固体激光工作物质的热效应
激光器件3工作物质的热效应
§2.1.4 固体激光器的热效应
21
不同YAG棒的屈光度与泵浦功率的关系
Refracting power(m-1)
5.0
4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
7mm , Nd doping 1%
2.0
6mm , Nd doping 0.8%
8mm , Nd doping 1% 1.5
4
5
6
7
8
9
10
Pump power(KW)
15
热焦距表示热透镜效应，则由折射率变化引起的热焦距为
fT
'
1 n2 L
K QL
(18）
端面效应形成的焦距用几何光学薄透镜公式表示为
fT"
R 2(n0 1)
K
r0Q(n0
1)
（19）
组合薄透镜为
1 fT
1 fT '
1 fT "
QL[1 dn K 2 dT
n03Cr,
n(r) n(0) n(r)T n(r)c
（12）
n(r)为棒截面内任意半径r处的折射率，n(0)为棒中心的折射率，Δn(r)T为与棒中心温 差引起的折射率变化量，Δn(r)c为热应力引起的折射率变化量
n(r ) T
[T(r) T(0)] dn dT
Q 4k
dn dT
r2
（13）
dn/dT为折射率温度系数
§2.1.4 固体激光器的热效应
1
固体激光器工作时，输入泵浦灯的能量只有少 部分转化为激光输出，其余能量转化为热损耗， 工作物质自身温度升高，引起荧光谱线加宽、 量子效率降低，导致激光器阈值升高和效率降 低。激光棒一方面吸收光泵辐射发热，另一方 面由于冷却不均匀会造成工作物质内部温度分 布不均匀，导致热应力、应力双折射和热透镜 效应等，这些热影响称之为热效应。
半导体激光泵浦复合晶体固体激光器的热效应
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 effe ct 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 indicate that the peak temperature and the thermal stress of YAP/Tm∶YAP composite crystal rod decrease to less than 80% and 70% comparing with the non-composite crystal.The length of thermal lens is still constant under the condition of the variation of un-doped crystal length, which verifies that using the composite crystal in the DPSSL can benefit for the laserproperties of temperature and mechanics.Nevertheless, the beam qualityof DPSSL can not be optimized using the composite crystal.【期刊名称】《发光学报》【年(卷),期】2017(038)006【总页数】5页(P742-746)【关键词】复合晶体;热效应;半导体泵浦固体激光器;有限元分析【作者】杨丽颖;李嘉强;张金玉;徐晓明;曹剑【作者单位】核工业理化工程研究院,天津 300180;核工业理化工程研究院,天津300180;核工业理化工程研究院,天津 300180;核工业理化工程研究院,天津300180;核工业理化工程研究院,天津 300180【正文语种】中文【中图分类】TN248.4半导体激光泵浦固体激光器(DPSSL)的热效应一直是影响其输出功率、光束质量和可靠性等工作特性的重要因素[1-7]。
固体激光器原理固体激光器
固体激光器原理-固体激光器固体激光器发展历程固体激光器发展历程固体激光器用固体激光材料作为工作物质的激光器。
1960年，梅曼发明的红宝石激光器就是固体激光器，也是世界上第一台激光器。
固体激光器一般由激光工作物质、激励源、聚光腔、谐振腔反射镜和电源等部分构成。
这类激光器所采用的固体工作物质，是把具有能产生受激发射作用的金属离子掺入晶体而制成的。
在固体中能产生受激发射作用的金属离子主要有三类：(1)过渡金属离子；(2)大多数镧系金属离子；(3)锕系金属离子。
这些掺杂到固体基质中的金属离子的主要特点是：具有比较宽的有效吸收光谱带，深圳市星鸿艺激光科技有限公司专业生产激光打标机，激光焊接机,深圳激光打标机,东莞激光打标机比较高的荧光效率，比较长的荧光寿命和比较窄的荧光谱线，因而易于产生粒子数反转和受激发射。
用作晶体类基质的人工晶体主要有：刚玉、钇铝石榴石、钨酸钙、氟化钙等，以及铝酸钇、铍酸镧等。
用作玻璃类基质的主要是优质硅酸盐光学玻璃，例如常用的钡冕玻璃和钙冕玻璃。
与晶体基质相比，玻璃基质的主要特点是制备方便和易于获得大尺寸优质材料。
对于晶体和玻璃基质的主要要求是：易于掺入起激活作用的发光金属离子；；具有适于长期激光运转的物理和化学特性。
晶体激光器以红宝石和掺钕钇铝石榴石为典型代表。
玻璃激光器则是以钕玻璃激光器为典型代表。
工作物质固体激光器的工作物质，由光学透明的晶体或玻璃作为基质材料，掺以激活离子或其他激活物质构成。
这种工作物质一般应具有良好的物理－化学性质、窄的荧光谱线、强而宽的吸收带和高的荧光量子效率。
玻璃激光工作物质容易制成均匀的大尺寸材料，可用于高能量或高峰值功率激光器。
但其荧光谱线较宽，热性能较差，不适于高平均功率下工作。
常见的钕玻璃有硅酸盐、磷酸盐和氟磷酸盐玻璃。
80年代初期，研制成功折射率温度系数为负值的钕玻璃，可用于高重复频率的中、小能量激光器。
晶体激光工作物质一般具有良好的热性能和机械性能，窄的荧光谱线，但获得优质大尺寸材料的晶体生长技术复杂。
固体激光器的工作原理
固体激光器的工作原理
固体激光器是一种利用固体材料作为工作物质的激光器，它通
过激发固体材料中的原子或离子，使其产生受激辐射而产生激光。
固体激光器的工作原理主要包括激发、增益、反射和输出四个过程。
首先，固体激光器的工作原理涉及到激发过程。
在固体激光器中，通常采用激发源（如闪光灯、半导体激光二极管等）照射固体
材料，激发固体材料中的原子或离子，使其跃迁至高能级。
这种激
发过程会导致固体材料中的原子或离子处于一个高能级的激发态。
其次，固体激光器的工作原理还涉及到增益过程。
在激发过程中，固体材料中的原子或离子处于高能级的激发态，这时如果有入
射光子与其相互作用，就会引发受激辐射，从而产生激光。
这种受
激辐射会引起原子或离子从高能级跃迁到低能级，释放出更多的光子，使激光光子数目急剧增加，形成所谓的增益。
然后，固体激光器的工作原理还包括反射过程。
在固体激光器中，通常会设置一个光学反射器，用来反射激光。
这种光学反射器
可以将激光反射回固体材料中，使其在其中来回反射，增强激光的
增益效果。
最后，固体激光器的工作原理还涉及到输出过程。
在固体激光器中，设置一个输出镜，用来从激光腔中输出激光。
这种输出镜通常只透过一部分激光，反射大部分激光，使得激光可以从固体激光器中输出。
总的来说，固体激光器的工作原理是通过激发固体材料中的原子或离子，使其产生受激辐射而产生激光。
固体激光器的工作原理涉及到激发、增益、反射和输出四个过程，这些过程共同作用，使得固体激光器能够产生高能、高亮度的激光，被广泛应用于医疗、通信、材料加工等领域。
板条激光器
板条激光器与光速质量测量试验实验目的1.了解板条固体激光器的结构和工作原理2.学会调整谐振腔3.了解光速质量的定义和多种测量方法1.板条激光器的特点激光工作物质为板条形状的固体激光器。
普通固体激光器激光工作物质的几何形状为圆棒状，温度梯度的方向与光传播方向垂直，在热负荷条件下运转时，将产生严重的热透镜效应和热光畸变效应，使得光束质量降低，并限制了激光功率的进一步提高。
在板条激光器中，温度梯度发生在板条厚度方向上(板条宽度方向上的两侧面被热绝缘)，而光在厚度方向的两侧面(即泵浦面)上发生内全反射，呈锯齿形光路在两泵浦面之间传播，光传播方向近似与温度梯度方向平行，可基本避免热透镜效应和热光畸变效应，大幅度提高了激光输出功率。
热透镜效应是指LD（半导体激光器）工作时产生的温度会使晶体表面发生热形变，造成了晶体各部分密度不同，而光在经过不同密度的分界线时发生不同程度的折射，因此就形成了像是光线通过普通透镜一样的折射效果。
2.激光器的组成1) 工作物质工作物质——激光器的核心，是由激活粒子（都为金属）和基质两部分组成，激活粒子的能级结构决定了激光的光谱特性和荧光寿命等激光特性，基质主要决定了工作物质的理化性质。
根据激活粒子的能级结构形式，可分为三能级系统（例如红宝石激光器）与四能级系统（例如Er：YAG激光器）。
工作物质的形状目前常用的主要有四种：圆柱形（目前使用最多）、平板形、圆盘形及管状。
2)泵浦系统泵浦源能够提供能量使工作物质中上下能级间的粒子数翻转，目前主要采用光泵浦。
泵浦光源需要满足两个基本条件：有很高的发光效率和辐射光的光谱特性应与工作物质的吸收光谱相匹配。
3)聚光系统聚光腔的作用有两个：一个是将泵浦源与工作物质有效的耦合；另一个是决定激光物质上泵浦光密度的分布，从而影响到输出光束的均匀性、发散度和光学畸变。
工作物质和泵浦源都安装在聚光腔内，因此聚光腔的优劣直接影响泵浦的效率及工作性能。
4)光学谐振腔光学谐振腔由全反射镜和部分反射镜组成，是固体激光器的重要组成部分。
详解固体激光器
详解固体激光器详解固体激光器详解固体激光器固体激光器用固体激光材料作为工作物质的激光器。
1960年，T.H.梅曼发明的红宝石激光器就是固体激光器，也是世界上第一台激光器。
固体激光器一般由激光工作物质、激励源、聚光腔、谐振腔反射镜和电源等部分构成。
这类激光器所采用的固体工作物质，是把具有能产生受激发射作用的金属离子掺入晶体而制成的。
在固体中能产生受激发射作用的金属离子主要有三类：(1)过渡金属离子（如Cr3+）；(2)大多数镧系金属离子（如Nd3+、Sm2+、Dy2+等）；(3)锕系金属离子（如U3+）。
这些掺杂到固体基质中的金属离子的主要特点是：具有比较宽的有效吸收光谱带，比较高的荧光效率，比较长的荧光寿命和比较窄的荧光谱线，因而易于产生粒子数反转和受激发射。
用作晶体类基质的人工晶体主要有：刚玉（NaAlSi2O6）、钇铝石榴石（Y3Al5，O12）、钨酸钙（CaWO4）、氟化钙（CaF2）等，以及铝酸钇（YAlO3）、铍酸镧（La2Be2O5）等。
用作玻璃类基质的主要是优质硅酸盐光学玻璃，例如常用的钡冕玻璃和钙冕玻璃。
与晶体基质相比，玻璃基质的主要特点是制备方便和易于获得大尺寸优质材料。
对于晶体和玻璃基质的主要要求是：易于掺入起激活作用的发光金属离子；具有良好的光谱特性、光学透射率特性和高度的光学（折射率）均匀性；具有适于长期激光运转的物理和化学特性（如热学特性、抗劣化特性、化学稳定性等）。
晶体激光器以红宝石（Al2O3：Cr3+）和掺钕钇铝石榴石（简写为YAG：Nd3+）为典型代表。
玻璃激光器则是以钕玻璃激光器为典型代表。
固体激光器的工作物质，由光学透明的晶体或玻璃作为基质材料，掺以激活离子或其他激活物质构成。
这种工作物质一般应具有良好的物理－化学性质、窄的荧光谱线、强而宽的吸收带和高的荧光量子效率。
玻璃激光工作物质容易制成均匀的大尺寸材料，可用于高能量或高峰值功率激光器。
但其荧光谱线较宽，热性能较差，不适于高平均功率下工作。
固体激光器原理及应用
固体激光器原理及应用固体激光器原理及应用摘要：固体激光器目前是用最广泛的激光器之一，它有着一些非常突出的优点。
本论文先从基本原理和结构介绍固体激光器，最后介绍其在监测，检测，制造业，医学，航天等五个方面的应用及未来的发展方向。
关键词：固体激光器基本原理基本结构应用1激光与激光器1.1激光1.1.1激光（LASER）激光是在1960 年正式问世的。
但是，激光的历史却已有100多年。
确切地说，远在 1893年，在波尔多一所中学任教的物理教师布卢什就已经指出，两面靠近和平行镜子之间反射的黄钠光线随着两面镜子之间距离的变化而变化。
他虽然不能解释这一点，但为未来发明激光发现了一个极为重要的现象。
1917年爱因斯坦提出“受激辐射”的概念，奠定了激光的理论基础。
激光，又称镭射，英文叫“LASER”，是“Light Amplification by Stimu Iatad Emission of Radiation”的缩写，意思是“受激发射的辐射光放大”。
激光的英文全名已完全表达了制造激光的主要过程。
1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。
1.1.2产生激光的条件产生激光有三个必要的条件：1)有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质，其激活粒子（原子、分子或离子）有适合于产生受激辐射的能级结构；2)有外界激励源，将下能级的粒子抽运到上能级，使激光上下能级之间产生粒子数反转；3)有光学谐振腔，增长激活介质的工作长度，控制光束的传播方向，选择被放大的受激辐射光频率以提高单色性。
1.1.3激光的特点与普通意义上的光源相比较，激光主要有四个显著的特点：方向性好、亮度极高、单色性好、相干性好。
1.2激光器激光器的发明是20世纪科学技术的一项重大成就。
它使人们终于有能力驾驶尺度极小、数量极大、运动极混乱的分子和原子的发光过程，从而获得产生放大相干的红外线、可见光线和紫外线（以至χ射线和γ射线）的能力。
固体激光工作物质的热效应
光电子技术精品课程
4.1.1热平衡下棒内温度分布 4.1.1 热平衡下棒内温度分布
在热平衡状态下， 忽略冷却介质沿轴向的微小温度变化 认为热流主要沿棒的径向传导 热传导方程：
d T 1 dT Q 0 2 dr r dr K
T温度， 温度 Q单位体积内发热功率， 单位体积内发热功率 r棒 横截面内任一半径大小，K热导率。
热致双折射之退偏效应
退偏系统示意图 左图表示了光束的相关分量在经过系统前后的 变化，θ表示起偏器偏振方向和y* 轴的夹角（ 起偏器与主双折射轴的夹角）。当光束经过起 偏器入射到激活介质时 各分量分别为 偏器入射到激活介质时，各分量分别为：
29
光电子技术精品课程
热致双折射之退偏效应
得到光束的透射强度：
当光束离开激活介质时，各分量为：
当光束离开检偏器后，各分量为：
热致双折射之退偏效应
左图说明 左图说明： 棒内光程差的大小分布和棒的长度无关 ，这不同于棒内温度场分布； 影响光程差最大的因素是注入功率，注 影响光程差最大的因素是注入功率 注 入功率越大，光程差越大，同等半径变 化内光程变化越大； 在棒的中心区域，光程差变化较缓，随 在棒的中心区域 光程差变化较缓 随 着向外延伸，光程差变化趋势越来越大 ，这体现出激活介质中心区域热致双折 射较小。
Nd:YAG晶体的取向
在热应力 在 力Nd:YAG晶体中，与棒 中 棒 轴垂直的平面内光率体的取向
22
光电子技术精品课程
[111]方向 [111] 方向Nd Nd： ：YAG YAG的热致双折射 的热致双折射
X
nφ
φ
θ
nr
Y
1 3 αQ 2 2 nr n0 n0 (q2 r0 Cr r ) 2 K 1 3 αQ nφ n0 n0 (q2 r02 Cφ r 2 ) 2 K
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。
固体激光器的基本结构和工作物质 李迎鑫 1102
固体激光器的基本结构与工作物质摘要1960年，T.H.梅曼发明的红宝石激光器就是固体激光器，也是世界上第一台激光器。
到1960年底，人们分别在固体（掺铀氟化钙）和气体（氦氖）中实现了四能级激光器系统。
固体激光器的发明梅曼发明的红宝石激光器为激光技术的发展完全打开了新的大门。
本文就固体激光器的基本结构与工作物质进行阐释。
关键词固体激光器基本结构工作物质基本结构固体激光器一般由激光工作物质、激励源、聚光腔、谐振腔反射镜和电源等部分构成。
工作物质，激光器的核心部分，由光学透明的晶体或玻璃作为基质材料，掺以激活离子或其他激活物质构成。
这种工作物质一般应具有良好的物理－化学性质、窄的荧光谱线、强而宽的吸收带和高的荧光量子效率。
激励能源，固体激光器一般采用光激励源。
通常为光泵。
它的作用是给工作物质以能量，即将原子由低能级激发到高能级的外界能量。
通过强光照射工作物质而实现粒子数反转的方法称为光泵法。
例如红宝石激光器，是利用大功率的闪光灯照射红宝石（工作物质）而实现粒子数反转，造成了产生激光的条件。
通常可以有光能源、热能源、电能源、化学能源等。
常用的脉冲激励源有充氙闪光灯；连续激励源有氪弧灯、碘钨灯、钾铷灯等。
在小型长寿命激光器中，可用半导体发光二极管或太阳光作激励源。
一些新的固体激光器也有采用激光激励的。
聚光腔的作用有两个：一个是将泵浦源与工作物质有效的耦合；另一个是决定激光物质上泵浦光密度的分布，从而影响到输出光束的均匀性、发散度和光学畸变。
工作物质和泵浦源都安装在聚光腔内，因此聚光腔的优劣直接影响泵浦的效率及工作性能。
谐振腔，由全反射镜和部分反射镜组成，是固体激光器的重要组成部分。
光学谐振腔除了提供光学正反馈维持激光持续振荡以形成受激发射，还对振荡光束的方向和频率进行限制，以保证输出激光的高单色性和高定向性。
最简单常用的固体激光器的光学谐振腔是由相向放置的两平面镜（或球面镜）构成。
受激辐射光通过反馈在其中形成放大与振荡, 并由部分反射镜输出。
实验三 连续半导体泵浦固体激光器热透镜效应实验
实验三 连续半导体泵浦固体激光器热透镜效应实验实验原理半导体泵浦的固体激光器，输入电能量的少部分（约为10%）转变成为激光输出，其余能量中相当多的部分都变成热耗散掉，因此需要冷却。
由于采用的激光晶体是棒状晶体，根据稳态热传导方程（3.1）得到Nd:YAG 棒径向温度分布。
连续工作激光介质的加热和冷却过程产生的温度分布可用稳态热传导方程来描述。
2210d T dT Q dr r dr K++= （3.1） 式中，K 为工作介质的热传导率，Q 为激光棒单位体积发热散耗的功率，r 为棒横截面内任一半径。
若0r r =的边界条件为)(0r T ，其中)(0r T 是棒表面温度，0r 是棒半径，则2200()()()4Q T r T r r r K =+- (3.2) 在棒的中心处r =0，温度T(0) 200()()4Q T r T r r K =+(3.3) 单位体积产生的热为d 20P Q r L=π (3.4) 式中d P 为棒耗散的全部功率；而d P in =ηP ，in P为泵浦源的输入电功率，η为热耗功率系数，表示棒内发热耗散的功率占电功率的比例，L 为棒长。
棒中心与棒表面的温差为200Q T(0)T(r )4K 4d P r KL-==π (3.5) 棒的表面温度)(0r T 与冷却介质温度、冷却情况以及输入电功率有关，激光棒内产生的热量通过热交换传递给冷却液，因此冷却介质与棒表面之间存在一定的温差，在热平衡条件下，棒内产生的热量应等于冷却介质从棒表面吸收的热量，0F T(r )-T in ηP =Fh[] （3.6） 式中，F 为激光棒与冷却介质接触的表面积（L 0F =2πr ），F T 为冷却介质的温度，h 为冷却介质与棒表面之间的热传导系数。
式（3.2）表明棒内温度)(r T 沿径向呈抛物线分布，中心处温度最高，棒表面温度最低，当r ＝const 处，温度相同，即等温面为同轴圆柱面，见图3-1。
激光对固体材料的热效应
研究现状
1.长脉冲作用于光电探测器的研究现状
CarsalwHs(1959)首先使用积分变换法给出了较简单的激光加热问题时物体温度场 的解析解或近似解。七十年代,Kurer等人对光电探测器的激光热破坏进行了研究,并利 用热传导模型做了热效应分析。Moyer等人研究了短脉冲激光辐照下半导体材料的表 面效应。蒋志平等研究了激光辐照Insb探测器的温升过程,计算和讨论了胶层的热导率、 厚度对激光破坏闽值及热恢复时间的影响，还对激光辐照PC型HgCdTe探测器热损伤做 过计算。强希文等考虑了自由载流子吸收、单光子光致电离吸收和双光子光致电离吸 收等激光吸收机制,考虑了材料的光学、热学性质的温度关系及热输运的非线性关系, 通过求解温度和载流子密度的祸合扩散方程,给出了材料内温度和载流子密度的瞬态分 布,对半导体材料激光损伤效应进行了数值求解。在激光与材料损伤机理研究中,很多 情况下未考虑径向热传导的影响.强希文等利用径向热传导方程计算了薄靶材的径向温 升分布。沈中华等考虑了材料的热物性参数在计算过程中的变化和入射激光的空间分 布,采用二维模型,得到Si材料在强激光作用下的轴向和径向温升分布,给出了表面层开 始熔化的时间与激光功率密度关系。还根据激光加热和熔融过程中的能量守恒方程,通 过假设一种符合物理和数学要求的温度分布形式,得到材料熔融前后的温度分布、熔融 界面推进速度和熔融深度变化的解析解,据此进行计算,得到了几种典型的半导体材料 的动态温升曲线。
在低温时发现某些晶体在本征连续吸收光谱以前,即hv<Eg时,就己 出现一系列吸收线;并且发现,激光与物质相互作用的热效应研究对应 于这些吸收线并不伴有光电导。可见这种吸收并不引起价带电子直 接激发到导带,而形成所谓的激子吸收。
b.自由载流子吸收
对于一般半导体材料,当入射光子的频率不够高,不足以引起电子从带到带 的跃迁或形成激子时,仍然存在着吸收,而且其强度随波长增大而增加"这是自 由载流子(即导带中电子或满带中空穴)在同一带内的跃迁所引起的,称为自由 载流子吸收。
固体激光器简介
4
I 11 / 2
(4 F3 / 2 谱线)
4
I 11 / 2
,对应1.06μ m
E1:基态, 一条激光谱线的激光 下能级(三能级系统):
4
I9/2
(
4
F3 / 2
4
I9/2
对应0.9μm谱线)
跃迁谱线: ①1.06μm:四能级系统, 跃迁几率大, 通常可观 察到; ②1.4μm: 四能级系统, 跃迁几率较小, 不一定 可观 察到;
红宝石中铬离子的吸收光谱
红宝石中铬离子的能级结构
红宝石有两条强荧光谱线(R1和R2线),分别为E和2A能态向4A2跃迁产生的,室温下对应 的中心波长分别为0.6943um和0.6929um。
通常红宝石激光器中只有 R1=0.6943μm线才能形成激光输出。
应指出,红宝石激光器通常只产生0.6943um的受激辐射。这是因为亚稳态能级2E分裂 成2A和E两能级,跃迁到2E上的粒子按波尔兹曼分布规律分布于2A和E上,2A能级上约占 47%,E能级上约占53%。这就是说E能级比2A能级有更多的粒子数。而且R1线荧光强度 比R2线高,使得R1线的受激辐射几率比R2线高。因此,R1线容易达到阈值而形成激光振荡。 同时,2A和E相距很近,一旦E上的粒子跃迁后,2A上的粒子便迅速地(约10ns)转移到E上去, 这就加强了R1线,而抑制了儿线。在激光脉冲持续时间远大于10-9s时,亚稳态上的位子均 将通过R1线的受激辐射回到基态,因此可把E,2A合并起来看成一个简并度g2=4的能级。 红宝石突出的缺点是阈值高(因是三能级)和性能易随 温度变化。 但具有很多优点,如: 机械强度高,能承受很高的激光功率密度;容易生长成较大 尺寸;亚稳态寿命长,储能大,可得到大能量输出;荧光谱线 较宽,容易获得大能量的单模输出;低温性能良好,可得到连 续输出;红宝石激光器输出的红光(0.6943um),不仅能为 人眼可见,而且很容易被探测接收(目前大多数光电元件和 照相乳胶对红光的感应灵敏度较高)。因此,红宝石仍属一 种优良的工作物质而得到广泛应用。用红宝石制成的大尺 寸单脉冲器件输出能量已达上千焦耳。单级调Q器件很容 易得到几十兆瓦的峰值功率输出(用这类器件已成功地对 载有角反射器的人造卫星进行了测距试验)。多级放大器 件的输出峰值功率已达数千兆瓦到一万兆瓦。红宝石在激 光发展上是贡献比较大的一种晶体。
蓝光固体激光器的热效应问题和温度控制
学校编码：10384 分类号 密级 学号：S*********UDC硕 士 学 位 论 文 蓝光固体激光器的热效应问题和温度控制 Heat Effect Problem of Blue Laser and It’s Temperature Control 黄剑平答辩委员会主席： 评 阅 人：2006 年 5月指导教师姓名：许惠英 副教授专 业 名 称：无线电物理论文提交日期：2006年5 月论文答辩时间：2006年5 月学位授予日期：2006年 月蓝光固体激光器的热效应问题和温度控制黄剑平指导教师许惠英副教授厦门大学厦门大学学位论文原创性声明兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。
本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明确方式标明。
本人依法享有和承担由此论文产生的权利和责任。
声明人（签名）：年月日厦门大学学位论文著作权使用声明本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。
厦门大学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。
保密的学位论文在解密后适用本规定。
本学位论文属于1、保密（ ），在 年解密后适用本授权书。
2、不保密（）（请在以上相应括号内打“√”）作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日摘要目前，激光领域中蓝光固体激光器由于自身具有效率高、结构紧凑、输出稳定、寿命长等优点，加上其在许多领域具有广泛的应用前景而倍受关注。
但目前输出功率达到瓦级水平的蓝光激光器的技术还不够成熟，因而进行这方面的研究具有重要的现实意义。
本论文的课题是研制瓦级蓝光固体激光器。
由于影响蓝光激光器工作性能的最主要的一个因素就是其晶体的工作温度，本文就蓝光固体激光器工作晶体的热效应问题进行探讨，并介绍了激光晶体温度控制器的设计。
固体激光器的应用
固体激光器的应用所谓固体激光器就是用固体激光材料作为工作物质的激光器。
I960年，梅曼发明的红宝石激光器就是固体激光器，也是世界上第一台激光器。
距今已有整整五十年了，在这五十年固体激光的发展与应用研究有了极大的飞跃并且对人类社会产生了巨大的影响。
固体激光器在军事、加工、医疗和科学研究领域有广泛的用途。
固体激光器从其诞生开始至今一直是备受关注。
其输出能量大峰值功率高结构紧凑牢固耐用因此在各方面都得到了广泛的用途其价值不言而喻。
正是由于这些突出的特点其在工业、国防、医疗、科研等方面得到了广泛的应用给我们的现实生活带了许多便利。
现在激光应用已经遍及光学、医学、原子能、天文、地理、海洋等领域它标志着新技术革命的发展。
诚然如果将激光发展的历史与电子学及航空发展的历史相比我们不得不意识到现在还是激光发展的早期阶段，更令人激动的美好前景将要来到。
一、固体激光器的类别：固体激光器的工作物质，主要由光学透明的晶体或玻璃作为基质材料，掺以激活离子或其他激活物质构成。
常见的有红宝石（掺铬的刚玉，Cr：AI2O3）、掺钛的磷酸盐玻璃（简称钕玻璃）、掺钛的忆铝石榴石（Nd: YAG、掺钛的铝酸忆（Nd: 丫ALO、掺钛的氟化忆锂（Nd: YLF）等多种。
它们发出激光的波长主要取决于掺杂离子，如掺铬的红宝石，室温下的工作波长为694. 3纳米，深红色；又如掺钕的多种晶体和玻璃，工作波长为1微米多，为近红外。
二、固体激光器的构造及原理：在固体激光器中，能产生激光的晶体或玻璃被称为激光工作物质。
激光工作物质由基质和激活离子两部分组成，基质材料为激活离子提供了一个合适的存在与工作环境，而由激活离子完成激光产生过程。
常用的激活离子主要是过渡金属离子，如铬、钻、镍等离子以及稀土金属离子，如钕离子等。
固体激光器主要由闪光灯、激光工作物质（如红宝石激光晶体）和反射腔镜片组成，反射镜表面镀有介质膜，一片为全反射镜，另一片为部分反射镜。
掺铬红宝石是一种最早发现和使用的激光工作物质。
激光器件3工作物质的热效应
§2.1.4 固体激光器的热效应
9
2.激光棒中的热应力
工作物质内热应力产生的主要原因是内部温度分布不均 匀，内、外层材料由于存在温差而产生机械应力
棒中心(r=0)
0
6PdE 16LK(1 )
（8）
棒表面(r=r0)
r0
2PdE 8LK(1 )
（9）
α为热膨胀系数; E为杨氏模量；为泊松比
材料
红宝石
6
不同流速的水冷系统传递系数
1、流速越高，h越大 2、rF/r0越小，h越大
§2.1.4 固体激光器的热效应
7
计算例子
Pin= 4000W，则Pd=Pin=200W，棒长 L=88mm，r0=2.5mm，rF=4mm，冷却水流速
out=200-250W；L=7.5cm； r0=0.32cm;rF=0.7cm,Pd=600W；冷却液 流速m=142g/s；冷却水温TF=20℃。
§2.1.4 固体激光器的热效应
3
一、连续激光器的热效应 1.激光棒内的温度分布
冷却玻璃管 工作物质
若激光棒被均匀泵浦，棒周 围散热情况相同，忽略冷却 介质沿棒轴方向的微小温度 变化，则可视热流主要沿棒 的径向传导，可用一维热传 导方程描述热稳定状况下的 热流分布
泵浦光
冷却液
2T r 2
1 r
T r
热应力双折射与输入功率Pin成正比，随r 增加而增加，棒边缘双折射最大，棒中心 最小。应力双折射，将引起偏振光退偏。 线偏光工作的激光器，退偏损耗常导致器
件的效率大大降低。
§2.1.4 固体激光器的热效应
12
4.激光棒的热透镜效应
棒内各处的温度和热应力不同，导致各处的折射率不相同，若以棒中 心的温度为标准，棒内折射率的空间分布，表示为
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Nd：YAG的折射率温度系数 6℃-1 1 7 3×10-6 7.3
36
光电子技术精品课程
热应力引起的折射率变化
1 3 αQ 2 Δ n ( r ) n C r r r 0 2 K Δn(r ) ε 1 α Q 3 2 Δn(r ) n Cφ r φ 0 2 K
Δn(r ) ε Δn(r ) r ,φ 1 3 αQ n0 Cr , φ r 2 2 K
光电子技术精品课程
37
热透镜效应
Q dn 2 1 3 αQ n(r ) n(0) r n0 Cr , φ r 2 4 K dT 2 K n2 2 n(0)[1 r ] 2n(0)
24
光电子技术精品课程
[111]方向 [111] 方向Nd Nd： ：YAG YAG的热致双折射 的热致双折射
Nd：YAG的光弹系数和材料参量 α 7.5 7 5 106 / C K 0 0.14 14W / cm C
μ 0.25 0 25
n0 1.82 Cr 0.017 Cφ 0.0025 CB2 0.0099
4.1.4激光棒的热透镜效应 4.1.4 激光棒的热透镜效应
n(r ) n(0) Δn(r )T Δn(r ) ε
温度差引起的 折射率变化
热应力引起的 折射率变化
35
光电子技术精品课程
温度引起的折射率变化
dn Q dn 2 Δn(r )T [T (r ) T (0)] r dT 4 K dT
热致双折射之退偏效应
退偏系统示意图 左图表示了光束的相关分量在经过系统前后的 变化，θ表示起偏器偏振方向和y* 轴的夹角（ 起偏器与主双折射轴的夹角）。当光束经过起 偏器入射到激活介质时 各分量分别为 偏器入射到激活介质时，各分量分别为：
29
光电子技术精品课程
热致双折射之退偏效应
得到光束的透射强度：
光电子技术 精品课程
4
固体激光工作物 质的热效应 的热效应
光电子技术(2)( 光电子技术 (2)(激光器件 激光器件) )
电子科学与技术 精密仪器与光电子工程学院
4.固体激光工作物质的热效应 4. 固体激光工作物质的热效应 4.1连续激光器的热效应 4.2 4 2单次和重复率脉冲激光器的热效应 4.3热效应的消除和补偿
（4.1-1) 4 1 1)式变为：
(4.1 (4 1 2)
Q 2 T (r ) T (0) r 4K
(4.1 3)
抛物线型
7
光电子技术精品课程
单位体积内发热功率Q 单位体积内发热功率 Q
整根棒的热 耗散功率 热耗散功 耗散功 率系数 泵浦源的 输入功率
Pd ηPin Q 2 2 πr0 l πr0 l
r0
0 r0
1 T (r )rdr 2 r 1 T (r )rdr 2 r
T (r )rdr ]
0
r
αE 1 σφ [ 2 1 μ r0 αE 2 σz [ 2 1 μ r0
0 r
T (r )rdr T (r )]
0
r
轴向：
T (r )rdr T (r )]
19
光电子技术精品课程
4.1.3激光棒的热应力双折射 4.1.3 激光棒的热应力双折射
虎克定律 热弹理论 光弹效应
Pd T σ ε Bij n Δn
热 耗 散 功 率 温 度 分 布
应 力
应 变
光 率 体
折 射 率
双 折 射
20
光电子技术精品课程
弹光效应
n1
lk
D 1
n2
Δn Δnr Δnφ (3.2 106 )Qr 2
W/cm3
25
cm
光电子技术精品课程
[001]方向 [001] 方向Nd Nd： ：YAG YAG的热致双折射 的热致双折射
26
光电子技术精品课程
热致双折射之退偏效应
可以通过偏光镜结构研究泵浦激光棒的双折射效应
因为存在热致双折射，探视光出现了退偏振，部分被检偏器 因为存在热致双折射 探视光出现了退偏振 部分被检偏器 透射。透射的光形成所谓的同消色线，表现为相位差恒定的 几何轨迹。位于两个相交偏振器之间的激光介质，在不同的 泵浦功率作用下产生锥光偏振图案。
Nd : YAG棒中的光程差与归一化半径的函数关系 （参数为灯的输入功率）
热致双折射之退偏效应
激光器的退偏损耗
激 激光工作在基模模式时高斯光束总透射强度 作在基模模式时高斯 束总 射 度
光束透过率和谐振腔的退偏损耗分别为
热致双折射之退偏效应
当激光器工作在多模平行平面波在激光器内振荡时，可得到
光束透过率和谐振腔的退偏损耗分别为：
激光棒 长度
8
光电子技术精品课程
热耗散功率与冷却水的热平衡方程
Pd Fh[T (r0 ) TF ] (4.1 4)
棒的表 面积 热传递 系数 棒表面与冷却 介质的温差
F 2πr0l
9
光电子技术精品课程
热传递系数
10
光电子技术精品课程
棒表面与中心的温度
ηPin ) T (r0 ) TF ( Fh 1 1 T (0) TF ηPin ( ) Fh 4πKl
27
光电子技术精品课程
热致双折射之退偏效应
不同泵 浦功率 放大器 光斑退 偏振模 式 同消色线图案 有十字形或者 环形两种，十 字臂平行或垂 直于入射偏振 光。在十字形 对应的晶体区 域，感应双折 射（径向或切 向）轴与起偏 器的轴同向， 所以感应双折 射只会引起相 位迟滞，而不 会引起偏振旋 转
Nd:YAG的抗张强度为1800～2100Kg/cm2，对应的单位 长度的热耗散功率约为150kW/cm。
18
光电子技术精品课程
热冲击波参量
Pd 8πR l
热冲击 波参量
K (1 μ ) R σ max αE
玻璃 1 CSGG YAG 6.5 7.9 Al2O3 100
材料： R(W/cm)
2
光电子技术精品课程
热效应涉及的现象和理论
现象
温度猝灭 热应力 热致双折射 热透镜 热弹理论 弹光理论 虎克定律 热传导理论
3
理论
光电子技术精品课程
4.1连续激光器的热效应 4.1 连续激光器的热效应
4.1.1侧面泵浦热平衡下棒内温度分布 4.1.2 4 1 2侧面泵浦激光棒的热应力 4.1.3侧面泵浦激光棒的热应力双折射 4.1.4侧面泵浦激光棒的热透镜效应 4.1.5端面泵浦激光棒的热效应 4.1.6 4 1 6热透镜测量
5
2
r
r0
光电子技术精品课程
热传导方程的解
热传导方程为一欧拉方程 热传导方程为 欧拉方程，得到方程解为： 得到方程解为：
Q 2 2 T (r ) T (r0 ) (r0 r ) ( (4.1 . 1) ) 4K
棒表面 的温度
6
光电子技术精品课程
热传导方程的解
棒中心的温度：
Q 2 T (0) T (r0 ) r0 4K
最大应力
有图可见，棒内的热应力分布与半径r呈抛物线关 系 最大应力出现在棒表面和棒中心 系，最大应力出现在棒表面和棒中心 棒中心（r=0） 径向和切向应力 轴向应力 和应力
在
处为拉应力，而且切向和轴向应力相等
和应力
17
此处棒的表面热应力最大
光电子技术精品课程
最大应力
根据最大热应力的表达式可以计算工作物质表面为极限 应力时的允许耗散功率。
D2
Bij Pijkl εkl
21
光电子技术精品课程
以Nd:YAG棒为例进行有关计算光弹性效应。 Nd:YAG为立方晶体，其光率体是一个圆球，但是在应力作用下变为椭球， 为立方晶体 其光率体是 个圆球 但是在应力作用下变为椭球 Nd:YAG 棒 的圆柱轴呈[111]方向，晶体沿着此方向生长，泵浦光也沿着此方向传播，因此[111]方 向的折射率变化是非常重要的。
热致双折射之退偏效应
Nd : YAG中热致双折射和腔内起偏器 共同引起的谐振腔损耗变化曲线
多模在注入功率增加时，损耗 多模在注入功率增加时 损耗 迅速增加，并上下抖动，最大 达到 0.3；在注入功率相同时 ，TEM00模的损耗比多模的损 耗大的多，这是因为基模的能 量主要集中在棒的中心区域， 棒中心的感应双折射较小；当 输入功率变大时，基模和多模 腔内损耗将趋向 致，约等于 腔内损耗将趋向一致，约等于 0.25。
当光束离开激活介质时，各分量为：
当光束离开检偏器后，各分量为：
热致双折射之退偏效应
左图说明 左图说明： 棒内光程差的大小分布和棒的长度无关 ，这不同于棒内温度场分布； 影响光程差最大的因素是注入功率，注 影响光程差最大的因素是注入功率 注 入功率越大，光程差越大，同等半径变 化内光程变化越大； 在棒的中心区域，光程差变化较缓，随 在棒的中心区域 光程差变化较缓 随 着向外延伸，光程差变化趋势越来越大 ，这体现出激活介质中心区域热致双折 射较小。
0
15
光电子技术精品课程
各向同性物质的热应力
σ r QS (r r )
2 2 0
σ φ QS (3r r )
2 2 0
σ z 2QS (2r r )
2 2 0
αE S 16 K (1 μ)
说明：1、σ的正负含义； 2、 σ为抛物线型； 3、棒中心和表面应力。
16
光电子技术精品课程
12
光电子技术精品课程
图4.13 激光棒中泵浦光强模拟计算
LD泵浦YAG组件的剖面结构(a) ( )和Nd:YAG Nd YAG中的荧光分布(b)