刻螺纹对Nd_YAG晶体棒的热透镜效应影响实验研究
Nd：YAG陶瓷激光晶体的制备研究的开题报告
Nd：YAG陶瓷激光晶体的制备研究的开题报告开题报告一、研究背景随着现代科技的发展，激光技术在生产制造、医疗、军事等领域有着广泛应用。
而激光晶体作为激光系统中的核心材料，其品质和性能直接影响到激光设备的性能和稳定性。
因此，如何制备高质量的激光晶体一直是激光技术的研究热点之一。
其中，Nd：YAG（氧化钇铝钕）陶瓷激光晶体是目前最主要的激光晶体之一，具有强的抗辐射、高温、高硬度等优点。
因此，该晶体在激光切割、激光磨削、激光束合成、医疗等领域有着广泛应用。
然而，传统的晶体生长技术存在着一些问题，如晶体生长速度缓慢、易出现晶体缺陷、成本较高等。
因此，研究高品质的Nd：YAG陶瓷激光晶体的制备技术具有重要意义。
二、研究目的和意义本研究旨在探究一种高品质的Nd：YAG陶瓷激光晶体制备技术，具体目的和意义如下：1.提高晶体生长速度，降低生产成本。
2.减少晶体缺陷的产生，提高晶体的品质和性能。
3.为激光技术在生产制造、医疗、军事等领域的应用提供高品质的材料支持。
三、研究内容及方法1.研究Nd：YAG陶瓷激光晶体制备的生长机理和影响因素，并优化制备工艺。
2.通过 X 射线衍射仪、扫描电镜等仪器分析晶体的品质和结构特点，并对晶体进行物理性能测试。
3.对得到的激光晶体进行激光测试，分析晶体的激光性能指标（如受激发射截面、光学品质因数等）。
四、预期研究结果1.制备出具有高质量和良好性能的Nd：YAG陶瓷激光晶体。
2.打破传统晶体生长的技术瓶颈，提高晶体生长速度，降低生产成本。
3.建立具有自主知识产权的Nd：YAG陶瓷激光晶体生产工艺，为实现产业化生产提供技术保障。
五、研究难点及解决途径1.陶瓷晶体的生长速度较慢，如何提高生长速度是一个难题。
解决途径是优化晶体生长条件，采用增材、反应烧结等方法。
2.陶瓷晶体易产生缺陷，如何减少缺陷的产生是一个难点。
解决途径是优化晶体生长条件和烧结工艺，降低晶体烧结温度，采用增加添加剂等方法。
Nd:YAG激光器的热透镜效应及其对激光输出的影响
Nd：YAG激光器的热透镜效应及其对激光输出的影响
余本海;倪永军;娄国营
【期刊名称】《信阳师范学院学报：自然科学版》
【年(卷),期】2004(17)2
【摘要】对Nd:YAG激光器的热透镜效应进行了分析,给出了实验测量动态热效应的方法.利用矩阵光学的方法,分析了热透镜效应对激光输出功率和光束质量的影响,并计算了两种谐振腔参数下的束腰宽度ω0、远场发散角θ0和模体积V随热焦距f的变化情况.
【总页数】4页(P166-169)
【关键词】Nd:YAG激光器;热透镜效应;光束质量;模体积
【作者】余本海;倪永军;娄国营
【作者单位】信阳师范学院物理电子工程学院;信阳师范学院计算机系;通许一中【正文语种】中文
【中图分类】TN248.1
【相关文献】
1.氪灯侧面泵浦Nd:YAG激光器热透镜效应研究 [J], 张玲;杨少辰;刘欣;刘庆学;何坤娜
2.热透镜效应对固体激光器输出影响研究 [J], 蔡军;张晓娟;徐涛
3.热透镜效应补偿的高功率Nd∶YAG 激光器的优化设计 [J], 吴羽;龙晓莉;焦中兴;何广源;张倩
4.大功率LD抽运Nd:YVO4激光器热透镜效应对输出特性的影响 [J], 李健;付殿岭;王衍子;王翠玲;危芹
5.应用折射率负温度系数的固体元件补偿Nd：YAG棒激光器的热透镜效应 [J], Norihiro Takeuchi;Hidetsugu Yoshida;Hajime Okada;韩文杰;董光焰;朱国利
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脉冲泵浦对准三能级Nd∶YAG激光晶体热效应的影响
脉冲泵浦对准三能级Nd∶YAG激光晶体热效应的影响亓凌飞;张志龙;胡文;李健【摘要】对热效应影响严重的准三能级系统激光晶体采用脉冲激光泵浦,在泊松方程中引入矩形方波函数,考虑晶体侧面与冷却液之间的对流传热,以及晶体端面与外界的热传导,建立圆柱形Nd∶ YAG晶体的热传导模型和边界条件,采用有限元差分方法,求解变形后的泊松方程,得到激光晶体内温度的建立过程和临界稳定温度场分布.结果表明,采用脉冲泵浦方式能大大降低晶体内部的温度,有效减小晶体内部的热效应,为准三能级和三能级系统激光晶体的热效应研究提供了参考.【期刊名称】《山东科学》【年(卷),期】2014(027)001【总页数】5页(P63-67)【关键词】脉冲泵浦;准三能级;泊松方程;热效应【作者】亓凌飞;张志龙;胡文;李健【作者单位】山东师范大学物理与电子科学学院,山东省光学与光子器件技术重点实验室,山东济南250014;山东师范大学物理与电子科学学院,山东省光学与光子器件技术重点实验室,山东济南250014;山东师范大学物理与电子科学学院,山东省光学与光子器件技术重点实验室,山东济南250014;山东师范大学物理与电子科学学院,山东省光学与光子器件技术重点实验室,山东济南250014【正文语种】中文【中图分类】TN248.1随着半导体激光技术的发展，激光能级转换和无辐射跃迁导致的激光晶体热效应对大功率半导体激光泵浦的全固态激光器的转换效率和光束质量等性能产生越来越大的影响，尤其是准三能级激光晶体对应上能级粒子数反转要求高，产生的热效应影响更为严重。
对晶体内温度场等进行正确分析可以为寻求解决热效应的方法提供参考，是全固态激光器件研究中的一个重要方向。
Nd：YAG晶体是最成熟的激光材料之一，其发射的光谱线中有3条强的发射峰，分别对应1 064 nm，1 342 nm和946 nm，其中946 nm谱线通过倍频可产生473 nm大功率蓝光，在信息存储、彩色显示、探测及通讯等科研生产领域应用广泛。
复合Nd∶YAG晶体大功率1064 nm固体激光器研究
复合Nd∶YAG晶体大功率1064 nm固体激光器研究郝旺;李祎;高兰兰【摘要】报道了采用Comsol多物理场仿真软件模拟计算三种结构Nd∶YAG晶体的温度场分布,并通过实验,对比分析复合晶体与均匀掺杂Nd∶YAG晶体的输出功率和转化效率.模拟结果表明,当泵浦功率为18W时,尺寸为3 mm×3 mm×10 mm、3 mm×3 mm×16 mm、3 mm×3 mm×20 mm的三种晶体的最高温度分别为97.12℃、89.08℃和88.01℃,复合晶体在降低晶体工作温度,减小热效应方面优势明显.采用相同的工作条件,当泵浦功率为18 W时,均匀掺杂Nd∶YAG晶体1064 nm激光最大输出功率为6W,16 mm长的复合晶体的输出功率为9.3W,且未出现饱和现象,光斑质量优于均匀掺杂晶体情况.理论和实验结果表明,复合晶体在降低热效应,提高光斑质量方面具有更高的实用性.%The temperature field distributions of three Nd ∶ YAG cr ystal structures were calculated by using the Comsol multiphysical field simulation software,and the output power and conversion efficiency of the composite crystal and the uniform doped Nd ∶ YAG crystal were compared through the experiments.The simulation results show that the maximum temperatures of three crystals whose size are 3 mm ×3 mm × 10 mm、3 mm ×3 mm × 16 mm and 3 mm ×3 mm × 20 mm are 97.12 ℃,89.08 ℃ and 88.01 ℃ respectively when pumping power is 18 W.The composite crystal has an obvious advantage in reducing the temperature of the crystal and reducing the thermal effect.When pumping power is 18 W,the maximum output power of uniform dopedNd ∶ YAG crystals is 6 W,while the output power at 1064 nm with the 16 mm composite crystal is 9.3 W.Meanwhile,there is no saturationphenomenon for the composite crystal,and the beam quality is better than that of the uniform doped crystal.The theoretical and experimental results show that the composite crystal has a higher practicability in reducing the thermal effect.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2018(048)001【总页数】5页(P47-51)【关键词】Nd∶YAG;热透镜;复合晶体【作者】郝旺;李祎;高兰兰【作者单位】长春理工大学,吉林长春130022;长春理工大学,吉林长春130022;长春理工大学,吉林长春130022【正文语种】中文【中图分类】TN248.11 引言在固体激光器激光晶体的工作过程中,由于量子亏损、下激光能级与基态之间能差转化为热量、激光猝灭等原因会产生大量的热量,进而导致激光晶体内部温度分布不均匀,产生热透镜、端面热变形等效应。
氪灯侧面泵浦Nd：YAG激光器热透镜效应研究
中图分类号 ：Ｎ２８ １ Ｔ ４ ．
文 献标 识码 ： Ｂ
Ｓ ｕ ｙ Ｏ ｌＴｈ ｒ ａ ｎ ｆ ｃ ｆ Ｎｄ： ｔｄ ｉ ｅ ｍ ｌＬｅ ｓ Ｅｆ ｅ ｔｏ ＹＡＧ ｓ ｒ Ｌａ ｅ Ｓ ｄ ｍ ｐ ｄ ｂ ｒ Ｌａ ｐ ｉ ｅ Ｐｕ ｅ ｙＫ ｍ
（ 北方交通大学 理学院 ， 北京 １０ ４ ） ０ ０ ４
摘
要 ： 氪灯侧 面泵浦 Ｎ ： Ｇ激 光 器的 热透 镜 效应 进 行 了分 析 ， 实验 得 出热透 镜 效 应 对 ｄ ＹＡ 由
的 经验公 式 ， 并提 出一些 改进 方 案 ， 一定程 度上 减 小 了热透镜 效 应 在
关键 词 ： 灯 ； 面泵浦 ； 透镜 效应 氪 侧 热
随着固体激光器的广泛应用 ， 大功率 Ｋ 灯泵浦的固体激 光器一直是 激光领域 的前言课题 ． ｒ 但是 ， 由 于 Ｋ 灯发射的光谱较宽 ， Ｙ Ｇ晶体吸收光谱匹配不好 ， ｒ 与 Ａ 造成大量能量变为热量散失． 由于量子损耗的 存在 ， 以及由于红外和紫外辐射吸收产生大量的热 ， Ｙ Ｇ激光棒中存在 的这些热 量， 在 Ａ 会使激 光介质产 生热透镜效应 由于热透镜效应的存在 ， 降低 了光束质量并限制了谐振腔稳定运行 的功率范围… ． 本文对 Ｎ ：Ａ ｄ Ｙ Ｇ晶体的热透镜效应进行研究 ， 并采取措施进行补偿 ．
图 １ Ｙ Ｇ 的 折射 率 沿径 向分 布 图 Ａ
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第２ ６卷
高重频Nd：YAG激光器热致双折射效应研究
时间相 比短 得 可 忽 略 不 计 ， 光 激
【 作者 简介 ｌ 倪巍． 工学 学士， 程师 女， 工
工 作 单 位 ： 乡 市计 量 技 术 测 试 所 。 通 讯 地 址 ： 新 ４ ３０ ５ ０ ０河南 省 新 乡 市 中 厨路 ２ ２号 ６ 【 摘 要 】 文 针 对 脉 冲 Ｎｄ ＡＧ 激 光 本 Ｙ 器 在 ｌＯ 重 复 频 率 状 志 下， 作 物 质 产生 的 Ｏ Ｈｚ 工
射率 的 光弹性变化 为 ：
１ 一
量、 限制激 光器 的连续 运 行 时 间等 。 所有 这 些 都 严 重 制 约 了 高 重 复 频
率 、 平 均功率 固体 激 光 的 应 用 与 大
发展 。热透镜 效应 可通 过 谐振 腔 型
的优 化设 计 加 以 补偿 ； 热 致 双 折 而
１
若假定 注入的平均电功率 的百
分之 五是 激 光棒 耗 散 的全 部 热， 则
（ ）式 可 变 为 ６
ｒ）
（） １
１ 简 介
其 中 ｋ 为 热 导 率 ， 为单 位 体 Ｑ 积 均匀发 热 的速 率， ０ ， 为棒 半径 。 可 以看 出 这 个 温 度 分 布 是 抛 物 线 状 的， 中心温度 最 高 。 棒 由于 棒 中产 生 的温 度 梯 度， 致 沿 径 向 各 点 的折 导 射 率 随温 度 发 生 变 化 ， 种折 射 率 这 变 化分布 由（ ） １ 式得 出为 ：
靠某一种 措施很难彻 底解 决。 ２理论 分析
△ ＝一
我们 针 对偏 振耦 台 输 出 的激 光谐 振 腔 ， 取 了 一 种 简 便 且 行 之 有 效 的 采
式 中 为 热 膨 胀 系 数， ｏ为 Ｙ ＡＧ激光棒 中心处 的折 射率， ，和 ｃ ｃ 口是 ＮｄＹＡ ： Ｇ光 弹性 系数 的函数。
热助推泵浦Nd_YAG激光器热性能研究
第40卷 第1期 激光与红外Vol.40,No.1 2010年1月 LASER & I N FRARE D January,2010 文章编号:100125078(2010)0120041203・激光器技术・热助推泵浦Nd∶Y AG激光器热性能研究晏思平,王德良,路英宾,王颖麟,高剑波,陈德章,卿光弼(西南技术物理研究所,四川成都610041)摘 要:采用热助推泵浦技术,实现了885nm LD热助推泵浦的板条Nd∶Y AG脉冲激光器运转。
从粒子跃迁机理上对热助推泵浦方式做了理论分析,并通过实验验证了885n m热助推泵浦相对于802n m泵浦的优势。
885nm热助推泵浦的光光效率比802nm泵浦方式提高了26%,废热产生则减少了约23%,结果表明热助推泵浦方案在热性能相对传统泵浦有明显的优势。
关键词:激光器;热效应;热助推泵浦中图分类号:T N248.1 文献标识码:AStudy on ther mal characteristi cs of Nd∶YAG l asersunder ther mally boosted pu mpi n gY AN Si2p ing,WANG De2liang,LU Ying2bin,WANG Ying2lin,G AO J ian2boCHE N De2zhang,Q I N G Guang2bi(South west I nstitute of Technical Physics,Chengdu610041,China)Abstract:Ther mally boosted pu mp ing sche me is adop ted,pulse laser e m issi on successfully is de monstrated in a slabNd∶Y AG crystal under LD ther mally boosted pu mp ing at885n m.Theoretical analysis of ther mally boosted pu mp inghas been done according t o particle transiti on,experi m ental comparing bet w een885nm ther mally boosted pu mp ingand802n m traditi onal pu mp ing has been done.The op tical2t o2op tical conversi on efficiency has increased26%thantraditi onal pu mp ing,and heat generated is about23%less than traditi onal pu mp ing.Results reveals that ther mallyboosted pu mp ing sche me has more advantage in ther mal characteristics than traditi onal pu mp ing sche me.Key words:lasers;ther mal effects;ther mally boosted pu mp ing1 引 言热助推泵浦方式是由以色列科研人员Raphael Lavi等提出的[1],是指将处于由基态能级受热分裂出的斯塔克能级上的激活离子直接抽运到激光上能级4F3/2,而传统泵浦方式是将基态能级中的激活离子抽运到能级4F5/2,再弛豫到4F3/2能级。
应用折射率负温度系数的固体元件补偿Nd：YAG棒激光器的热透镜效应
Ｔｈ ｅ ｒ ｍａ ｌ Ｌｅ ｎ ｓ Ｃｏ ｍｐ ｅ ｎ ｓ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｎｄ： ＹＡＧ Ｒｏ ｄ Ｌａ ｓ ｅ ｒ Ｕｓ ｉ ｎ ｇ Ａ Ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ Ｅｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｏ ｆ Ｎｅ ｇ ａ ｔ ｉ ｖ ｅ Ｔｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ Ｃｏ ｅ ｆｉ ｃ ｉ ｅ ｎ ｔ ｏ ｆ Ｒｅ ｆ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ Ｉ ｎ ｄ ｅ ｘ
Ａ 一 棒截 面积 ；
１ 引 言
在 高功率 固体 激 光 器 系 统 里 ， 一 个 主 要 的 问
题 是光泵 浦 激 光 介 质 材 料 中产 生 的热 效 应 ， 激 光 介 质受 热 引 起 热 畸 变 ， 导 致 光束 质量 的 变 差 。激 光 棒 中主要 的热 效 应 是 热 致 双折 射 和 热 透 镜 ， 可
和应力 变 化 ， 以及 棒 端 面膨 胀 。在 均 匀 泵 浦 激 光
棒 的情 况下 ， 热 透镜 焦距 由下 式给 出 ：
ｆ ＝ （ 号 ＋ ｏ ｌ Ｃ ｒ ， ｃ ｂ ｎ ３ ＋
其 中， 各符 号定 义如 下 １ ｊ ：
Ｋ 一 热导 率 ；
） ～㈩
浦功 率而 变化 。方 法 （ ４ ） 中， 激 活介 质 必 须置 于 真 空环 境 中防止 凝露 。
摘 要 ：将 Ｐ Ｍ ＭＡ， Ｐ Ｃ， Ｃ Ｏ Ｐ等 具 有 折 射 率 负温 度 系数 特 性 的 固体 光 学元 件 插 入 Ｎ ｄ： Ｙ Ａ Ｇ
固体 激光 器 的激光介 质 中， 可 以有 效补 偿激 光介 质 工作 产 生 的热 透镜 效 应 ， 优 化 光 束质 量 ， 并且 这种 方 法是 一 种动 态补偿 ， 不受 泵浦功 率 变化 的影； 折射 率 负温度 系数 ； 动 态补偿 中 图分 类 号 ： Ｔ Ｎ ２ ４ ８ 文献标 识码 ： Ａ
非球面透镜弥补棒状激光晶体热效应的研究
ｔ ｅ ｒ ｄ ｍ ｏ ｓｒ ｔ ｓ ｔ ａ ｏ ｈｏ ｙ ｅ ｎ ｔａｅ ｈ ｔ ｈ ｗ ｔ ｉ ｔｕ ｔ ｌｓ ｒ ｅ ｉ ｎ ｐｉ ｉａｉ ｎ．Ａｎ ａ ｐｈ ｒｃ ｉｇ ｅ ｓ ｅ ｉ ｎ ｄ ｔ ｏ ｎｓｒ ｃｅ ａ ｅ ｄ ｓｇ ｏ ｔ ｚ ｔ ｍ ｏ ｓ ｅ ｉ ｓｎ ｌｔ ｗａ ｄ ｓｇ ｅ ｏ ｃ ｍ ｐ ｎ ａ ｅ ｔ ｅ ａ ｆｅ ｔ ｆｒ ｄ— ｋ ｄ： ｏ ｅ ｓ ｔ ｈ ｒ ｌｅｆ ｃ ｓ ｏ ｏ ｌ ｅ Ｎ ＹＡＧ ．Ａ ｄ ｉ ｓ ｈ ｒｃ ｓ ｒａ ｅ ｔｐ ｓ ａ ｃ ｒ ｔｌ ｂａｎ ｄ． ｍ ｉ ｎ ｔＳ ａ ｐ ｅ ｉ ｕ ｆ ｃ ｙ ｅ ｗａ ｃ ｕ ａｅ ｙ ｏ ｔｉｅ
ｒ ｄ ｕ ｗａ ｃ ｌｕ ａｅ ｆ ｒ ｕ ｎ ｉ ｎ ｔ ｅ ｂ ｒａｉ ｎ ．Ａ ｔ ａ ｔ ａ ｕ ｓａ ｔａ ｅ ａ ｌ ｉ ｖ ｒｕ ｏ ａ ｉｓ ｓ ａｃ ｌｔｄ ｏ ｑ ａ ｔｆ ｇ ｈ ａ ｅ ｔ ｓ ｙｉ ｏ ｌ ｓ， ｓ ｂ ｔｎ ｉｌ ｘ ｍｐ ｅ ｎ ｉ ｅ ｆ ＯＰＤ ｔ
ｉｆｕ ｎ ｅ ｏ ｅ ｐ ｒ ｔ ｅ ｉｔｉ ｕ ｉｎ ｎ ｉ ｄ ｃ ｄ ｈ ｒ ａ ｔｅ ｓ ｉ ｅ ａ ｅ ｒ ｄ ｗ ｅｅ ｎ ｌｚ ｄ ｎ ｈ ｎ ｌｅ ｃ ｓ ｆ ｔｍ ｅ ａｕｒ ｄ ｓｒｂ ｔ ａ ｄ ｎ ｕ ｅ ｔｅ ｏ ｍ ｌ ｓｒ ｓ ｎ ｔ ｌｓ ｒ ｏ ｒ ａ ａ ｙ ｅ ａ ｄ ｔ ｅ ｈ ｉｄ ｘ ｉｔｉ ｕｉ ｎ ｎ ｈ ｅ ａ ｅ ｒ ｄ ｎ ｅ ｄ ｓｒｂ ｔ ｉ ｔ ｌｓ ｒ ｏ ｗ ａ ｏ ｔｉ ｅ ｗｈ ｎ ａ ｅ ｗａ ｏ ｅ ａｉ ． Ａ ｓ ｎ ｏ ｔｃ ｌ ｌｍ ｅ ｔ ｎ ｏ ｓ ｂ ａｎ ｄ ｅ ｌ ｓｒ ｓ ｐ ｒｔ ｎｇ ａ ｐ ｉａ ｅｅ ｎ ｉ
空气导热作用下Nd:YAG晶体温场特性
第 ３期
田 晓，等：空气导热作用下 Ｎｄ∶ＹＡＧ晶体温场特性
６８７
ａｍｅｔｈｏｄｆｏｒｆｕｒｔｈｅｒｐｒｅｃｉｓｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｏｔｈｅｒｌａｓｅｒｃｒｙｓｔａｌｓａｎｄｌａｙｓａｔｈｅｏ ｒｅｔｉｃａｌｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｌａｓｅｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌａｓｅｒ；ｃｒｙｓｔａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ；ａｎａｌｙｔｉｃｍｅｔｈｏｄ；Ｎｄ∶ＹＡＧｒｏｄｃｒｙｓｔａｌ；ｈｅａｔｅｆｆｅｃｔ
ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｏｆＮｄ∶ＹＡＧ ｃｒｙｓｔａｌ ｕｎｄｅｒａｉｒｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒ
ＴＩＡＮＸｉａｏ１ ，ＱＩＢｉｎｇ２ （１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＳｃｉｅｎｃｅ，Ｘｉ′ａｎＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ′ａｎ７１００７７，Ｃｈｉｎａ； ２．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＳｃｉｅｎｃｅ，Ｘｉ′ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ′ａｎ７１００５４，Ｃｈｉｎａ）
（１）
其中，Ｉ０为泵浦光强，ω是泵浦光光斑半径，ｋ为泵
浦光阶次。
相应泵浦光的功率为：
∫ Ｐ ＝
∞ ０
Ｉ０ｅ－２ωｒ２２ｋｋｄｒ，
（２）
由上式得泵浦光强：
∫ Ｉ０
＝ ２π
∞
Ｐ
，
ｅ－２ωｒ２２ｋｋｒｄｒ
０
（３）
ｕ（ｒ，ｚ）｜ｒ＝０ ＜＋∞，ｕ（ｒ，ｚ）｜ｒ＝Ｒ ＝０
τｕｚ｜ｚ＝０
＝ｈ（ｕ｜ｚ＝０
收稿日期：２０１８０８２１；修订日期：２０１８１０１２ 基金项目：西安航空学院博士及高层人才科研启动基金资助项目（Ｎｏ．２０６０１１６２５）
热透镜控制激光光束质量技术研究
热透镜控制激光光束质量技术研究屈鹏飞;王石语;过振;蔡德芳;李兵斌【摘要】Aiming at improving laser beam quality in designing high power end-pumped Nd:YAG laser, thermal lensing effect is employed to achieve high beam quality in Nd:YAG laserin this paper by placing two moreNd∶YAG crystals with different doping concentrations in the resonator.Under action of pumping light, thermal lensing generated from the Nd∶YAG crystal is used to shape special distribution of pump beam and fundamental mode beam.Tighter overlapping of both beams results in higher efficiency of pump power and better beam quality oflaser.Experimental results show special distribution of pump beam and fundamental mode beam can be shaped by thermal lensing effectively under different pump power.Two beams are matched closely at pump power of 200 W, and M2 is improved from 14.7 to 4.1.%在端面抽运固体激光器中,就如何改善在高抽运功率时输出激光的光束质量,提出一种激光器的设计方法.在激光器谐振腔中放入多根掺杂浓度不同的激光介质,利用激光介质内部产生的热透镜控制抽运光和基模振荡光的空间分布,并且最大限度地使抽运光的分布区和基模振荡光分布区重叠,实现抽运光与基模振荡光在空间上高度匹配,进而提高抽运光能量的利用效率和振荡光的光束质量.实验表明,在不同抽运功率下,抽运光和基模振荡光在晶体内部的光斑的空间分布可通过热透镜加以控制.在端面抽运功率200 W 附近时,实现了抽运光与基模振荡光较高程度匹配,光束质量因子M2由14.7改善为4.1.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2017(038)001【总页数】6页(P120-125)【关键词】固体激光器;热透镜;空间分布;光束质量【作者】屈鹏飞;王石语;过振;蔡德芳;李兵斌【作者单位】西安电子科技大学物理与光电工程学院,陕西西安710071;西安电子科技大学物理与光电工程学院,陕西西安710071;西安电子科技大学物理与光电工程学院,陕西西安710071;西安电子科技大学物理与光电工程学院,陕西西安710071;西安电子科技大学物理与光电工程学院,陕西西安710071【正文语种】中文【中图分类】TN248.1激光二极管(LD)抽运的全固态激光器(DPSSL)以其效率高、寿命长、结构紧凑、光束质量好等优点，被广泛应用于工业、医疗、科研、信息和军事等领域[1-5]。
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。
LD端面抽运变导热系数Nd:YAG晶体热效应
LD端面抽运变导热系数Nd：YAG晶体热效应李隆;甘安生;齐兵;支音;王良甚;史彭【摘要】In order to calculate temperature field and thermal distortion field of laser diode end-pumped Nd:YAG crystal, the temperature thermal model of the crystal was built under the condition of thermal isolation of the end face and constant peripheral temperature. Based on the function of temperature of the Nd-YAG crystal depending upon the thermal conductivity and thermal distortion coefficient, after the thermal model of heat conduction equations were solved by means of the Newton tangent method, the general equations of the temperature field and thermal distortion field of the end-pumped rectangular cross section Nd-YAG crystal with variable thermal conductivity and thermal distortion coefficient were obtained. Then the internal temperature field distribution and thermal distortion field were calculated under different of pump power and pump spot size. Results show that under the condition of 0. 01 Nd ion mass fraction, 60W pump power and 450μm pump spot radius, the maximum temperature rise on the end face of the Nd:YAG crystal in 3mm × 3mm x 8mm was 55. 7℃ , and the maximum thermal distortion was 2. 85μm. However, traditionally the thermal conductivity and thermal distortion coefficient were taken as constant, the maximum temperature rise on the end face of the Nd-YAG crystal was 43. 4℃ and the maximum thermal distortion was 2. 84μm.%为了计算二极管抽运Nd∶ YAG晶体温度场及热形变场,建立了端面绝热、周边恒温的晶体热模型.基于Nd∶ YAG晶体导热系数及热形变系数与其温度的函数关系,应用Newton切线法对热传导方程进行求解,得到了变导热系数和变热形变系数矩形截面Nd∶YAG晶体端面抽运下的温度场和热形变场的一般表达式,同时计算了Nd∶ YAG晶体在不同抽运功率和抽运光斑半径下内部温度场和热形变场的分布变化.结果表明,使用钕离子质量分数为0.01、尺寸为3mm×3mm×8mm的Nd∶ YAG晶体,在功率为60W、光斑半径为450μm 的抽运光照射下,变导热系数的Nd∶ YAG晶体端面最大温升为55.7℃,最大热形变量为2.85μm,而按传统将Nd∶ YAG晶体导热系数、热形变系数均视为定值时,晶体端面最大温升为43.4℃,端面最大热形变为2.84μm.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2012(036)005【总页数】5页(P612-616)【关键词】激光器;热效应;固体激光器;Nd:YAG晶体;导热系数【作者】李隆;甘安生;齐兵;支音;王良甚;史彭【作者单位】西安建筑科技大学理学院,西安710055;西安建筑科技大学应用物理研究所,西安710055;西安建筑科技大学理学院,西安710055;西安建筑科技大学应用物理研究所,西安710055;西安建筑科技大学理学院,西安710055;西安建筑科技大学理学院,西安710055;西安建筑科技大学理学院,西安710055;西安建筑科技大学应用物理研究所,西安710055;西安建筑科技大学理学院,西安710055;西安建筑科技大学应用物理研究所,西安710055【正文语种】中文【中图分类】TN248.1引言Nd∶YAG晶体量子效率高、受激辐射截面大，其结构利于产生高增益、低阈值的激光，成为目前应用于激光二极管抽运全固态激光器(diode pump solid-state laser，DPSSL)较为广泛的晶体之一[1]。
基于Nd_YAG热透镜效应的调Q激光器研究
基于Nd_YAG热透镜效应的调Q激光器研究基于Nd:YAG热透镜效应的调Q激光器研究摘要：调Q激光器是一种能够产生高脉冲功率的激光器，具有广泛的应用前景。
本文将探讨基于Nd:YAG热透镜效应的调Q激光器的原理、方法和研究进展。
首先介绍了Nd:YAG晶体的特性，包括其吸收、辐射和增益特性，以及热透镜效应的原理。
然后，详细讨论了调Q激光器的构造和工作原理，包括激光谐振腔、调Q元件和泵浦源。
接下来，重点介绍了热透镜效应的调Q激光器的研究进展，包括Nd:YAG晶体的温度调控、热透镜的优化和Q值调控等方面的研究。
最后，给出了当前调Q激光器研究的挑战和未来发展方向的展望。
关键词：调Q激光器、Nd:YAG晶体、热透镜效应、谐振腔、Q值调控1. 引言调Q激光器是一种能够产生高脉冲功率的激光器，具有狭窄的线宽和短脉冲宽度的特点，广泛应用于材料加工、医疗和科学研究等领域。
研究表明，基于Nd:YAG热透镜效应的调Q激光器具有较高的效率和稳定性，因此成为了当前研究的焦点。
2. Nd:YAG晶体的特性Nd:YAG晶体是一种常用的激光器材料，具有良好的光学和热学特性。
其吸收和辐射特性决定了其作为激光材料的可行性。
同时，Nd:YAG晶体还具有较高的增益系数和较长的荧光寿命，适用于高功率脉冲激光器的工作。
3. 调Q激光器的构造和工作原理调Q激光器主要由激光谐振腔、调Q元件和泵浦源组成。
激光谐振腔是调Q激光器的基本组成部分，通过反射镜和谐振腔的调Q元件组成一个光学反馈回路。
调Q元件可以调节激光器的脉冲宽度和脉冲重复频率，实现高能量脉冲的输出。
泵浦源是激活Nd:YAG晶体的能量源，通常使用激光二极管或氙灯等。
4. 热透镜效应的调Q激光器研究进展基于Nd:YAG热透镜效应的调Q激光器通过控制Nd:YAG晶体的温度，实现了对谐振腔模式的优化和调控。
研究人员通过调节晶体的温度梯度，可以实现横模抑制和横模抑制比的控制。
同时，进一步优化热透镜的结构和性质，也可以提高调Q激光器的性能和稳定性。
LD双面侧抽运Nd∶GGG热容激光晶体热分析
LD双面侧抽运Nd∶GGG热容激光晶体热分析辛宇;史彭;李隆;白冰;常锐【摘要】Based on the anisotropy semianalytical thermal analysis, the temperature field and thermal distortion of rectangle Nd:GGG crystal in a double side dislocation pumping laser was investigated. A maximum temperature rise of 309.73℃ happened on the front pumping face and the Gaussian radius w became 9. 00mm with two 300W laser diode arrays side-pumping Nd:CCG laser crystal. After analyzing the working characteristics of the laser crystal, a thermal model that matches actual situation of the laser crystal was established, and the analytical expressions of the temperature field and thermal distortion field of the rectangle Nd:GGG laser crystal were obtained. With double side dislocation pumping the rectangle Nd:GGG crystal for 10s, there happened maximum thermal distortion of 28. 97μm and a maximum optical path difference of 13. 02μm. After stopping pumping for 200s, the maximum temperature rise dropped to 1.01%. These results provide theoretical basis for the optimized design of LD double side pumped heat capacity lasers.%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28.97 μm,最大光程差为13.02μ m;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.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2011(035)006【总页数】5页(P787-791)【关键词】激光光学;热形变和光程差;半解析热分析理论;Nd∶ GGG热容激光晶体;双侧错位抽运;冷却阶段【作者】辛宇;史彭;李隆;白冰;常锐【作者单位】西安建筑科技大学理学院物理系,西安710055;西安建筑科技大学理学院物理系,西安710055;西安建筑科技大学理学院物理系,西安710055;西安建筑科技大学理学院物理系,西安710055;西安建筑科技大学理学院物理系,西安710055【正文语种】中文【中图分类】TN248.1引言固体热容激光器是有广阔应用前景的新一代激光器。
LD泵浦Nd：YAG热效应研究
模 光 斑 半径 较 大 ，从 而 使损 耗 大 为 增 大 ，输 出功 率急 剧下 降 ，以 致不 出光 如果利 用此原理测 量热 焦距 ，测量值 比
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算中我们取中间值 ４ ％， ３ ２ Ｃ３‘］ ８ ０ 乱＝ ． Ｔ’ － Ｉ， ｒｍ， ￣ 对于高功率泵浦的激光器， １０ ｔ ∞ ＝ｏ ｍ． 由以上参数可以求得在各个泵浦功率下 的热透镜焦距， 如图ｌ 所示 。
可 以以此来测量晶体热 透镜 焦距的大小 而事 实上 当 ｆ 大小接近 性长时 ，振 荡光基
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基于Hartmann-Shack波前传感器的Nd∶YAG激光器热焦距测量
基于Hartmann-Shack波前传感器的Nd∶YAG激光器热焦距测量郭宋明; 杨帆; 张楠; 卢佳琦; 崔建丰; 岱钦【期刊名称】《《沈阳理工大学学报》》【年(卷),期】2019(038)005【总页数】4页(P85-88)【关键词】热透镜效应; Hartmann-Shack; 激光【作者】郭宋明; 杨帆; 张楠; 卢佳琦; 崔建丰; 岱钦【作者单位】沈阳理工大学理学院沈阳110159【正文语种】中文【中图分类】TN248.1近年来国内外学者都致力于不断提高固体激光器的光束质量和输出功率，但在保证激光器拥有高光束质量的同时提高激光的输出功率却存在一定困难，其中主要困难来自于激光增益介质内热量的积累[1]。
激光器工作时，激光晶体吸收泵浦光能量，一部分转化为激光输出，另一部分转化为热量存在于晶体内，导致晶体温度分布不均匀，使其内部折射率呈梯度分布，致使介质内产生热透镜效应[2-3]，严重影响大功率激光器的光束质量，稳定性等[4]。
因此，研究激光器的热透镜效应及焦距的测量方法对于高功率固体激光器的研发十分必要。
关于固体激光器热透镜焦距的测量，已有大量的研究，提出了多种测量热透镜焦距的方法，如干涉法[5]、非稳腔法[6]、平行光探测法[7]等。
张行愚等[8]运用非稳腔测量Nd∶YAG晶体的等效热透镜焦距，所得的理论结果比实验结果大，存在一定误差。
樊红英等[9]运用Hartmann-Shack波前传感器对没有激光输出的高能灯泵浦钕玻璃固体激光器激光材料热效应进行了测量，在测量30～120m焦距的扩展测量不确定度达8.4%以下。
本文设计了Hartmann-Shack波前传感器测量光路，实时测量LD侧面泵浦Nd∶YAG晶体棒热焦距；通过测量光波前畸变，分析激光晶体热效应参量，实现了对Nd∶YAG激光晶体热焦距的实时测量。
1 实验原理及实验装置1.1 实验原理Hartmann-Shack传感器是一种测量波前畸变的仪器，其通过一个微透镜阵列将一个完整的波前分为若干个小的区域，把每一个独立的微透镜看作是一个微元并计算每一微元内波面的平均斜率。
热透镜效应补偿的高功率 Nd∶YAG 激光器的优化设计
热透镜效应补偿的高功率Nd∶YAG 激光器的优化设计吴羽;龙晓莉;焦中兴;何广源;张倩【摘要】In order to obtain 1064nm laser with high power and high beam quality , a laser resonator was designed to solve thermal lens effect with a concave lens as compensation lens .The selection of the compensationlens was analyzed .A Nd∶YAG laser with a compensation lens and a plano-plano cavity was verified in the experiment .High beam quality 55W1064nm laser was obtained when the focal length of the concave lens was 250mm and the transmittance of the output mirror was 30%.This researchis helpful to the design of laser resonators with high power and beam quality .%为了获得高功率、高光束质量的1064nm激光，采用凹透镜作为补偿透镜来补偿激光棒的热透镜效应。
对补偿透镜的选取进行理论分析，并使用所设计的包含补偿透镜的平平谐振腔Nd∶YAG激光器进行了实验验证。
在实验中，使用焦距为250mm的凹透镜、透过率为30％的输出耦合镜，获得了55W 的高功率、高光束质量的1064nm激光输出。
结果表明，此项研究对高功率、高光束质量激光器谐振腔的设计是有帮助的。
【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2015(000)003【总页数】4页(P377-380)【关键词】激光器;Nd∶YAG激光器;热透镜效应;光束质量;谐振腔【作者】吴羽;龙晓莉;焦中兴;何广源;张倩【作者单位】广州大学实验中心，广州510006;广州大学实验中心，广州510006;中山大学理工学院光电材料与技术国家重点实验室，广州510275;中山大学理工学院光电材料与技术国家重点实验室，广州510275;广州大学实验中心，广州510006【正文语种】中文【中图分类】TN248.1E-mail:****************二极管抽运Nd∶YAG激光器由于具有高功率、高效率、成本低廉、寿命长等优点，已经被广泛应用于工业生产、科学研究、医疗诊断、环境监测等领域。
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・激光器件与元件・刻螺纹对Nd :Y AG 晶体棒的热透镜效应影响实验研究高彦伟1,刘晓峰1,孙年春1,黄永宗2,李 斌31.四川大学,成都 610064;2.成都莱普科技有限公司,成都 610041;3.成都东骏激光有限责任公司,成都蒲江 611630提要:从理论上分析了Nd :Y AG 晶体棒内热传导过程以及影响冷却效果的因素,给出了表面刻上螺纹后,对Nd :Y AG 晶体棒的表面积和表面冷却换热方式的影响。
对热焦距进行了测量,与普通的棒的实验结果进行了对比,螺纹棒比普通棒的热焦距大12.9%。
用刻螺纹的方法可以增大晶体与冷却液的接触面积同时改变了对流传热方式,有效地降低了棒的热透镜效应。
关键词:固体激光器;对流换热系数;螺纹棒;热焦距中图分类号:TN 248.1 文献标识码:A 文章编号:0253-2743(2008)03-0006-02The experimental investigation of Nd :YAG grooved rods ’therm al focal distanceG AO Y an -wei 1,LIU X iao -feng 1,S UN Nian -chun 1,HUANG Y ong -z ong 2,LI Bin 31.S ichuan University ,Chengdu 610064,China ;2.Chengdu Laipu Science and T echnology C o.Ltd ,Chengdu 610041,China ;3.Chengdu D ongjun laser C o.Ltd Pujiang ,Chengdu 611630,ChinaAbstract :The process of heat of Nd :Y AG crystal rods and the factors of cooling efficiency are analyzed theoretically in this paper.The change of the surface area of Nd :Y AG crystal rods and the change of the style of thermal cooling exchange are studied as well.The thermal focal distances of grooved rod is measured.C om pare with the results of ordinary rods ,the result showes that the thermal focal distance has increased 12.9%.This method which groove screw thread can increase the contact area between the rod and the cooling liquid ,and change the m ode of heat convection ,decrease the thermal lens effects of the rods.K ey w ords :s olid -state laser ;convective heat -trans fer coefficient ;grooved rod ;thermal focal distance收稿日期:2008-03-05作者简介:高彦伟(1981-),男,汉族,河南驻马店人,四川大学在读硕士研究生,研究方向为激光与光通信。
双氙灯泵浦的ms 级脉冲Nd :Y AG 激光器在焊接和切割方面有广泛的应用。
闪光灯泵浦Nd :Y AG 激光棒的时候,只有大约3%〔1〕的泵浦光被有效利用转化为激光输出,其余的大约有14%的能量转化为激光棒组件上的热而散逸掉,这些通过激光棒耗散掉的热使得其温度升高。
这些热量将导致热透镜、应力、退偏、双折射等不良反应,这些效应使激光光束质量和输出功率下降,甚至造成工作介质破坏,严重限制了固体激光器的最大平均功率和亮度〔2〕。
文献〔3〕对Nd :Y AG激光器的热效应进行了计算模拟和实验研究;文献〔4〕和文献〔5〕用有限元分析法对侧面泵浦的Nd :Y AG 激光器的热效应进行了研究;文献〔6-8〕还对热效应现象对激光器的输出的影响进行了研究。
为使激光器持续稳定运转,必须及时有效地带走泵浦在工作介质中造成的无用热,一般情况下要对激光晶体棒和灯进行循环水冷却。
对影响侧面泵浦Nd :Y AG 螺纹晶体棒的冷却效果的因素进行理论分析,并对双氙灯泵浦螺纹棒的热焦距进行实验测量,与一般的激光棒进行对比,来验证加工螺纹的方式是否对激光器的热透镜效应有所改善很有意义。
1 理论分析激光棒因吸收泵浦光而产生的热是通过表面流过的冷却液冷却的,假设棒内部发热均匀,在光学无限长的圆柱棒表面的冷却也均匀,则热流限于径向,并且可忽略轴向上冷却温度的端面效应和小的变化。
以K 表示热导率,以Q 表示单位体积的均匀发热量,可根据一维传导方程得出圆柱棒的径向温度分布〔1,9,10〕:d 2T dr2+1rdT dr+QK=0(1) 方程的解给出了沿半径长度r 内任一点的稳定态温度。
以T (r 0)表示r =r 0的边界条件,T (r 0)为棒表面温度,r 0为棒的半径,则T (r )=T (r 0)+Q4K(r 20-r 2)(2) 温度分布呈抛物线,。
棒内的温度梯度并不是棒表面的温度T (r 0)的函数。
单位体积的发热可表示为Q =P aπr 0L(3) 式中,P a 为棒消耗的总热量,L 为棒的长度,棒的表面和棒的中心温差为T (0)-T (r 0)=P a4πK L(4) 棒与冷却液之间的传热使棒的表面与冷却液之间出现温差。
当内部吸收的总热量P a 等于冷却液表面带走的热量时,就达到稳定态。
P a =F α〔T (r 0)-T F 〕(5) 式中,T F 冷却液的温度,F 为激光棒与冷却介质接触的表面积,α为冷却介质与棒表面之间的热传导系数。
1.1 影响冷却效果的因素由式(5)可知,冷却效果取决于F 和α,同等条件下F 越大,α越大冷却效果就越好。
对流换热系数a 的大小反映了对流换热过程的强弱。
影响换热系数的因素有以下几个方面〔11〕:流动状态、流体的种类及物理性质以及换热表面的形状、尺寸和位置。
实验中流体为水,螺纹棒和普通棒的区别在于其与冷却液的接触表面积不同,以及刻上螺纹后棒表面水流动状态的改变。
螺纹棒的参数如下:尺寸Φ8×145mm 2,螺纹深度为0.1mm ,间距为0.6mm ,其照片如图1所示。
图1 螺纹棒照片单个螺纹的剖面图如图2所示,它的表面积应该是如图3所示的两个相等面积的扇环的面积,S =(S 1-S 2)其中:S 1=12Rl 1=12×4cos θ×2π×4=16πcos θS 2=12rl 2=12×3.9cos θ×2π×3.9=15.21πcosθ 其中θ=arctan 36 高彦伟等:刻螺纹对Nd :Y AG 晶体棒的热透镜效应影响实验研究 《激光杂志》2008年第29卷第3期 LASER JOURNA L (V ol.29.N o.3.2008)S=20.79πcosθ=15.69mm 2图2 螺纹棒单个螺纹的剖面图 图3 螺纹棒单个螺纹的展开图棒上刻螺纹的长度是L=125mm,所刻螺纹总数n=L/ 0.6=208,则螺纹棒的侧面总面积F=ns=3263mm2,普通棒的表面积F1=2πRL=3140mm2,表面积增加了4%。
流体的流动状态分为层流和湍流〔11,12〕,层流状态下,流体沿相互平行的流线循序渐进,成层运动,在垂直于流动的方向上,热量的传递只能通过流体内部的热传导。
在湍流状态下,流体中充满了漩涡,使流体微团穿过流线,因此,在垂直于流体运动方向上除了热传导以外,还因为强烈的混合运动而产生热量交换,使得对流换热过程大大加强。
激光棒的表面上刻上槽使得其表面的流体的流动状态由层流变成了湍流,增大了对流换热系数a,从而改善了冷却效果。
流体以湍流形态在圆管中的换热系数〔12〕:a=0.023λdRe0.8Pr0.4(6) 式中,λ为流体本身的导热系数,d为管的内径,Re是流体的雷诺准数,其形式为:Re=dωρμ ω为流体的流速,ρ为流体的密度,μ为流体的粘度。
Pr是流体的普兰特准数,其形式为:Pr=Cμλ C为流体的定压比热。
1.2 棒的热焦距由于棒内温度场分布的不均匀,内外材料由于温度差的存在而产生机械应力。
从而导致棒内各处的折射率由中心向外边缘逐渐减少,与r呈抛物线,即当光通过激光工作物质时,通过棒中心光线的光程大,通过棒边缘光线的光程小。
此时光通过激光棒的情况与通过透镜的情况极为相似,故称这种由热引起的效应称为热透镜效应。
其热透镜焦距〔3,9〕为:f=K AP a12dndt+aC r,<n30+ar0(n0-1)L-1(7)式中,dn/dt为折射率温度系数,C r,φ为由材料的光弹性系数决定的常数,A为棒的截面,P a为棒耗散的总热量。
从式中可以看出,热焦距f只与A和P a有关,因此要降低热透镜效应的影响,只有在A不变的情况下降低棒耗散的总热量P a。
注意到式(5)中所达到的平衡是动态的,当普通棒换成螺纹棒的时候,随着冷却效果的提高,即F和a的增大,冷却水带走的热量更多,这样棒耗散的总热量P a就随之减少,从而达到新的平衡。
式(7)中可知,不同条件下f随P a的减小而变大。
2 实验装置图4 热焦距实验装置图图4为测量热焦距的实验装置图,其中He-Ne激光器我们采用美国Mellesgriot公司的HRR050型激光器;其输出的波长为632.8nm的激光通过一个16倍的扩束镜再穿过双灯泵浦的Nd:Y AG激光棒,由于热效应光束经过Nd:Y AG晶体棒聚焦在接收屏上,此时棒中心到接收屏的距离即为棒的热焦距。
泵浦灯为脉冲氙灯,两支的最大注入功率为12kW。
聚光腔采用双椭圆镀金聚光腔。
激光晶体棒,实验中我们用了两支,均为成都东骏激光公司提供,一支为单掺的Nd:Y AG 晶体棒,尺寸是Φ8×145mm2;另一支棒也是Φ8×145mm2的单掺Nd:Y AG棒,但侧面加工有螺纹。
3 实验结果与分析频率为13H z,脉冲宽度为4.5ms时,改变输入电压,从240V到400V每隔20V测一次焦距,每改变一次输入电压,就在激光方向上来回缓慢移动接收屏找到焦点,测量并记录距离:换上螺纹棒,重复上述操作。