YLF激光器研究

2μm波段人眼安全激光处于大气窗口,广泛应用于激光医疗、环境监测和光通信等领域。此外,2μm激光器可作为3~5μm和8~12μm中红外光参量振荡器和光参量放大器的抽运源。

掺Ho3+晶体是产生高性能2μm激光的首选工作物质,而1.9μm Tm:YLF激光器是其理想泵浦源。因此,获得高功率、高效率且高稳定性的1.9μm激光输出至关重要。

本论文以理论模拟为基础,以体光栅为谐振腔镜,结合腔内双F-P标准具,在保证高功率和高稳定性的基础上获得窄线宽激光输出。理论方面,介绍了Tm:YLF晶体的物理、光谱特性,基于Tm:YLF激光器准三能级速率方程模型,通过简化方程组最终得到激光器阈值、输出功率及斜率效率的表达式,模拟并分析了上转换效应、交叉弛豫、以及晶体掺杂浓度和长度对Tm:YLF激光器输出特性的影响,为后续激光器的设计与实验奠定理论基础。

设计方面,基于Tm:YLF晶体热模型,对晶体温度场分布进行解析推导并模拟各参数晶体热分布,综合分析后选取晶体尺寸为3×3×12mm3,掺杂浓度为3.5at.%;对“L型”谐振腔不同参数条件下模式匹配、稳定性进行模拟,设计出谐振腔的参数范围,为后续实验研究奠定基础;对窄线宽元件体光栅和F-P标准具进行参数设计,选取体光栅端面尺寸为6×6mm2,厚度为5.5±1.5nm,双F-P标准具厚度分别为0.1mm和1mm。实验方面,搭建LD端面泵浦Tm:YLF激光器,并依次研究以体光栅为腔镜时不同谐振腔长、输出镜透过率和曲率半径对激光输出特性的影响,确定最佳谐振腔参数,并在腔内插入双F-P标准具,实现了17.8W的1908.55nm稳定性较高的激光输出,线宽仅为0.10nm,且波长最大波动范围仅0.34nm。

激光器相应的斜率效率和光光转换效率分别为42.89%和35.86%。

LD侧面泵浦全固态激光器的热效应分析

徐金龙; 郭军

【期刊名称】《《重庆理工大学学报（自然科学版）》》

【年(卷),期】2007(021)007

【摘要】对不同情况下LD侧面泵浦全固态激光器的热效应进行了分析,建立了抽运光功率和温度分布的计算模型,用C语言和MATLAB编程的方法对所建立的模型进行计算机数值模拟,并对模拟的结果进行了讨论分析.

【总页数】6页(P92-97)

【作者】徐金龙; 郭军

【作者单位】贵州大学电子科学系贵阳 550025

【正文语种】中文

【中图分类】TN211

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5.LD侧面泵浦全固态激光器的热效应分析 [J], 徐金龙 ;郭军

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LD端面泵浦的1.57μm内腔式OPO(1)

ＬＤ端面泵浦的１．５７μｍ内腔式ＯＰＯ

曲瑜，李宇飞，孙渝明，侯学元，戚焕筠

（山东大学信息学院，山东济南２５０１００）

摘要：１．５７μｍ波长激光为人眼安全波长激光。将ＫＴＰ晶体置于一个由ＬＤ端面泵浦、声光调Ｑ的Ｎｄ：ＹＶＯ４晶体双凹谐振腔内，利用ＫＴＰ表面镀膜建立了内腔式ＯＰＯ，实现了重复率在５～４０ｋＨｚ

范围内１．５７μｍ脉冲激光的稳定输出。实验结果表明，激光的阈值将随声光调Ｑ器重复率的增加而升

高，重复率为５ｋＨｚ时得到最低阈值１．５２Ｗ。重复率为１５ｋＨｚ、泵浦功率为３．７Ｗ时，输出光平均功

率为３０５ｍＷ，脉冲宽度５０ｎｓ，峰值功率４００Ｗ。

关键词：ＬＤ端面泵浦；声光调Ｑ；１．５７μｍ激光；ＯＰＯ技术

中图分类号：ＴＮ２４８．１文献标识码：Ａ文章编号：１００７－２２７６（２００６）０６－０６８３－０４

Ｄｉｏｄｅ!ｅｎｄ!ｐｕｍｐｅｄ１．５７μｍｉｎｔｒａｃａｖｉｔｙＯＰＯ

ＱＵＹｕ，ＬＩＹｕ"ｆｅｉ，ＳＵＮＹｕ"ｍｉｎｇ，ＨＯＵＸｕｅ"ｙｕａｎ，ＱＩＨｕａｎ"ｊｕｎ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｎａｎ２５０１００，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：１．５７μｍｅｙｅ"ｓａｆｅｌａｓｅｒｉｓｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｙｒｅａｌｉｚｅｄｂｙｕｓｉｎｇａｎｉｎｔｒａｃａｖｉｔｙｏｐｔｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｒｉｃ

ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ（ＯＰＯ）ｐｕｍｐｅｄｂｙａｄｉｏｄｅ"ｅｎｄ"ｐｕｍｐｅｄ，ａｃｏｕｓｔｏ"ｏｐｔｉｃａｌｌｙ（Ａ"Ｏ）Ｑ"ｓｗｉｔｃｈｅｄＮｄ：ＹＶＯ４ｌａｓｅｒ．Ｓｔａｂｌｅ

ｐｕｌｓｅｄｏｕｔｐｕｔｗｉｔｈｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎｒａｔｅｒａｎｇｉｎｇｆｒｏｍ５ｔｏ４０ｋＨｚｉｓｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅｌａｓｅｒｔｈｒｅｓｈｏｌｄｉｎｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈ

ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎｒａｔｅｏｆＱ"ｓｗｉｔｃｈｉｎｇａｎｄｔｈｅｌｏｗｅｓｔｔｈｒｅｓｈｏｌｄｏｆ１．５２Ｗｉｓｏｂｔａｉｎｅｄａｔａ５ｋＨｚｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ

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