通过对激光二极管双端抽运Nd:YVO4晶体的分析,建立符合实际工作条件的热模型和边界条件,利用半解析热分析方法得出了激光晶体内部温度场和端面的热形变计算公式,并对影响温度场分布的各种因素进行了理论分析与计算。所得出的结论可以推广到其它激光晶体,为有效地解决激光晶体热效应问题提供了理论基础。

高功率CO2激光器输出窗不可避免地要吸收谐振腔的激光能量,在其内部产生非均匀温度场的分布,并引起输出窗发生热形变。输出窗的热效应改变了CO2激光器谐振腔的品质因数,影响激光器的稳定性和输出光束的质量。对于输出窗准确的温度场和热形变场研究是解决热透镜效应的关键。利用半解析方法对CO2激光器在TEM00工作模式下,输出窗的温度场及热形变量场进行研究。研究方法和所得结论具有普适性,可以应用到其它具有轴对称性热模型产生的温度场、热形变分析工作中。

KTP晶体腔内倍频时具有的非均匀温升,对于LD抽运的全固态绿光激光器的性能有着较大的影响。为了提高激光器的性能,需对倍频晶体KTP内部温度场分布进行研究。通过对Nd:YVO4/KTP激光器中KTP晶体工作特点的分析,建立了符合实际的热分析物理模型,并利用解析热分析方法得出了方形晶体KTP的温度场分布的一般通解表达式。由于研究依据的方形晶体热模型较好地符合了激光器的实际情况,因此结论也就更为合理。研究结果表明,依据方形热模型计算KTP晶体得到的最大温升比圆柱形热模型得到的最大温升要略高一些。为研究由于温升导致的位相失配提供了必要的理论基础,对提高Nd:YVO4/KTP绿光激光器的性能具有指导意义。

激光晶体吸收激光二极管的泵浦光能量,产生激光振荡的同时有相当一部分泵浦光能量会转变为激光晶体的热量并耗散在晶体内,产生的热效应严重影响到激光器的性能和品质。通过对于激光晶体端面泵浦方式的分析,利用半解析热分析方法得出了晶体内部温度场和热形变场的计算方法,并对几种典型的掺Nd3+离子晶体的温度场和端面热形变场及其产生差异的原因进行了定量分析。研究方法和得出结果可以应用到内有热源、具有轴对称形式的模型中,对于激光二极管泵浦的全固态激光器的设计提供基础理论的铺垫。

通过对于谐振腔内倍频晶体实际工作情况的分析,利用解析法得出了倍频晶体KTP晶体在非中心辐射下内部温度场的解析解,并计算了KTP晶体内部温度场分布,为有效解决激光系统热效应问题提供了理论基础研究.

为了研究抽运光在Yb:YAG晶体内产生的非均匀性温升以及引起的热效应问题,以半解析热分析理论为基础,结合超高斯光束端面抽运、背向冷却Yb:YAG微片工作特点分析,采用热传导方程一种新的求解方法,得出了Yb:YAG微片内部温度场、热形变场、附加光程差的半解析计算表达式。并定量分析了超高斯光束不同阶次、不同光斑尺寸抽运时对于Yb:YAG微片温度场、热形变场的影响。结果表明,若使用50W、光斑半径300μm的5阶超高斯光束端面抽运掺镱离子原子数分数为0.08的Yb:YAG微片,抽运面上可获得52.18℃最高温升量,产生0.1195μm最大热形变,引起0.2152μm的附加光程差。该研究结果对于微片激光器热不敏谐振腔最优化设计具有理论指导作用。

为了研究半导体激光器端面抽运激光晶体产生的热效应问题,采用解析分析的方法研究端面抽运激光晶体的温升以及热形变量的大小.通过激光晶体工作特点分析,考虑到Nd:GdVO4晶体热传导各向异性的特点,采用各向异性传热的Poisson方程,得出了超高斯光束端面抽运Nd:GdVO4晶体温度场以及热形变场的一般解析表达式.并定量分析了超高斯光束不同阶次、不同光斑尺寸抽运时对于Nd:GdVO4晶体温度场以及热形变场的影响.结果表明,若半导体激光器的输出功率为30W,光学聚焦耦合器传输效率为8%,阶超高斯光束沿中心端面抽运掺钕离子原子数分数为0.012的Nd:GdVO4晶体,抽运面可获得419.3℃的最大温升,并产生0.711m的热形变.该结果对估算Nd:GdVO4晶体热焦距变化范围以及进行热不敏谐振腔设计具有理论指导作用.

为了研究脉冲半导体激光器端面抽运激光晶体产生的热效应,对激光晶体瞬态温度场以及热形变场进行解析分析与计算。考虑到脉冲LD出射光具有超高斯分布,且Nd:YAG晶体热传导各向同性的特点,利用热传导Poission方程得到了超高斯分布脉冲LD端面抽运Nd:YAG晶体瞬态温度场以及热形变场的一般解析表达式,定量分析了单脉冲抽运过程中超高斯抽运光光斑半径及超高斯阶次、脉冲宽度对Nd:YAG晶体瞬态温场的影响以及准热平衡状态温度场的时变特性。结果表明,当脉冲LD端面抽运光具有3阶超高斯分布、抽运功率为80W、脉冲频率为100Hz、脉宽为200 s、钕离子掺杂质量分数为0.01的Nd:YAG晶体瞬态温度场随抽运脉冲呈现出周期性分布,准热平衡状态的温度在25.5℃到29.2℃之间成锯齿形周期分布;晶体抽运面的热形变量在0.13m和0.19m之间也呈现出周期性变化。该研究对于脉冲LD端面抽运全固态激光器热不敏谐振腔设计具有理论指导意义。

为了研究LD抽运晶体在实际谐振腔中,LD变化半径在晶体中产生的热效应,采用了理论上与理想模型下所求解的结果相比较的方法,得到了当输出功率为15W时,抽运端面中心获得199.545℃最高温升和1.33μm最大热形变量、实验值与理论值基本一致的结果。结果表明,这种新的研究方法可以更准确地应用到其它激光晶体热问题的研究中,为有效解决激光系统热问题提供了理论依据。

为了研究矩形晶体Nd:GGG受到具有高斯分布激光双侧错位抽运时,激光晶体内部温度场和热形变分布情况,采用以各向异性半解析热分析为基础的方法进行了研究。当用输出功率分别都为300W从Nd:GGG晶体两侧面错位中心抽运时,高斯半径为9.00mm,最高温度出现在前抽运面,晶体内最大温度为309.73℃;分析了激光晶体工作的特点,建立了符合激光晶体的热模型,得出了矩形Nd:GGG激光晶体温度场和热形变场通解表达式。结果表明,当侧面错位抽运长方体Nd:GGG晶体10s时,最大热形变量为28.97m,最大光程差为13.02m;停止抽运200s时,晶体最高温升下降到1.01%。该研究结果为LD双侧抽运热容激光器的优化设计提供了理论依据。