薄片激光器热效应及其对输出功率的影响

赵建涛; 冯国英; 杨火木; 唐淳; 陈念江; 周寿桓

doi:10.7498/aps.61.084208

摘要

建立了光强分布为高斯型的抽运光端面单程抽运时薄片激光器的温度模型, 实验测量了不同抽运功率下薄片介质表面的温度分布、温度随时间的变化特性以及介质表面的温度差. 采用Hartmann法测量了薄片介质的热焦距. 考虑热焦距随抽运功率的变化, 基于四能级系统薄片激光器的速率方程组, 建立了薄片激光器热效应对输出功率影响的物理模型, 薄片激光器输入-输出功率曲线与实际相符. 所得结果对薄片激光器的设计和优化具有一定的指导意义.

关键词:

Abstract

A temperature model for a end-pumped thin disk laser with Gaussian beam intensity distribution and single pass absorption performance is built up according to the actual working state. Using infrared thermal image, temperature distribution, temperature variation with time and the temperature difference of the surface laser medium are measured at different pump powers. Experiment on thermal lens focal length of the thin disk laser medium is performed by utilizing Hartmann-Shack wave-front sensor. Considering the fact that thermal lens focal length of the laser medium changes with pump power, the model for analyzing the influence of thermal effect on output power of thin disk laser is presented, according to rate equations. The simulation results obtained in this paper show satisfactory agreement with experimental results. The research has the guiding significance for designing and optimizing thin disk lasers

Keywords:

作者及机构信息

1.
四川大学电子信息学院, 成都 610064;

2.
中国工程物理研究院应用电子学研究所, 绵阳 621900;

3.
华北光电技术研究所, 北京 100015

基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 60890200, 10876022, 10976017 ) 和固体激光技术国家级重点实验室基金资助的课题.

Authors and contacts

1.
College of Electronics and Information Engineering, Sichuan University, Chengdu 610064, China;

2.
Institute of Applied Electronics, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China;

3.
North China Research Institute of Electro-Optics, Beijing 100015, China

Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 60890200, 10876022, 10976017) and the Foundation of National Key Laboratory of Solid-State Laser Technology, China.

参考文献

[1]	Giesen A, Hügel H, Voss A, Wittig K, Brauch U, Opower H 1994 Appl. Phys. B 58 365
[2]	Erhard S, Karszewski M, Stewen C, Giesen A 2000 Advanced Solid State Lasers (Davos: Optical Socity of American) p78
[3]	Speiser J, Giesen A 2007 Advanced Solid State Photonics (Vancouver: Optical Socity of American) WB19
[4]	Mende J, Speiser J, Spindler G, Bohn W L, Giesen A 2008 Proc. SPIE 6871 68710M-1
[5]	Mende J, Schmid E, Speiser J, Spindler G, Giesen A 2009 Proc. SPIE 7193 71931V-1
[6]	Shan X Y, Wei X Y, Wu N L, Li S Q 2004 Chin. J. Quantum Electron. 21 587 (in Chinese) [单欣岩, 魏晓羽, 吴念乐, 李师群 2004 量子电子学报 21 587]
[7]	Yao Z Y, Jiang J F, Tu B, Zhou T J, Pei Z P, Lei J, Lü W Q, Wu D Y 2007 Chin. J. Lasers 34 37 (in Chinese) [姚震宇, 蒋建锋, 涂波, 周唐建, 裴正平, 雷军, 吕文强, 武德勇 2007 中国激光 34 37]
[8]	Wang X J, Cai Z, Jiang J F, Tang C, To B, Jin Q W 2010 Opt. Lett. 35 3381
[9]	Liu Q, Gong M L, Pan Y Y, Li C 2004 Acta Phys. Sin. 53 2159 (in Chinese) [柳强, 巩马理, 潘圆圆, 李晨 2004 53 2159]
[10]	Yan X W, Yu H W, Cao D X, Li M Z, Jiang D B, Jiang X Y, Duan W T, Xu M J 2009 Acta Phys. Sin. 58 4230 (in Chinese) [严雄伟, 於海武, 曹丁象, 李明中, 蒋东镔, 蒋新颖, 段文涛, 徐美健 2009 58 4230]
[11]	Giesen A, Speiser J 2007 IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 13 598
[12]	Yang Y M, Xu Q M, Guo Z 2008 Acta Phys. Sin. 57 223 (in Chinese) [杨永明, 许启明, 过振 2008 57 223]
[13]	Gan A S, Li L, Shi P 2008 Acta Photon. Sin. 37 631 (in Chinese) [甘安生, 李隆, 史彭 2008 光子学报 37 631]
[14]	Li X L, Shi X C, Shi P, Guo M X, Zhang G F, Lu Y T, Hu Q Q 2001 Acta Opt. Sin. 21 1268 (in Chinese) [李小莉, 施翔春, 石鹏, 郭明秀, 张贵芬, 陆雨田, 胡企铨 2001 光学学报 21 1268]
[15]	Qiu H Q, Zhang B, Zhu S J 2008 Laser J. 29 8 (in Chinese) [邱海齐, 张彬, 祝颂军 2008 激光杂志 29 8]
[16]	Liu Q X, Zhong M 2010 Appl. Opt. 31 636 (in Chinese) [刘全喜, 钟鸣 2010 应用光学 31 636]
[17]	Wang S, Wang X, Kallmeyer F, Chen J, Elchler H J 2008 Appl. Phys. B 92 43
[18]	Fan T, Byer R L 1987 IEEE J. Quantum Electron. 23 605
[19]	Wang S, Chen J, Liu C, Hu M, Ge J H, Zhao G J, Xu J 2009 Chin. J. Lasers 36 23 (in Chinese) [汪莎, 陈军, 刘崇, 胡淼, 葛剑虹, 赵广军, 徐军 2009 中国激光 36 23]
[20]	Innocenzi M E, Yura H T, Fincher C L, Fields R A 1990 Appl. Phys. Lett. 56 1831
[21]	Blows J L, Omatsu T, Dawes J, Pask H, Tateda M 1998 IEEE Photon. Technol. Lett. 10 1727
[22]	Song F, Zhang C B, Ding X, Xu J J, Zhang G Y 2002 Appl. Phys. Lett. 81 2145
[23]	Guan J, Li J P, Cheng G H, Chen G F, Hou X 2004 Acta Phys. Sin. 53 1804 (in Chinese) [关俊, 李金萍, 程光华, 陈国夫, 侯洵 2004 53 1804]
[24]	Wu D E, Zhou R, Zhang X H, Ding X, Yao J Q, Yan C F, Zhang G Y 2006 Acta Phys. Sin. 55 1196 (in Chinese) [武丁二, 周睿, 张晓华, 丁欣, 姚建铨, 颜彩繁, 张光寅 2006 55 1196]
[25]	Yu J, Tan H M, Qian L S, Liu W R 2000 High Power Laser and Particle Beams 12 27 (in Chinese) [余锦, 檀慧明, 钱龙生, 刘伟仁 2000 强激光与粒子束 12 27]
[26]	Chenais S, Druon F, Forget S, Balembois F, Georges P 2006 Prog. Quanlum Electron. 30 89
[27]	Magni V 1986 Appl. Opt. 25 107

施引文献

[1]	Giesen A, Hügel H, Voss A, Wittig K, Brauch U, Opower H 1994 Appl. Phys. B 58 365
[2]	Erhard S, Karszewski M, Stewen C, Giesen A 2000 Advanced Solid State Lasers (Davos: Optical Socity of American) p78
[3]	Speiser J, Giesen A 2007 Advanced Solid State Photonics (Vancouver: Optical Socity of American) WB19
[4]	Mende J, Speiser J, Spindler G, Bohn W L, Giesen A 2008 Proc. SPIE 6871 68710M-1
[5]	Mende J, Schmid E, Speiser J, Spindler G, Giesen A 2009 Proc. SPIE 7193 71931V-1
[6]	Shan X Y, Wei X Y, Wu N L, Li S Q 2004 Chin. J. Quantum Electron. 21 587 (in Chinese) [单欣岩, 魏晓羽, 吴念乐, 李师群 2004 量子电子学报 21 587]
[7]	Yao Z Y, Jiang J F, Tu B, Zhou T J, Pei Z P, Lei J, Lü W Q, Wu D Y 2007 Chin. J. Lasers 34 37 (in Chinese) [姚震宇, 蒋建锋, 涂波, 周唐建, 裴正平, 雷军, 吕文强, 武德勇 2007 中国激光 34 37]
[8]	Wang X J, Cai Z, Jiang J F, Tang C, To B, Jin Q W 2010 Opt. Lett. 35 3381
[9]	Liu Q, Gong M L, Pan Y Y, Li C 2004 Acta Phys. Sin. 53 2159 (in Chinese) [柳强, 巩马理, 潘圆圆, 李晨 2004 53 2159]
[10]	Yan X W, Yu H W, Cao D X, Li M Z, Jiang D B, Jiang X Y, Duan W T, Xu M J 2009 Acta Phys. Sin. 58 4230 (in Chinese) [严雄伟, 於海武, 曹丁象, 李明中, 蒋东镔, 蒋新颖, 段文涛, 徐美健 2009 58 4230]
[11]	Giesen A, Speiser J 2007 IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 13 598
[12]	Yang Y M, Xu Q M, Guo Z 2008 Acta Phys. Sin. 57 223 (in Chinese) [杨永明, 许启明, 过振 2008 57 223]
[13]	Gan A S, Li L, Shi P 2008 Acta Photon. Sin. 37 631 (in Chinese) [甘安生, 李隆, 史彭 2008 光子学报 37 631]
[14]	Li X L, Shi X C, Shi P, Guo M X, Zhang G F, Lu Y T, Hu Q Q 2001 Acta Opt. Sin. 21 1268 (in Chinese) [李小莉, 施翔春, 石鹏, 郭明秀, 张贵芬, 陆雨田, 胡企铨 2001 光学学报 21 1268]
[15]	Qiu H Q, Zhang B, Zhu S J 2008 Laser J. 29 8 (in Chinese) [邱海齐, 张彬, 祝颂军 2008 激光杂志 29 8]
[16]	Liu Q X, Zhong M 2010 Appl. Opt. 31 636 (in Chinese) [刘全喜, 钟鸣 2010 应用光学 31 636]
[17]	Wang S, Wang X, Kallmeyer F, Chen J, Elchler H J 2008 Appl. Phys. B 92 43
[18]	Fan T, Byer R L 1987 IEEE J. Quantum Electron. 23 605
[19]	Wang S, Chen J, Liu C, Hu M, Ge J H, Zhao G J, Xu J 2009 Chin. J. Lasers 36 23 (in Chinese) [汪莎, 陈军, 刘崇, 胡淼, 葛剑虹, 赵广军, 徐军 2009 中国激光 36 23]
[20]	Innocenzi M E, Yura H T, Fincher C L, Fields R A 1990 Appl. Phys. Lett. 56 1831
[21]	Blows J L, Omatsu T, Dawes J, Pask H, Tateda M 1998 IEEE Photon. Technol. Lett. 10 1727
[22]	Song F, Zhang C B, Ding X, Xu J J, Zhang G Y 2002 Appl. Phys. Lett. 81 2145
[23]	Guan J, Li J P, Cheng G H, Chen G F, Hou X 2004 Acta Phys. Sin. 53 1804 (in Chinese) [关俊, 李金萍, 程光华, 陈国夫, 侯洵 2004 53 1804]
[24]	Wu D E, Zhou R, Zhang X H, Ding X, Yao J Q, Yan C F, Zhang G Y 2006 Acta Phys. Sin. 55 1196 (in Chinese) [武丁二, 周睿, 张晓华, 丁欣, 姚建铨, 颜彩繁, 张光寅 2006 55 1196]
[25]	Yu J, Tan H M, Qian L S, Liu W R 2000 High Power Laser and Particle Beams 12 27 (in Chinese) [余锦, 檀慧明, 钱龙生, 刘伟仁 2000 强激光与粒子束 12 27]
[26]	Chenais S, Druon F, Forget S, Balembois F, Georges P 2006 Prog. Quanlum Electron. 30 89
[27]	Magni V 1986 Appl. Opt. 25 107

[1]	庄英豪, 傅芸, 蔡伟, 张青松, 吴真, 郭林辉, 钟哲强, 张彬. 半导体激光阵列谱合束系统中光束串扰物理机制分析. , 2023, 72(2): 024206. doi: 10.7498/aps.72.20221783
[2]	曾滔, 董雨晨, 王天昊, 田龙, 黄楚怡, 唐健, 张俊佩, 余羿, 童欣, 樊群超. 极化中子散射零磁场屏蔽体的有限元分析. , 2023, 72(14): 142801. doi: 10.7498/aps.72.20230559
[3]	韩小英, 李凌霄, 戴振生, 郑无敌, 古培俊, 吴泽清. 一个快速模拟热稠密非平衡等离子体的碰撞辐射模型. , 2021, 70(11): 115202. doi: 10.7498/aps.70.20201946
[4]	陈巧, 邱基斯, 张旭, 葛文琦, 刘悦亮, 刘昊, 王昊成. 二极管叠阵侧面折返泵浦多边形薄片激光器. , 2021, 70(16): 164202. doi: 10.7498/aps.70.20210287
[5]	乔亮, 羊富贵, 武永华, 柯友刚, 夏忠朝. Tm,Ho双掺调Q激光系统理论与实验研究. , 2014, 63(21): 214205. doi: 10.7498/aps.63.214205
[6]	徐艳, 陈飞, 谢冀江, 李殿军, 杨贵龙, 高飞, 郭劲. 半导体抽运铯蒸气激光器阈值特性分析. , 2014, 63(17): 174201. doi: 10.7498/aps.63.174201
[7]	阮鹏, 谢冀江, 潘其坤, 张来明, 郭劲. 非链式脉冲DF化学激光器反应动力学模型. , 2013, 62(9): 094208. doi: 10.7498/aps.62.094208
[8]	母健, 冯国英, 杨火木, 唐淳, 周寿桓. 分区域主动冷却薄片激光介质的理论和实验研究. , 2013, 62(12): 124204. doi: 10.7498/aps.62.124204
[9]	王浩, 刘国权, 岳景朝, 栾军华, 秦湘阁. MacPherson-Srolovitz晶粒长大速率方程的仿真验证. , 2009, 58(13): 137-S140. doi: 10.7498/aps.58.137
[10]	王同喜, 关宝璐, 郭霞, 沈光地. 载流子输运和寄生参数对隧道再生双有源区垂直腔面发射激光器调制特性的影响. , 2009, 58(3): 1694-1699. doi: 10.7498/aps.58.1694
[11]	林燕凤, 张戈, 朱海永, 黄呈辉, 李爱红, 魏勇. Nd:YAG调Q激光器双波长振荡机理分析. , 2009, 58(6): 3909-3914. doi: 10.7498/aps.58.3909
[12]	陈钢, 庄德文, 张航, 徐军, 程成. 差分法求解时空分布的激光动力学模型. , 2008, 57(8): 4953-4959. doi: 10.7498/aps.57.4953
[13]	张新陆, 王月珠, 李立, 崔金辉, 鞠有伦. 端面抽运Tm，Ho∶YLF连续激光器的参数优化与实验研究. , 2008, 57(6): 3519-3524. doi: 10.7498/aps.57.3519
[14]	耿爱丛, 赵慈, 薄勇, 鲁远甫, 许祖彦. 一种测量二极管侧面抽运固体激光器热焦距的方法. , 2008, 57(11): 6987-6991. doi: 10.7498/aps.57.6987
[15]	张新陆, 王月珠, 李立, 鞠有伦. 端面抽运Tm, Ho:YLF激光器热转换系数及热透镜效应的研究. , 2007, 56(4): 2196-2201. doi: 10.7498/aps.56.2196
[16]	张新陆, 王月珠. 能量传递上转换对Tm，Ho：YLF调Q激光器上能级寿命的影响. , 2006, 55(3): 1160-1164. doi: 10.7498/aps.55.1160
[17]	吴朝晖, 宋峰, 刘淑静, 蔡虹, 苏静, 田建国, 张光寅. LD抽运Er3+，Yb3+共掺磷酸盐玻璃被动调Q激光器的理论分析和数值计算. , 2006, 55(9): 4659-4664. doi: 10.7498/aps.55.4659
[18]	张新陆, 王月珠, 鞠有伦. 能量传递上转换对Tm，Ho:YLF激光器阈值的影响. , 2005, 54(1): 117-122. doi: 10.7498/aps.54.117
[19]	付圣贵, 范万德, 张　强, 王　志, 李丽君, 张春书, 袁树忠, 董孝义. 光纤光栅选频掺Yb3+双包层光纤激光器. , 2004, 53(12): 4262-4267. doi: 10.7498/aps.53.4262
[20]	宋峰, 孟凡臻, 丁欣, 张潮波, 杨嘉, 张光寅. 1.54μmEr3+,Yb3+共掺玻璃激光器的速率方程及数值分析. , 2002, 51(6): 1233-1238. doi: 10.7498/aps.51.1233

计量

文章访问数: 8378
PDF下载量: 870
被引次数: 0

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

搜索

留言板