激光器的热透镜效应

新型光学谐振器和热透镜效应

Thomas Graf Rudolf Weber, and Heinz-P. Weber 应用物理研究所，Beme Sidlerstrasse 5大学，CH - 301 2 Beme，瑞士

概要

激光谐振腔支持稳定的振荡的最大功率范围主要是由活性介质（热）材料常数和冷却方法所决定。通过控制稳定的基本模式操作的功率范围，可以转移到更高的能量，具有特殊的腔设计和腔内光学但稳定范围的宽度不会受到影响。此外，在泵的活性介质强度增加也加剧了非球面元件的热诱导的扭曲。因此，开发新颖的谐振器时，分析这些热效应具有重大意义。我们目前对热诱导的扭曲，一种新型的多棒激光腔，变量配置的谐振器（VCR）进行分析。对热效应进行了数值模拟和实验的研究。我们目前对各种抽水和冷却方案进行比较后发现复合棒端面泵浦激光器提供最有效的冷却。VCR被开发调控基本模式激光器的功率范围。由于其能力作为法布里- 珀罗谐振器，它克服了稳定性与传统的多棒谐振器相关的问题，并允许一个新的Q开关技术作为一种环形腔运行。

关键词：固态激光器，二极管泵浦激光器，光学谐振器，热透镜效应，热致双折射。

1.介绍

二极管泵浦固态激光器，有着广泛的工业和科学应用。二极管激光器价格的不断下降，应用正在扩展到高功率范围。此外，泵浦方式的改善使二极管激光辐射高效和紧聚焦到激光材料。由于大量吸收功率，这将导致强烈的局部加热。因此，在固态激光材料的热效应已经获得了相当高功率，半导体激光泵浦全固态激光器作为一个发展中的关键问题的重要性被提高。

选中激光材料后，热效应只与冷却的方法有关，然后必须采用适当的谐振器设计。我们在下面的实验和数值调查报告二极管激光的热效应泵浦全固态激光器和特殊的光学谐振器的发展。热透镜效应和应力引起的双折射用于比较四种不同的冷却技术。完全验证的数值有限元（FE）代码，它也适用于区分不同的热透镜效应的贡献- 比如弯曲的表面和折射率变化与温度和应力性曲折分析高功率激光器的功率调整的极限。进一步的功率调节功能则需要使用更长的侧面泵浦激光棒多棒谐振器的使用。多棒谐振器特别适合规模在几十瓦的顺序输出功率，高光束质量的激光器的输出功率。在这种情况下，热扭曲分发到几个激光棒，在同一个腔泵的功率降低。我们报告一个独特的激光谐振腔，变量配置的谐振器（VCR），他具有反向泵浦多棒谐振器的可调性。特别是录像机的稳定性能与传统的多棒的法布里- 珀罗谐振解决了严重的稳定性问题，并允许一个新的Q开关技术。在下面的章节中，我们将首先考虑球面镜片的近似热引起的扭曲，并讨论TEM0模式激光器的规定下能量的限制。

我们对不同的激光棒的冷却方法进行了比较。热致双折射所造成的损失在短期内第3节中讨论。

2．近似球面透镜端面泵浦Nd ：YAG 激光器不同冷却方案 数值模拟比较采用热致端面泵浦Nd 束扭曲：YAG 激光棒图1所示为不同的冷却方法。首先FE 代码SESES 的数值计算结果与实验结果进行比较验证，然后比较采用不同的冷却技术，在相同条件下的有限元模拟。热诱导的平均镜头电源限制在本节结束讨论。

2.1．有限元计算验证

最常见的冷却方式激光棒是包裹在铟箔（我们的例子厚100pm ），并安装如图所示的冷却底座上。传热系数h=1.5W.c . 推导出铟棒表面接触系数。非制冷泵杆的表面，与周围的空气接触，只提供了一个非常薄弱的冷却(h = 0.005 W.cm^(-2).K^(-1)).在图1b 中，端面泵浦的杆在边缘和末端被水冷却（20毫米长，直径9.5毫米），如果水的流速是2L/MIN 并且冷却棒的直径是16mm 那么传热系数可以算出是h=1.0 W.cm^(-2).K^(-1)，在图C 中棒（20mm 长9.5毫米直径）仍然是与水直接冷却的边缘，但部分水冷却是依靠紧密安装在冷却泵浦表面泵杆面蓝宝石板（1毫米厚的），蓝宝石板表面进行了λ/10抛光。如果没有HR 涂激光波长的激光棒端面，蓝宝石板必须用AR 镀膜。由于高杆的表面质量和蓝宝石板，没有水渗入两种材料之间的区域。

表1：受调查的四个不同的冷却方法的计划，a ）“非致冷”：铟箔包裹的激光棒安装在水冷铜散热器，泵的表面未被致冷 b ）“水冷”：圆柱面和泵浦的激光棒的表面与水直接冷却 C ）

“蓝宝石板冷却”：蓝宝石板压住泵杆面，杆和部分蓝宝石板进行水冷却d ）“复合棒”：激光棒的两端未掺杂。棒是用水冷却的边缘。

图2：计算（线）和测量（点）根据非激射条件的OPD。（一）水冷式杆泵功率15 W。（二）蓝宝石板冷却泵功率15 W。（三）复合棒与泵浦功率25 W。虚线计算H =1.3 W.cm^(-2).K^(-1)) “（而不是1.0 W.cm^(-2).K^(-1))”。随着1 1/mim的水流量和冷却装置直径23毫米，推导出在与水接触的所有表面传热系数H =0.67 W.cm^(-2).K^(-1))

根据11/mm的水流量和一个直径23毫米的FBR冷却装置，推导出在与水接触的所有表面传热系数H =0.67W.cm^(-2).K^(-1)) ，最后，在1d图中的边缘冷却的激光棒泵浦末端部分是保持未掺杂的，直径为4毫米的复合棒由一个16毫米长，10.3％掺杂的中心部分，和每边5毫米的未掺杂部分，随着0.41/mm水流量和一个直径6毫米的冷却装置，推导出棒和水之间的传热系数h=1.0 W.cm^(-2).K^(-1))，我们将把这些不同的泵浦棒表面的冷却方法分别分为“非致冷”，“水冷却”，“蓝宝石冷却板”和“复合棒”，棒的中心使用DL-50泵浦其规模为0.96 x0.68 mm2，发散角是235 mrad x 96 mrad，在808纳米中心的相对广谱的1.04％掺杂棒的平均吸声系数为3.5c，对于10.3％掺杂复合棒，吸收系数为4.5 c

图2显示了空间分辨的干涉测量（点）和计算（实线）光学路径的差异，非激射条件下（OPD）在飞机具有较大的泵光斑直径的结果为三种情况（一）水冷却，，（二）蓝宝石板冷却，及（c）复合棒，很好的计算和测量OPD之间的办法是实现所有三种冷却方式。请注意，热透镜只依赖于OPD的形状，而不是其绝对值，。

一个理想的薄透镜OPD是抛物线形。正如在参考文献9所讨论的，在一阶近似，一个长度为L的纵向泵浦棒的热透镜可以形容为薄理想的镜头之间夹在两个不失真激光棒的长度为L/ 2件（空气中）。这个理想透镜近似焦距的解析表达式是：

其中P是吸收的泵浦功率，二是P的分数转换为热能，WP为泵点半径和C是一个常数称为特定的焦距。这种特定的焦距只取决于冷却方法和材料和激光棒的常量。常数，i在1.04%掺钕：YAG激光和非激光条件下，分别等于0.32和0.43，利用光束传播法，平均热透镜可

在激光条件下测得，等价于一个抛物线最小二乘拟合计算OPD。这分别产生了特定的焦距约2400,3300和2900mmW/mm2的水冷，蓝宝石板冷却，以及复合棒。从实验和FE代码的平均热透镜之间的协议在整个泵的范围内，所有的冷却方法，所有实验的几何实验中最好。这些值不能直接比较，因为实验条件和几何形状不同的冷却方法不相同。但良好的协议之间的

实验和数值模拟提供了良好的效果，FE代码产生逼真的效果，因此可以被用于不同的情况作进一步的数值分析。

2.2．冷却方法的比较

除了使我们能够比较在相同条件下的冷却方法，有限元分析允许获得热加载的激光棒的机械和光学性能的详细信息，单独的热透镜效应，如不同的贡献，弯曲的表面和应力引起的扭曲。如图1所示的四种不同的冷却技术相比，使用下列条件的Nd：YAG棒直径9.5毫米和20毫米的长度。复合棒由5毫米长的一块未掺杂的YAG激光泵浦棒为表面。表面与水和空气接触，其传热系数分别为0.67和0.005 W.cm^(-2).K^(-1))。15W吸收泵功率的泵模块有DL-50

光束特性和吸收系数3.5 c。

图3.屈光度功率，在Nd：YAG激光对不同的冷却方法分为从热的一部分，造成末端表面的弯曲。水泵功率：15瓦，棒直径：9.5毫米，泵的光斑直径：0.96毫米。杆与非致冷泵浦端面的温度分布计算，最高气温在端面中心与上述冷却水的温度最高值的59.5 K。任何冷却泵表面，大大降低了在杆的末端附近的温度。位于杆内部的是最高温度。水冷显示减少了约25％的最高温度。蓝宝石板冷却减少量约20％。取得最大的温度降低约35％的复合棒，是通过掺杂区流走热的一个重要组成部分。图3有四种不同的冷却方法的平均球面镜片比较。总屈光力（D= 1 / F）的热诱导镜头已被分隔在一个纯粹的热的部分，引起产生折射率的温度趋向性，以及泵浦端面弯曲的表面所造成的最终的效果。应力引起的折射率变化相对较弱，并没有热透镜显着的贡献。应力双折射是在第3节中讨论。由图3可见，镜头的热冷却方式的影响不显着。屈光度功率大约是所有的方法都是相同的，并有一个约2.2米（F =450毫米）的值。这意味着，径向温度梯度对所有冷却的方法泵当场程度几乎相同。相比之下，影响最终的效果是非常明显的冷却方法。泵浦表面的弯曲，从而相应的屈光度力量是非常强的非致冷杆和水冷仍然重要。但它大大减少蓝宝石板冷却，甚至是复合棒。

2.3．由于热透镜效应的功率限制

TEM00模半径内的光学谐振腔的热透镜的屈光度电源不同，测量的热透镜的变化位置显着，被无限的稳定范围的边缘，介于两者之间采用最低。屈光度的最大功率范围内，其中包含一个单一的热透镜激光谐振器（但不包括自适应光学）是稳定的，是由

其中D是热透镜屈光度功率而λ是激光波长。方程（1）给出了在激光棒的谐振支持稳定的振荡吸收功率范围的限制。对于一个具有N棒的激光谐振腔吸收稳定运行的最大总功率

范围，因此有

在整个稳定范围内运作的基本模式，谐振器必须设计TEM0模式的半径是永远不会小于泵光斑半径，即WP = WMM因此，基本模式操作的稳定范围是有限的到

由方程（4），没有量的腔设计，可避免此限制。其中一个谐振器支持稳定的基本模式振荡的功率范围是完全取决于激光棒，激光材料的具体焦距（因此冷却的方法和材料特性）和吸收小数?泵浦功率转换为热能。对于边缘冷却的Nd：YAG（TI= 0.32）杆无脸冷却（见图IA）

泵的最大功率范围内稳定的基本模式操作被认为是激光棒的19％，W（cf=1400 mm.W/m）在第4节讨论一种新型的谐振器，是专门为使用多棒谐振器的功率缩放的.

3．应力和应力双折射

虽然折射率的应力引起的变化不显着贡献的热透镜，他们有一个光的偏振的强烈冲击。应力双折射，因此可能导致显着的功率损耗

图4.。兆帕最高的主应力分布。两个等压线之间的差别是8.5兆帕。箭头指示的拉应力的最大值及其位置。水泵的功率是15瓦，集中到一个与直径的0.96毫米的点。吸声系数是

3.5c

图5.双折射非致冷端面泵浦功率在50 W的激光棒A）测量和B）与泵的光斑半径为0.5毫米计算。C）计算泵的光斑半径为1.5 mm的双折射。亮的地方对应的去极化损失。

激光谐振器与偏光元素。热致双折射是由于更强大的内在双折射，可以忽略不计非各向同性的激光基质材料。然而，由于激光棒断裂极限，热致应力，拉伸应力，特别是始终对泵浦功率的限制，YAG断裂极限约为150MPa的拉应力（负值对应的压应力）。对于不同冷却方法ND;YAG棒的最高压力分布将在图4讨论。晶体结构，泵浦功率和泵光束特性和前面的比较相同。大的拉应力出现在非制冷和水冷棒的情况下，最大值分别为为29 MPa和37 MPA，。这两种方法都显示泵的冷却水在压力的30％增加表面的中心附近发生最大应力。其他两个冷却方法显示出杆液压缸的表面，约2-3毫米，这是位于远离泵浦末端约14兆帕显着降低最大应力的地方。这些数字清楚地表明，固态冷却泵表面是非常有效地减少了在激光棒的拉伸应力。和50瓦的泵与双通后，在非制冷端面（图1A）的激光棒热致双折射偏光片有去极

化损失，如图5所示。定性测量（图5a）和模拟（图5b）的连接是目前正在开展的非常好

的定量比较。在图5a中出现热诱导的镜头的同心条纹。在计算结果只考虑了双折射。图5a 和5b，泵的功率是在一个半径为0.5毫米的泵产生。对于图5c泵心半径为1.5 mm。所有三个图片的晶体直径9.5为毫米。有限元模拟被用于比较不同的冷却方法下激光棒的去极化损失，对于一个固定的泵WP光斑半径=1毫米，一个15瓦的泵功率，三个不同情况下：非致冷端面，水冷端面的光束半径WB遭受损失的分布，和复合棒如图6所示。作为一个经验法则，人们发现，如果WP和WB都小于一半的激光棒的半径，那么复合棒导致去极化损失少。水冷或者非致冷方法在光束半径大于杆半径的一半的情况下受到青睐。综上所述，考虑到平均热透镜和热致双折射，复合棒将在端面泵浦激光器具有实际情况的最佳性能。我们还发现，

长度

图6交叉偏光片与光束半径不同的冷却方法的去极化损失。泵的光斑半径为1 mm和泵浦功率为15 W。

杆的掺杂的结尾部分不应该比激光棒半径短，以避免泵的端面弯曲。

热应力对最终的权力限制在激光材料的拉伸应力引起的断裂。对于侧泵浦Nd：YAG激光器在809 nm的泵浦，这个限制范围从150瓦左右，以每厘米的杆泵功率约300 W，主要取决于材料的质量和方法（如抛光或化学其表面蚀刻）。因此，进一步的功率调整涉及使用长棒多棒腔的发展。在下面一节讨论一种新型的多棒中的稳定性明显优于传统的线性的法布里- 珀罗多棒谐振腔。

4．可变配置谐振器

变量配置的谐振器（VCR），最初的开发是以缩放端面泵浦的基本模式激光器功率为目的。由于其特殊的稳定性能也非常适合侧面泵浦的高功率激光器的功率缩放。我们本来建议参考13这个新的谐振器架构，连同初步的实验结果。参考14有从优化设置的研究结果。VCR可以在法布里- 珀罗配置，或作为一个环形谐振振荡。由于在不同的两种配置稳定的条件下，VCR克服一些通常与法布里- 珀罗型多连杆谐振稳定性问题。随着普克尔盒VCR之间进行切换的两种配置（因此得名），它提供了一个新的Q开关技术的机会。相比之下线性多棒谐

振器，VCR，激光棒，由于谐振器的几何形状容易折叠所以很容易实现端面泵浦。VCR一个三杆的版本显示在图7a。三个激光棒（LC）端面泵浦泵束PB。要描述通过VCR的路径，它是有用的考虑之一VCR十字结构的边发生的事情。因为它有一个四分之一波片的双通镜子光偏振片P将反映在OC臂（在C臂或者OC臂的返回光路上安装偏光板。（量子阱的过程中）也将有其偏振翻转90 °。这意味着，光，如果最初通过偏振分束P传输，其返回到偏振片，反映，反之亦然。因此，每当有一个到位的四分之一波片的光将被迫入展VCR下一个臂，而不是回到它来自何处。如果在所有四个四分之一波板，轻者会遍历所有四个VCR臂序列。这意味着，该谐振器在环配置（往返行程：?????)。然而，四分之一波板在缺少一只臂时，反射的光线在镜边将从来处将其返回，因为它不会有其极化翻转。在这种情况下，我们有一个法布里- 珀罗谐振器没有底镜

图7.一）三杆版本变量配置的谐振器（VCR）。PB：泵束，立法会：激光晶体（杆），C：涂端面的激光棒（激光辐射AR泵辐射HR），P：偏振片。量子阱：四分之一为波板，OC输出耦合。二）稳定G -图VCR。灰色阴影区是稳定的法布里- 珀罗配置区域，点面积环配置的稳定区域。QS是一个合适的配置Q开关点。四分之一波片构成的法布里- 珀罗腔（往返，如果量子阱?缺少的两端：第十一??????).请注意，偏振片P和四分之一波片的量子阱之间的线性偏振模式并不是唯一可能的偏振态。一个详细的分析表明，也有一个圆极化模式，在P的位置，即模式可以描述为两个部分传播组件的线性叠加，但相互正交极化事实上，VCR都配置总是散发出完全非极化辐射。不同的可能适应VCR，使线性极化输出将在以后的篇章报告。录像机还可以扩展到超过三月底使用额外偏振片每增加偏振片P.的泵浦激光棒，激光棒的数量可以由两个增加。从图7a中可以看到，VCR的优势之一是它可以端面泵浦很容易，它允许高效的TEM0操作模式。在传统的线性多棒谐振器，棒，只能使用分色光束分离器耦合到激光轴泵辐射纵向泵浦。还值得一提的是，VCR热致双折射不会导致功率损耗。去极化光耦合谐振器，它只是在相反的方向传播。也许最有趣的VCR特性是在稳定的条件下，两种配置之间的差异。稳定的法布里- 珀罗配置情况。

其中，G1和G2是众所周知的谐振器的参数，是代表稳定，如图7b所示的G -图中的灰色阴影区域。它可以很容易地显示，环形谐振腔的稳定条件。

—2

这种稳定的条件是代表由图7b中的虚线区域，并提供了比传统的线性多棒的法布里- 珀罗

谐振器的重要优势。为了有一个单一的，连续功率范围内稳定的振荡，一个多棒的法布里- 珀罗谐振器必须满足以下条件：它必须是绝对对称的（G1，G2），所有的热透镜必须是平等的，热透镜等距离整个谐振器，以及飞机结束之间的距离镜腔和最近的热透镜必须正好是两个相邻的热透镜之间的距离的一半。只有在这些条件下，谐振器与不同的泵浦功率P1和P2（图7b）之间的直线，没有离开灰色稳定区域。更确切地说，与泵浦功率的增加，谐振器的G -图表示将P1和P2两个转折点之间和背部有多次有杆腔临行前在任P1或P2的稳定区域，只要一个轻微的不对称是这个谐振器，也不会再按照直线图7b，但遵循一个稍微复杂的跟踪，留在共聚焦点附近的每一个阶段（GI = G2= 0）的稳定区域，频率较低，在PI和P2点。对于一个有N个棒腔，由方程（4）稳定的振荡功率范围将被分成2N单独和小功率范围。可以从图7b点缀面积的非对称谐振器不会导致附近的焦点ifthe谐振环配置任何稳定性问题，因为点与G1= G2= 0的稳定区域中为环形腔。这意味着，VCR不仅是一个多棒谐振器，可以很容易地端面泵浦，它也解决了显着的稳定相关的问题与多连杆的法布里- 珀罗谐振。由于折叠的几何形状，它也可以让一个非常紧凑的设置。泵浦Nd：YAG激光棒VCR（3毫米直径，10毫米长）在我们的实验与光纤芯直径的光纤耦合二极管激光棒（JOLD- 15- CPXF- 1L，德国耶拿，德国）600时，数值孔径为0.2。非制冷泵的棒端面（图拉）。输出耦合器（OC），有80％的反射率。杆LC（X）的业主立案法团和结束之间的距离是14.5厘米和立法会?和LC?两端之间的距离29厘米。（环和法布里- 珀罗）在这两种配置，在泵的最大功率的激光棒（泵总功率为27瓦），9.0 W每一个基本模式，输出功率10W。这相当于一个良好的光效为37％。光- 光的斜率效率为53％。由于在第二单元中讨论的复合棒的优势，我们最近使用的Nd：YAG激光棒5毫米长的非掺杂结束。泵浦Nd：YAG激光棒VCR（3毫米直径，10毫米长）在我们的实验与光纤芯直径的光纤耦合二极管激光棒（JOLD- 15- CPXF- 1L，德国耶拿，德国）600pm和数值孔径为0.2。非制冷泵的棒端面（图拉）。输出耦合器（OC），有80％的反射率。杆LC（X）的业主立案法团和结束之间的距离是14.5厘米，LC和LC?末端之间的距离是29厘米。（环和法布里- 珀罗）在这两种配置，在泵的最大功率的激光棒（泵总功率为27瓦），9.0 W每一个基本模式，输出功率10W。这相当于一个良好的光效为37％。光- 光的斜率效率为53％。由于在第二单元中讨论的复合棒的优势，我们最近使用的Nd：YAG 激光棒5毫米长的非掺杂末端。随着复合棒的最大输出功率为16 W的法布里- 珀罗配置和15 W与环附近的基本模式的光束质量配置。这些结果是有限的38 W最大可用泵总功率（每份晶体12.7W）。光效率测定，分别为42％和39％的法布里- 珀罗和环配置。由于较大的比我们预期的基本模式的输出功率和40％以上的光学效率的20-30 W将与三杆VCR获得通过增加总的泵浦功率复合棒的焦距。

由于环和法布里- 珀罗谐振器不同稳定的条件下，VCR提供了一个新的Q开关技术的可能性。由此可以看出，从图7b，有稳定G -图VCR是稳定有一个配置，但在其他配置不稳定的地方。如果，例如，VCR是在QS图7b所示设立明显不对称谐振点运行，激光，是不稳定的法布里- 珀罗配置（低Q）和稳定环配置（高Q）。此配置的Q开关技术已被用来在VCR

包含三个钕：YAG激光棒与非致冷端面。随着泵总持续时间为20 ns和一个脉冲能量0.78mJ （因而峰值功率为39千瓦）的功率为24瓦，脉冲重复率在200赫兹。在6.7 kHz的重复率，平均输出功率为3.0 W与0.45兆焦耳/40 ns的脉冲。这些结果表明，配置Q开关是一种有效的重复Q开关为进一步优化设置提供承诺VCR激光的新方法。

5.高电源侧泵浦激光器

虽然基模激光器的输出功率可使用端面泵浦激光棒VCR，远高于缩放的权力，可以实现使用侧泵浦棒。与泵送方的主要问题是防止高的横向振荡腔的模式，以避免光束质量的退化。这涉及到双方的优化，泵的配置和谐振器模式的特点。为此，我们已经开发出一种新型泵和可扩展计划，我们称之为转导，并结合横向复合激光晶体中掺杂的YAG棒的掺钕核心，这是用来集中在该中心的增益激光介质。图8a所示的转导系统是在Paralas系统中使用的抽水计划的改善。Paralas激光输出功率205W，38％的光- 光效率。转导包括三个重点元素，允许地方三个二极管激光栈杆周围。这些栈通常提供约160W功率泵每堆叠高度（只有一个栈如图8a所示）每厘米。（慢轴）交界处的平面布置垂直轴杆。在这架飞机中，二极管的辐射聚焦到与杆轴的圆柱形玻璃表面。在快轴，二极管的辐射仅仅是局限于单片转导体的平面抛光。三倍的几何形状，确保同质抽杆的中心，因为一个堆栈产生的非均匀泵浦的效果，是其他两个栈补偿。一方面，这有助于减少热透镜的非球面像差。另一方面，它允许高效的激光棒抽水的要求，在不降低泵杆直径的几何重叠和激射模式的重大损失，位于中心转导杆本身和四周是由其中包含了冷却水的通道。请注意，这样的安排并不需要为快轴准直器等任何额外的光学，而无动于衷二极管不对。此外，它允许使用非常高的泵浦功率，单位杆长度。单位杆长度泵浦功率可以部分调整，通过适当选择的转导体的厚度。在目前的实验中，分别用三栈包含三个二极管激光棒。他们提供了一个泵总功率200瓦的转导体的厚度8毫米导致泵的最大功率每单位250 WIcm杆长度。在实验中使用的复合棒图8b所示。使用5％的输出耦合泵总功率200 W的19.6％，光- 光的斜率效率获得，这是与侧泵浦的配置相媲美的33.0 W 的最大输出功率与M2= 9复合板。

图.转导抽水计划（a）和侧面泵浦复合材料的Nd：YAG棒（二）与掺杂的YAG晶体中掺钕的核心

直径复合棒（4毫米），输出功率为58 W与=23。这意味着，虽然输出功率比较低，由于

减去总功率吸收的复合棒几何原因，亮度增加了4个因素复合棒。强调特定功能我们新颖的横向复合材料的Nd：YAG棒是使用氟化锂：F2腔被动Q开关晶体。结果发现，这进一步降

低了平均光束传播因子= 4低。改善侧泵浦激光器的光束质量的另一种方法是使用相位板

或分级相辉映。这些元素具有额外的好处，他们可以提供一个高的区别之间的横向模式，可用于生成定制设计的振幅分布的基本模式（如超高斯）。这提供了非常强大的方法来控制输出光束特性，特别是如果与适应机制相结合。这些元素的设计，需要精确的增益介质的热效

应引起的相位扭曲知识。进一步的实验和数值研究这些现象，因此具有重大意义。

6．结论

随着可以传递到激光介质的泵浦功率不断增加，热引起的扭曲和新型谐振器的发展概念，其中包括谐振器的结构，泵浦方式和冷却方法的详细分析- 越来越重要的。在这里，我们已经讨论了不同的冷却方式的热效应的数值模拟的帮助。结果发现，复合棒，大多数的实际情况提供最佳的端面泵浦激光器的性能。一种新型的具有独特的稳定性能和高功率激光器高光束质量的一个新的抽水方案的谐振器的概念已经提出。非球面元件的热扭曲，在更高的功率也应占。这很可能会涉及使用腔内相位板或分级，与具有自适应能力的理论相结合。

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by means of adaptive optics", Optics Communications, 155, pp. 99-106, 1998.

激光器的热透镜效应

新型光学谐振器和热透镜效应 Thomas Graf Rudolf Weber, and Heinz-P. Weber 应用物理研究所，Beme Sidlerstrasse 5大学，CH - 301 2 Beme，瑞士 概要 激光谐振腔支持稳定的振荡的最大功率范围主要是由活性介质（热）材料常数和冷却方法所决定。通过控制稳定的基本模式操作的功率范围，可以转移到更高的能量，具有特殊的腔设计和腔内光学但稳定范围的宽度不会受到影响。此外，在泵的活性介质强度增加也加剧了非球面元件的热诱导的扭曲。因此，开发新颖的谐振器时，分析这些热效应具有重大意义。我们目前对热诱导的扭曲，一种新型的多棒激光腔，变量配置的谐振器（VCR）进行分析。对热效应进行了数值模拟和实验的研究。我们目前对各种抽水和冷却方案进行比较后发现复合棒端面泵浦激光器提供最有效的冷却。VCR被开发调控基本模式激光器的功率范围。由于其能力作为法布里- 珀罗谐振器，它克服了稳定性与传统的多棒谐振器相关的问题，并允许一个新的Q开关技术作为一种环形腔运行。 关键词：固态激光器，二极管泵浦激光器，光学谐振器，热透镜效应，热致双折射。 1.介绍 二极管泵浦固态激光器，有着广泛的工业和科学应用。二极管激光器价格的不断下降，应用正在扩展到高功率范围。此外，泵浦方式的改善使二极管激光辐射高效和紧聚焦到激光材料。由于大量吸收功率，这将导致强烈的局部加热。因此，在固态激光材料的热效应已经获得了相当高功率，半导体激光泵浦全固态激光器作为一个发展中的关键问题的重要性被提高。 选中激光材料后，热效应只与冷却的方法有关，然后必须采用适当的谐振器设计。我们在下面的实验和数值调查报告二极管激光的热效应泵浦全固态激光器和特殊的光学谐振器的发展。热透镜效应和应力引起的双折射用于比较四种不同的冷却技术。完全验证的数值有限元（FE）代码，它也适用于区分不同的热透镜效应的贡献- 比如弯曲的表面和折射率变化与温度和应力性曲折分析高功率激光器的功率调整的极限。进一步的功率调节功能则需要使用更长的侧面泵浦激光棒多棒谐振器的使用。多棒谐振器特别适合规模在几十瓦的顺序输出功率，高光束质量的激光器的输出功率。在这种情况下，热扭曲分发到几个激光棒，在同一个腔泵的功率降低。我们报告一个独特的激光谐振腔，变量配置的谐振器（VCR），他具有反向泵浦多棒谐振器的可调性。特别是录像机的稳定性能与传统的多棒的法布里- 珀罗谐振解决了严重的稳定性问题，并允许一个新的Q开关技术。在下面的章节中，我们将首先考虑球面镜片的近似热引起的扭曲，并讨论TEM0模式激光器的规定下能量的限制。 我们对不同的激光棒的冷却方法进行了比较。热致双折射所造成的损失在短期内第3节中讨论。

中考物理专题光学教案光现象透镜及其应用

《光现象》复习教学案（2课时） 蒋中初三备课组 一.教学目标： 1、了解光的色散 2、知道光的三原色和颜料的三原色 3、知道红外线和紫外线以及它们的主要特征和应用 4、知道光的直线传播的条件并能用直线传播的原理解释一些现象 5、知道平面镜成像原理及其应用 6、掌握光的反射定律及了解其应用 二、知识回顾 1、______ 叫做光源。光源分为______ 禾廿___ 。 2、白色光不是单纯的光，它是由______________________________ 七种不同的色光组成， 当太阳光通过三棱镜后，会分解成七色光的现象叫_________________ 。首先用实验研究光的色散现象的是英国物理学家 ________ 。 3、光的三原色是指________________ 。颜料的三原色是指 ________________ 。 4、有色的透明物体只能透过________ 的色光，即透明物体的颜色是由色光决定的。 有色的不透明物体只能反射 _______ 的色光，不透明物体的颜色是由它__________ 色光决定 5、光具有的能量叫____ 。太阳的热主要是以_______ 的形式传送到地球上来的。 6、红外线能使被照射的物体发热，因此它具有____________ 效应；紫外线最显著的性质是 它能 ______________ 。 7、光在传播的过程中，如果遇到不透明的物体，在物体的后面不能到达的区域便产生了 影子，这说明光是 ___________________ 。 8、平面镜的成像特点是：①平面镜所成的像不能呈现在白纸上，是—像。②像的大小 与物体的大小 ________ 。③像与物的连线与镜面________ ④像到镜的距离与物到镜的距离 _______ 。⑤像与物以镜面_____________ 的。 9、在“研究平面镜成像的特点”实验中，在桌面竖立一块玻璃作为平面镜。实验时，要 使镜后的物体与镜前物体成的像重合，这是为了____________________________ ，从而发现的特点；如果用尺量出物、像到平面镜的距离则发现_______________ 的规律；如果用笔画出物、像对应点的连线，则发现物、像对应点的连线与镜面__________________ ;平面镜成的是 ______________ 像。

星载全固态激光器的实验研究

第38卷第3期红外与激光工程2009年6月Vol.38No.3Infrared and Laser Engineering Jun.2009 星载全固态激光器的实验研究 毕进子，马秀华，陈卫标 (中国科学院上海光学精密机械研究所，上海201800) 摘要：激光二极管抽运的全固态激光器具有体积小、质量轻、效率高的特点，是目前星载激光雷达系统的主要发射光源。介绍了一种基于传导冷却的LD阵列侧面抽运Nd:YAG晶体的Zig蛳Zag板条激光器。板条介质能够消除棒状介质带来的一阶热聚焦和应力退偏效应。采用55个准连续激光二极管沿板条晶体长度方向均匀排列，通过柱面镜耦合进行均匀抽运。Nd:YAG晶体的散热是采用与其热膨胀系数匹配的金属热沉由光泵背面将热量传导出去。LD阵列的散热是通过紫铜热沉传导到底板，再由热管传递出去。实验中使用平凹激光谐振腔，重复频率20Hz，获得单脉冲能量大于150mJ的激光输出，脉冲宽度10ns左右，光-光转换效率大于15%。实验表明：该激光器具有在太空中应用的潜力。 关键词：星载激光器；传导冷却；LD侧面抽运；空间激光雷达 中图分类号：TN24文献标识码：A文章编号：1007-2276(2009)03-0448-04 Experimental study of space蛳borne all蛳solid蛳state laser BI Jin蛳zi，MA Xiu蛳hua，CHEN Wei蛳biao (Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Shanghai201800，China) Abstract:Diode蛳pumped solid蛳state lasers are currently main optical source of space蛳based lidar system，because of its small volume,light weight and high efficiency.A conductively cooled diode arrays side蛳pumping Nd:YAG Zig蛳Zag slab laser was introduced.The slab geometry medium could eliminate the first order thermal lensing and depolarization effects of stress of rod geometry medium.55quasi蛳cw diode bars were placed symmetrically along the length direction of slab's crystal,and coupled through a cylindrical lens,uniformly pumping.Thermal conduction of Nd:YAG crystal was done on the reverse pumping face by metal cooling heat sink.The heat dissipation of diodes arrays was conducted to bottom through heat sink,transmitted out by heat pipes.A plane蛳concave rear mirror and a flat output coupler were used as laser resonator.The pulses had been obtained with energy of150mJ,repetition frequency of20Hz,pulse width of10ns.The optical to optical conversion efficiency was more than15%. Experiment results show that this laser is capable of use in space. Key words:Space蛳borne lasers;Conductively cooled;LD side pumping;Space蛳based lidar 收稿日期：2008-08-10；修订日期：2008-10-20 基金项目：国防科技预研基金项目 作者简介：毕进子（1976-），男，山东威海人，助理研究员，主要从事空间激光器和空间光学仪器结构设计与分析等方面的研究。 Email:mnibjz@https://www.doczj.com/doc/399050395.html,

完美透镜与负折射现象

完美透镜与负折射现象 一.引言 由于巨大的潜在应用价值,负折射现象引起了人们的浓厚兴趣。最重要的是负折射率介质在理论上可以实现完美透镜(Perfect lens) 。 完美透镜也称超级透镜（superlens），是左手材料即负折射材料（表观介电常数和磁导率同时小于0的材料）的一种应用，其作用是实现亚波长成像，因为一般情况下，我们用普通透镜只能观测到物体的大概信息，而物体的精细信息储存在倏逝波（亦称消失波）里，倏逝波进入透镜后，以e的负指数按距离衰减，所以使用普通透镜观测不到其上的精细信息，这就是瑞利判据的由来，而完美透镜可以将倏逝波传递并放大，使人们可以观测到物体表面的精细信息，突破了衍射极限，美国伯克利大学的张翔博士已经用银做出了这种透镜。 用无限大的负折射率介质板制成的完美透镜可将光束的各个角谱成分完美地聚焦于一点。聚焦光斑的精度可以达到小于波长的尺度。如果将其制成光学镜头,可以使DVD 的数据存储量扩大100 倍;如果应用于医疗高磁共振(MRI) 仪器,也将大大提图像的清晰度[7 ,8 ] 。负折射率介质大多为周期排列的微观金属单元结构,损耗高,且只能在微波段实现负折射,应用前景受到限制。最近Zhang等在实验中发现:光线在两个沿光轴成45°角切割的正折射率的单轴晶体界面出现了负折射现象,证明在不具有负折射率的介质中同样可以实现负折射,被认为是实现完美透镜的另一个重要尝试。Liu 等分析了单轴晶体中实现负折射入射角的范围,发现各向同性介质和单轴晶体界面也会同时出现负折射现象。本文进一步分析了在各向同性介质和单轴晶体界面实现负折射的最佳条件。能流在各向同性介质和单轴晶体界面实现负折射时入射角处于一个很小的范围内。为使单轴晶体中的负折射现象更为明显,总希望实现负折射的入射角范围更大一些。计算发现可以通过调节光轴角、各向异性参量以及各向同性介质的折射率使入射临界角达到最大值,获得实现负折射的最佳光轴角和最大入射临界角。单轴晶体中的负折射现象完全是由单轴晶体的各向异性决定的,在各向同性介质和单轴晶体界面能流可能发生负折射而波矢量仍然发生正折射,这和负折射率介质中的负折射性质[1～5 ] 不同。最后分析了单轴晶体中的能流负折射现象不能实现完美透镜。 二.单轴晶体中的光学传输性质 设单轴晶体无吸收、无旋光,其介电常量张量ε在主轴坐标系XOZ 中(参见图1) 可以表示为 其中no 和ne 分别为晶体中寻常光(o 光) 和非常光(e 光) 的主折射率;o 光的折射率不依赖于波矢k的方向, 其能流(坡印亭矢量) 可由S = E×H给出, S方向与波矢k方向一致, 这与各向同性介质中的光传输是一样的。e 光折射率不仅依赖于波矢k方向,而且能流S方向与波矢k方向存在离散角。引入传输坐标系xoz ,其中z 轴与晶体界面垂直,光轴位于xoz 平面内,φ为光轴和晶体界面的夹角即光轴角。传输坐标系xoz 是在主轴坐标系XOZ 基础上绕y 轴顺时针旋转了π/ 2 +φ得到的。不失一般性, 假设波矢也位于xo z 平面内( k t y = 0) ,则在两组坐标系中波矢满足变换关系

激光器的种类及性能参数总结

激光器的种类及性能参数总结 半导体激光器——用半导体材料作为工作物质的一类激光器 中文名称： 半导体激光器 英文名称： semiconductor laser 定义1： 用一定的半导体材料作为工作物质来产生激光的器件。 所属学科： 测绘学（一级学科）；测绘仪器（二级学科） 定义2： 以半导体材料为工作物质的激光器。 所属学科： 机械工程（一级学科）；光学仪器（二级学科）；激光器件和激光设备-激光器名称（三级学科） 定义3： 一种利用半导体材料PN结制造的激光器。 所属学科： 通信科技（一级学科）；光纤传输与接入（二级学科） 半导体激光器的常用参数可分为：波长、阈值电流Ith 、工作电流Iop 、垂直发散角θ⊥、水平发散角θ∥、监控电流Im 。 （1）波长：即激光管工作波长，目前可作光电开关用的激光管波长有635nm、650nm、670nm、激光二极管690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等。 （2）阈值电流Ith ：即激光管开始产生激光振荡的电流，对一般小功率激光管而言，其值约在数十毫安，具有应变多量子阱结构的激光管阈值电流可低至10mA以下。 （3）工作电流Iop ：即激光管达到额定输出功率时的驱动电流，此值对于设计调试激光驱动电路较重要。 （4）垂直发散角θ⊥：激光二极管的发光带在垂直PN结方向张开的角度，一般在15?~40?左右。 （5）水平发散角θ∥：激光二极管的发光带在与PN结平行方向所张开的角度，一般在6?~ 10?左右。 （6）监控电流Im ：即激光管在额定输出功率时，在PIN管上流过的电流。 工业激光设备上用的半导体激光器一般为1064nm、532nm、808nm，功率从几瓦到几千瓦不等。一般在激光打标机上使用的是1064nm的，而532nm的则是绿激光。 准分子激光器——以准分子为工作物质的一类气体激光器件。 中文名称： 准分子激光器 英文名称： excimer laser 定义：

培优------透镜基本知识与提高(学生版)

培优------透镜基本知识与提高 基本概念： （一）折射现象： 1. 光由一种介质进入另一种介质，传播方向发生改变的现象叫折射现象，折射光线与法线的夹角叫折射角。 2. 折射规律： （1）光从空气斜射入水或其它介质中时，折射光线、入射光线和法线在同一平面内，折射光线与入射光线分居在法线的两侧，折射角小于入射角； （2）当入射角增大（减小）时，折射角也随之增大（减小）； （3）两点结论： a. 当光由空气射向其它介质时，折射光线靠近法线偏折；当光由其它介质射入空气时，折射光线远离法线偏折； b. 折射现象中，光路是可逆的。 3. 折射成像： （1）光通过两种介质要发生折射； （2）人眼判断物体位置要根据光的直线传播原理。 （二）透镜：折射面是两个球面的透明体。 1. 透镜的种类： （1）凸透镜：中间厚边缘薄。（2）凹透镜：中间薄边缘厚。 2. 透镜对光的作用： （1）凸透镜使光线会聚，又叫会聚透镜。（2）凹透镜使光线发散，又叫发散透镜。 3. 透镜的几个概念： （1）薄透镜：厚度远小于球半径；（2）主光轴：过两个球面球心的直线（点划线）； （3）光心：透镜的中心；（4）焦点： a. 平行于主光轴的光线通过凸透镜后会聚于主光轴上一点，这点叫做凸透镜的焦点； b. 平行于主轴的光线通过凹透镜后发散的折射光线的反向延长线交主光轴于一点，这点叫做凹透镜的虚焦点。 c. 透镜两侧共有两个焦点。 （5）焦距：焦点到光心的距离。 a. 若透镜的两个球面对称，则两侧焦距相等； b. 焦距越小，透镜的会聚（发散）本领越大。 4. 三条近轴光线： 入射光线（延长线）折射光线（反向延长线） 1 平行于主光轴过焦点 2 过焦点平行于主光轴 3 过光心直线传播 （三）凸透镜成像规律： 1. 当物体在2倍焦距以外时，在凸透镜另一侧1、2倍焦距之间成倒立缩小的实像。

声光器件中的热学效应

第4期阎永志:高新技术动态285 高新技术动态 声光器件中的热学效应 阎永志 声光器件是指利用光弹效应的一类光功能器件。这种光弹效应是利用声波被施加到光学媒质上,从而改变光学媒质折射率来实现的。在激光调制、偏转、可调谐滤光以及利用多谱勒效应的光外差干涉等许多方面,声光器件有着广阔的应用前景。 然而,在声光器件的设计、制作和应用中,作为一种有源器件所特有的热学问题往往为人们所忽视,由此而造成的损失可想而知。例如,通过声光器件控制的激光束进行精细加工或光学测量时,声光器件中产生的热学效应将导致光束位置位移、自聚焦等。在大功率激光作用下,声光器件中除产生增透膜和光学媒质破坏等光损伤外,还可能产生光学媒质的热感应双折射变化。为了提高和改变国内声光器件的设计水平与应用效果,充分发挥其多功能作用,文章将简要介绍体波声光器件中的热学效应。 1　激光束的位移特性 高频电功率被施加到声光器件压电换能器上时,由于机电转换作用,压电元件将产生发热现象。同时,伴随着超声波在光学媒质中传播,部分超声波被媒质所吸收。上述热源的存在均可导致光学媒质中缓变性温度梯度的出现。 温度梯度的存在和发展与光学媒质的密度 、比热C、热传导率 有关,即热扩散率a = / C,同时还将涉及折射率n和折射率的温度变化(d n/d T)等光学参数。 国外学者对Ao T—40、AoT—5、合成石英、PbM oO4和T eO2等声光媒质施加高频(80M Hz)电功率0.5W,用斐索(Fizen)干涉计观察到透过激光光波面的畸变现象。这种畸变来自于温度梯度变化T引起的光程长度变化S S=L (d n/d T) T+ L n a T= L T (d n/d T+na)(1)其中L为光在媒质中的光程。式(1)中(d n/ d T+na)为光程长度温度系数,用几何长度规一化表示为d(n L)d T=S/T L。用式(1)计各各种光学媒质的S值发现除Pb-Mo O4的S为负值外,其余均为正值。这表明PbM oO4对于温度变化呈“凹透镜效应”(发散),而其他光学媒质则呈“凸透镜效应”(聚焦)。 有人采用入射He-Ne激光的PSD半导体器件对各种媒质的声光器件进行试验,分别测量对应于高频电功率的激光(一次衍射光)束位置的位移。此位移定义为被测量点(到x-y平面原点的距离r=(x2+ y2)0.5)与声光器件间的角位移。试验结果表明,PbMo O4的激光束位置的位移很大(0.4 mrad),而A07—40则很小(0.04mr ad),各种光学媒质的激光束位置位移值倾向为: A07—40—AOT—5<合成石英

高稳定全固态绿光激光器的研究

高稳定全固态绿光激光器的研究 -------------------------------------------------------------------------------- 来源: 雅信通 霍玉晶何淑芳林彦 北京清华大学电子工程系固体激光与光电子技术研究所 前言 全固态绿激光器具有能量转换效率高、功率大、光束质量好、体积小、寿命长、使用方便等优点，在彩色显示、激光医疗、水下通讯等方面有重要的应用，是国内外光电子技术研究与开发的热点之一。全固态腔内倍频绿激光器通过高效率的腔内倍频获得绿激光输出，它的结构紧凑，转换效率高，是获得绿激光的主要器件之一。但是此类绿激光输出功率波动一般都很大。腔内倍频绿光激光器输出功率的稳定性成为目前全固态绿光激光器的研究重点课题之一[1,2]。 本文报到我们研制的全固化微型全固态绿光激光器和分离元件的全固态脉冲绿光激光器，以及提高它们输出功率稳定性的最新结果。 1、全固化的微型全固态连续绿光激光器 在本文中，“全固化”是指激光头的全部元件被用环氧树脂粘合为一个整体，整个器件中没有任何需要调整的元件，这种器件的使用十分方便。本文研制的全固化的微型全固态连续绿光激光器采用LD端面抽运Nd:YVO4激光晶体得到1064nm近红外激光，再用KTP晶体作腔内倍频得到532nm绿激光输出。其原理如图1所示。 它采用北京半导体研究所生产的808nm的1W的LD作为抽运光源。由于所用LD的输出功率比较小，因此提高器件的光－光转换效率是提高器件性能的关键。为此，采用半导体制冷器作为温度控制元件，对LD的温度进行控制，以使其工作波长和激光晶体的吸收波长峰值准确重合，提高对抽运光的吸收效率。在本实验中把LD的工作波长调整到808.5nm。采用中科院福建物构所生产的Nd:YVO4晶体作激光介质，掺杂浓度为3at％，a轴方向切割，长度为1mm，横截面尺寸为3×3mm2。采用端面同轴抽运方式使LD的抽运光束和所产生的1.064mm激光光束在空间上更好地耦合，以提高抽运效率。采用焦距为3mm的非球面透镜把LD的光束聚焦到Nd:YVO4晶体内部，焦点处光斑直径为100mm，抽运光从LD到Nd:YVO4晶体内部的总耦合效率为92％。采用平凹稳定型谐振腔提高器件的效率和稳定性。为了提高抽运光利用率，采用凹面后反射镜和平面输出镜组成激光谐振腔。Nd:YVO4晶体的入射端面是曲率半径为50mm球面。后反射镜直接镀制在此面上。它对1064nm的反射率>99.8%，对808nm光的透射率>99.5%。Nd:YVO4晶体的另一端为平面，镀同时对1064nm和532nm 的双波长增透膜，剩余反射率<0.25%。平面输出镜对1064nm光的反射率>99.8%，对532nm 光的透射率>97%。平面输出镜的背面镀有对532nm光的增透膜，剩余反射率<0.25%。采用北京人工晶体研究院生产的KTP倍频晶体作腔内倍频器，按类临界相位匹配角切割，它的横截面为3×3mm2，通光方向长5mm，两个通光面同时镀对1064nm和532nm的增透膜，每个面的剩余反射率<0.25%。为了提高器件的稳定性，用环氧树脂把全部元件粘接为一个整体，同时用一个半导体致冷器对它们进行整体控温。HSH型微型绿激光器的外形尺寸如图2所示。可以看到，它的体积很小，使用是很方便的。 用滤光器滤除输出光束中的808nm的抽运光和1064nm的基频光后，用Ocean Optics, Inc. 公司的HR2000CG-UV-NI光谱仪测量绿激光的波长，用清华大学研制的HH型F－P共焦球面扫

光现象及透镜知识点

《光现象》重难点精讲 一、光的传播： 1、光源：能发光的物体叫做光源。 光源可分为天然光源（水母、太阳），人造光源（灯泡、火把）; 月亮、钻石、镜子、影幕不是光源。 2、光在同种均匀介质中沿直线传播； 应用：小孔成像：像的形状与小孔的形状无关，像是倒立的实像（树阴下的光斑是太阳的像）。 实像：由实际光线会聚而成的像。 注意：①小孔成像的条件：孔的大小必须远远小于孔到发光的距离及孔到光屏的距离。 ②像的大小与发光体到孔的距离和像到孔的距离有关，发光体到小孔的距离不变，光屏远离小孔， 实像增大；光凭靠近小孔，实像减小；光屏到小孔的距离不变，发光体远离小孔，实像减小；发 光体靠近小孔，实像增大。 （2）取得直线：激光准直（挖隧道定向）；整队集合；射击瞄准； （3）限制视线：坐井观天、一叶障目； （4）影的形成：影子；日食（太阳月球地球）、月食（月球太阳地球） 3、光线：常用一条带有箭头的直线表示光的径迹和方向；（是理想化物理模型，非真实存在） 4、所有的光路都是可逆的，包括直线传播、反射、折射等。 5、光速：真空中光速是宇宙中最快的速度；c=3×108m/s=3×105 m/s; 光年：是光在一年中传播的距离，光年是长度单位； 声音在固体中传播得最快，液体中次之，气体中最慢，真空中不传播； 光在真空中传播的最快，空气中次之，透明液体、固体中最慢（二者刚好相反）。 光速远远大于声速（如先看见闪电再听见雷声；在跑100m时，声音传播时间不能忽略不计，但光传播时间可忽略不计）。 二、光的反射： 1、当光射到物体表面时，被反射回来的现象叫做光的反射。 我们看见不发光的物体是因为物体反射的光进入了我们的眼睛。 2、反射定律：（1）在反射现象中，反射光线、入射光线、法线都在同一个平面内； （2）反射光线、入射光线分居法线两侧； （3）反射角等于入射角。(说成入射角等于反射角是错误的，注意因果关系)

5.1透镜练习题

八年级物理上册第五章透镜及其应用测试题（A） 时量：60分钟满分：100分 一、选择题（13×3分） a b 1．如图所示，为两个透镜的示意图，则（） Ａ．a为凸透镜，b为凹透镜 Ｂ．a为凹透镜，b为凸透镜 Ｃ．a、b均为凸透镜 Ｄ．a、b均为凹透镜 2．修理精密仪器的工人往往会在眼睛上嵌一个带镜头的筒，以便于更仔细地观察零件，这里的镜应该是一个 （） Ａ．凹面镜Ｂ．凸面镜Ｃ．凹透镜Ｄ．凸透镜 3．一根蜡烛从很远的地方逐渐移向凸透镜的焦点，关于其像的大小及像与凸透镜之间的距离变化的分析正确的是 （） Ａ．像逐渐变大，像与凸透镜的距离也逐渐变大 Ｂ．像逐渐变大，像与凸透镜的距离逐渐变小 Ｃ．像逐渐变小，像与凸透镜的距离也逐渐变小 Ｄ．像逐渐变小，像与凸透镜的距离逐渐变大

4．如右图在一块玻璃砖内，一束平行光线恰好正对着玻璃内铁饼形状的空气泡射去，则光束通过空气泡 （ ） Ａ．仍为平行光束； Ｂ．变为发散光束； Ｃ．变为会聚光束； Ｄ．无法确定。 5．如图纸筒A 的一端蒙上了一层半透明纸，纸筒B 的一端嵌了一个凸透镜，两纸筒套在一起组成一个简易照相机，观察时应 （ ） Ａ．眼睛应对着B 端向筒内观察，看看像是否清楚 Ｂ．应把A 端朝着明亮的室外，B 端朝着较暗的室内，否则看不清楚 Ｃ．应把B 端朝着明亮的室外，A 端朝着较暗的室内，否则看不清楚 Ｄ．如果看近处的景物时像很清楚，再看远处的景物时应把B 端向外拉 6．关于实像与虚像的说法中，正确的是 （ ） Ａ．虚像总是放大的，实像总是缩小的 Ｂ．虚像总是正立的，实像总是倒立的 Ｃ．虚像只能通过眼睛观察，实像通过光屏后也可看到 Ｄ．光的反射成虚像，光的折射成实像 7．在光屏上能成等大像的镜子是 （ ） Ａ．只能是平面镜 Ｂ．只能是凸透镜 Ｃ．凸透镜平面镜都行 Ｄ．凸透镜平面镜都不行 8．下列哪一个是凸透镜不能成的像 （ ）

刻螺纹对Nd_YAG晶体棒的热透镜效应影响实验研究

?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3 1.四川大学,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)03-0006-02 The experimental investigation of Nd :YAG grooved rods ’therm al focal distance G AO Y an -wei 1,LIU X iao -feng 1,S UN Nian -chun 1,HUANG Y ong -z ong 2,LI Bin 3 1.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,China Abstract :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 dr 2+ 1r dT dr +Q K =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)+ Q 4K (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 a πr 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 a 4πK 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 θ S 2=12rl 2=12×3.9cos θ×2π×3.9= 15.21πcos θ 其中θ=arctan 3 6 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)

非线性折射率效应

第五章 非线性折射率效应 重点内容： 光学克尔效应——光致非线性折射率，0n n n =+?，非线性折射率与光强 成正比，n I ?∝。讨论自作用和互作用两种光克尔效应。 自聚焦效应——高斯光束横向光强分布不均匀性引起光束自聚焦或自散焦。讨论稳态和动态理论，及相关的时间和空间自相位调制现象。 5.1 光学克尔效应 光学克尔效应与克尔电光效应，两个效应基于不同机理： 克尔电光效应——线偏振光通过加有静电场的透明介质（如玻璃）感生双折射，变成椭圆偏振光的现象。两垂直偏振的o 光与e 光的折射率的差与外加电场强度成正比，0n ?∝Ε。这是线性光学效应。 光学克尔效应——光电场直接引起的折射率变化的效应，其折射率变化大小与光电场的平方成正比，2 n E ?∝。n ?称为非线性极化率，相应于三阶折射率实部的变化，是三阶非线性光学效应。被称作光学克尔效应，或简称为克尔效应。具有克尔效应的介质称为克尔介质。 演示光克尔效应，需要两种光： 泵浦光——产生非线性极化率的强光； 信号光——探测非线性极化率的弱光。 产生非线性极化率的方式不同，有两种光克尔效应： 自作用光克尔效应： 用信号光本身的光强泵浦，引起相应于信号光频率ω的介质折射率变化，同时由信号光直接探测。 交叉（互）作用光克尔效应： 用频率（'ω）不同（或偏振方向不同）的强泵浦光，引起相应于信号光频率ω的介质折射率变化，同时用频率为ω的信号光探测。 两种光克尔效应：(a) 自作用克尔效应；(b)互作用克尔效应 设信号光频率为ω，泵浦光频率'ω自作用和互作用克尔效应的非线性极化强度分别表示为：

2 (3)(3)0()3(;,,)()()P E E ωεχωωωωωω=- (5.1.1) 2 (3) (3) 0()6(;',',)(')()P E E ωεχωωωωωω=- (5.1.2) 在光波传输过程中，介质折射率变化会引起光的相位变化。 一个沿 z 方向传播的单色波()(,)()i kz t z z e ωω-=E E ，传至L z =处，引 起介质折射率变化n ?，光波的相位变化为 nL nL c kL ?= ?= ?=?0 2λπ ω φ (5.1.3) 表明光致折射率变化调制了相位；对自作用光克尔效应和交叉作用光克尔效应，相应地存在着自相位调制（SPM ）和交叉相位调制 (XPM)。 5.1.1 自作用光克尔效应 以下推导频率为ω的光的自作用光克尔效应折射率与光场的关系。 仅考虑一阶和三阶效应： 一阶极化率 (1)(1)(1)'''i χχχ=+ 三阶极化率 (3)(3)(3)'''i χχχ=+ 极化率皆取实部，则总极化强度为 ) ()(),,;('3)(') ()()(2 )3(010)3()1(ωωωωωωεωεωωωE E E P P P -+=+=χχ） （ (5.1.4) 根据P E D +=0ε和E D ε=，得 0E E P εε=+ 将式(5.1.4) 代入P ，定义有效三阶极化率(3) (3) '3'e χχ =，两边消去E 得 ))(''1(2 ) 1(0ωεεE (3) e χχ++= (5.1.5) ε 是总介电系数，为实数。利用关系0n =(1)0'(1')χεε=+得 2(1)01'χn =+ 将它代入(5.1.5)式，得到

全固态激光器控制器

1-3KwW全固态激光器控制系统 一、概述 激光器保护控制器可实现激光器的操作控制、保护等功能； 1.控制功能： 控制功能主要包括激光器及辅助设备的手动\自动开启、关闭及联动。所有激光器操作控制均围绕方便，安全两方面设计。系统控制采用手动和自动两种方式操作。 手动方式主要用于激光器及外部设备的调试，以及功率的设置，可脱离机器人直接通过面板按键控制激光器及外部设备启停。 自动方式用于激光器实际工作时的激光器的快速启停及运行控制。并可接受外部机器人控制信息。 在用户有可能发生误操作的一些项目中不与执行并有提示信息，最大限度地限制用户的非法控制操作。 2.保护功能： 全固体激光器的主要部分是钯条、晶体棒、光纤、镜片以及电源及其它控制电路，而其中钯条、晶体棒、光纤及镜片等又是及易损坏的部件，因此对它们的保护是控制系统的重点。 对于钯条、晶体棒、光纤部分，损坏的主要原因是由于温度过高、输入电流电压过高、输入电流突变等原因引起的，而这些部件的降温是依靠水冷系统来完成。因此，在激光控制部分做到无水不开电源，控制电流缓慢步进变化，并对这些部件的温度、水系统工作状态、电源电流、电压的进行实时监测快速处理保护就可以很好避免这些部件的损坏。同时，水系统漏水也会损坏钯条、电源及控制电路，系统还具有光腔内漏水的检测。 对于镜片部分，温度过低易结露，出激光后易造成镜片损坏。而温度过高也可造成镜片炸裂，因此也应做好开机温度检测。同时，为防止光腔内结露，还在开机时还要求进行预充高纯氮，以驱散水蒸气并增加腔内气压以防止灰尘进入腔内。 系统设置了以下传感器及监测点作为系统保护的监测点： ?各电源的电流、电压信息各一路； ?激光头热沉水流量开关一路； ?激光头晶体棒水流量开关一路； ?保护气流量开关一路； ?激光头热沉冷却水入口温度检测一路； ?激光头晶体棒冷却水入口温度检测一路； ?各激光头冷却水出口温度各两路； ?镜片冷却水温度一路；

《光现象》《透镜及其应用》知识点大全

《光现象》复习指导 一、光的直线传播 1、光源：定义：能够发光的物体叫光源。 分类：自然光源，如 太阳、萤火虫；人造光源，如 篝火、蜡烛、油灯、电灯。月亮 本身不会发光，它不是光源。 2、规律：光在同一种均匀介质中是沿直线传播的。 3、光线是由一小束光抽象而建立的理想物理模型，建立理想物理模型是研究物理的常用方 法之一。 练习：☆为什么在有雾的天气里，可以看到从汽车头灯射出的光束是直的？ 答：光在空气中是沿直线传播的。光在传播过程中，部分光遇到雾发生漫反射，射入人眼，人能看到光的直线传播。 ☆早晨，看到刚从地平线升起的太阳的位置比实际位置 高 ，该现象说明：光在非均匀介质中不是沿直线传播的。 4、应用及现象： ① 激光准直。 ②影子的形成：光在传播过程中，遇到不透明的物体，在物体的后面形成黑色区域即影 子。 1的位置可看 到日全食，在2的 位置看到日偏食，在3的位置看 到日环食。 ④ 小孔成像：小孔成像实验早在《墨经》中就有记载小孔成像成倒立的实像，其像的形状与孔的形状无 关。 5、光速： 光在真空中速度C=3×108m/s=3×105km/s ；光在空气中速度约为3×108m/s 。光在水中速度为真空中光速的3/4，在玻璃中速度为真空中速度的2/3 。 1 2 3

二、光的反射 1、定义：光从一种介质射向另一种介质表面时，一部分光被反射回原来介质的现象叫光的反射。 2、反射定律：三线同面,法线居中,两角相等,光路可逆.即:反射光线与入射光线、法线在同一平面上，反射光线和入射光线分居于法线的两侧，反射角等于入射角。光的反射过程中光路是可逆的。 3、分类： ⑴镜面反射： 定义：射到物面上的平行光反射后仍然平行 条件：反射面平滑。 应用：迎着太阳看平静的水面，特别亮。黑板“反光”等，都是因为发生了镜面反射⑵漫反射： 定义：射到物面上的平行光反射后向着不同的方向，每条光线遵守光的反射定律。 条件：反射面凹凸不平。 应用：能从各个方向看到本身不发光的物体，是由于光射到物体上发生漫反射的缘故。练习：☆请各举一例说明光的反射作用对人们生活、生产的利与弊。 ⑴有利：生活中用平面镜观察面容；我们能看到的大多数物体是由于物体反射光进入 我们眼睛。 ⑵有弊：黑板反光；城市高大的楼房的玻璃幕墙、釉面砖墙反光造成光污染。 ☆把桌子放在教室中间，我们从各个方向能看到它原因是：光在桌子上发生了漫反射。 4、面镜： ⑴平面镜： 成像特点：等大,等距,垂直,虚像 ①像、物大小相等 ②像、物到镜面的距离相等。 ③像、物的连线与镜面垂直 ④物体在平面镜里所成的像是虚像。 成像原理：光的反射定理 作用：成像、改变光路 实像和虚像：实像：实际光线会聚点所成的像

光电子学导论复习

一、名词解释 1、光弹效应：在一定条件下，当外力或振动作用于弹性体产生热应变时，弹性体的折射率n 发生变化，呈现双折射性质，这种有内应力的透明介质中o 光和e 光折射率不相等，它与应力分布有关。这种现象即为光弹性效应。 2、横模、纵模：光场中振荡的光波模式可用 mnq TEM 表示，其中m,n 表示激光束的横向分 布（空间）状态，即横模； 把由整数q 表示的且激频率满足2q cq l νη= 的腔内纵向稳定光场 分布为激光的纵模。 3、2M 因子：即激光光束的质量评价因子，用于评价激光的横纵模分布。2 M 因子的定义可表述为：2M ?= ?实际光束的腰斑半径远场发散角基模高斯光束的腰斑半径基模高斯光束的远场发散角 ，显然2M 越接近1， 光束质量越好。 4、模式竞争：不同纵模和横模的不同模式之间，由于增益介质的饱和效应，只允许增益最强的模式在腔内形成稳定振荡，同时由于轴向空间烧孔效应或由于不同的横模有不同的光场强度分布，使得不同模式可以利用工作物质中的不同空间位置的粒子反转数，从而形成激光场的多模振荡，即模式竞争效应。 5、高斯光束：通常情形，激光谐振腔发出的基模辐射场，其横截面的振幅分布遵守高斯函 数，故称高斯光束。 22 2 [()a r c t a n ( )] () 2 00(,,)()r r z i k z w z z f c x y z e e z ω- -+ -ψ=，式中c 为常数因子， 且222 r x y =+ 2k π λ= ()w w z == 其中： 0w 为基模高斯光束的腰斑半径。 二、简述题 1、工作物质的热效应：基本定义、分类、解决方法（举例说明）、主要产生原因？ 答：工作物质的热效应：由于工作物质受到泵浦激励在工作过程中将大部分能量转化为热量的现象。 分类： 1、 温度梯度效应： 2、 热应力双折射、（光弹效应）：一定条件下，材料受到热作用，温度改变，几何尺寸改变，引起弹性热应变，弹性体折射率变化，引发双折射。 3、 热透镜效应（热梯度，热致双折射、端面热透镜）：由于晶体棒内部热梯度和热应变光弹效应造成折射率分布不均，总结果等效与一个正汇聚作用的透镜。 4、 端面膨胀引起的热透镜效应：不是有整根棒热膨胀不均匀引起的，而是端面局部区域内的长度应变造成的。