热透镜效应

激光热透镜效应你知道吗？激光热透镜效应就像是激光在材料里搞的一个小恶作剧。

当激光打到某些材料上的时候，材料就会因为吸收了激光的能量而变热。

这一热可不得了，就像热胀冷缩一样，材料的折射率就发生变化了。

这折射率一变啊，就好像在材料里突然出现了一个小透镜似的。

这小透镜可不像我们平常戴的眼镜那种规规矩矩的透镜。

它是激光带来的小意外。

有时候呢，这个热透镜效应会给我们带来些小麻烦。

比如说在一些激光实验里，我们本来想着激光按照我们设想的路线走呢，结果这个热透镜效应一捣乱，激光就走偏了。

就好像本来要去东边的路，结果因为这个意外的小透镜，拐到南边去了。

这可让那些做实验的科学家们头疼死了。

不过呢，这个热透镜效应也不完全是个捣蛋鬼。

要是我们能好好利用它，那也是个挺好玩的事儿。

比如说在一些光学检测里，我们可以根据这个热透镜效应产生的一些现象，来检测材料的一些特性。

这就像是把这个调皮的小效应变成了我们的小助手一样。

我还听说过一些关于激光热透镜效应特别酷的事情呢。

有一些研究人员啊，他们在研究新的光学材料的时候，就故意利用这个热透镜效应，看看材料会有什么样奇特的反应。

就像是在和这个效应玩一个猜谜游戏，看看材料到底隐藏着什么样的光学秘密。

从这个激光热透镜效应里，我们也能感觉到大自然或者说物理世界的神奇。

一个小小的激光，就能在材料里搞出这么多花样。

就好像是微观世界里的一场小闹剧，但是这场闹剧背后却有着很深的科学道理。

我们不能光看到它捣乱的一面，也要看到它可能给我们带来惊喜的那一面。

就像生活里有时候会遇到一些小意外，一开始觉得烦，可后来发现这个小意外能给我们带来新的机会或者启发呢。

这激光热透镜效应啊，真的是一个充满趣味又让人捉摸不透的小神奇现象。

你要是深入了解它，就会发现它就像一个有个性的小怪兽。

有时候它很调皮，有时候它又能给我们很多帮助。

总之呢，激光热透镜效应就是这么一个独特的存在，在光学的世界里占着自己的一席之地。

光纤热透镜效应光纤热透镜效应是指在光纤中由于光强分布的不均匀性导致的热效应。

光纤作为一种重要的信息传输介质，其在通信、医疗、工业等领域有着广泛的应用。

然而，在高功率光束传输过程中，光纤中的损耗和非线性效应往往会限制其传输能力。

光纤热透镜效应就是其中一种重要的非线性效应。

光纤热透镜效应的产生是由于光纤材料的热导率和热膨胀系数与环境温度有关。

当光纤中的光强分布不均匀时，光纤中的局部区域会吸收更多的光能，导致该区域的温度升高。

而由于热导率的存在，温度升高会导致光纤材料的折射率发生变化，从而改变了光束的传输特性。

这种光强分布引起的温度变化和折射率变化相互作用，就形成了光纤热透镜效应。

光纤热透镜效应对光纤通信系统的性能有着重要的影响。

首先，光纤热透镜效应会导致光纤中的模式耦合增加，从而降低了光信号的传输质量。

其次，光纤热透镜效应也会引起光功率的聚焦效应，使光纤中的光束聚焦于某一点，从而导致光纤的损耗增加。

此外，光纤热透镜效应还会导致光纤中的非线性效应增强，如自相位调制和光栅形成等。

为了减小光纤热透镜效应对光纤通信系统的影响，可以采取一些措施。

首先，可以通过优化光纤材料的性能来减小光纤热透镜效应的影响。

例如，可以选择具有较高热导率和较小热膨胀系数的材料制造光纤。

其次，可以通过控制光纤中的光强分布来减小光纤热透镜效应的影响。

例如，可以采用光纤光束展扩技术来均匀分布光束能量。

此外，还可以通过控制光纤的温度来减小光纤热透镜效应的影响。

例如，可以在光纤表面附加散热装置来提高光纤的散热能力。

光纤热透镜效应也可以应用于一些特定的领域。

例如，在激光加工中，可以利用光纤热透镜效应来实现对光束的精确控制。

通过控制光纤中的光强分布，可以实现对光束的聚焦和分散，从而实现对材料的加工和切割。

此外，在激光成像中，光纤热透镜效应也可以用于对光束进行调制，从而实现对图像的捕捉和传输。

光纤热透镜效应是光纤通信系统中重要的非线性效应之一。

它的产生是由于光纤中的光强分布不均匀所导致的热效应。

光纤热透镜效应光纤热透镜效应是指在光纤中由于热效应引起的折射率变化，从而导致光束发生偏折和聚焦的现象。

光纤热透镜效应是光纤传输中的一个重要现象，对于光纤通信和激光加工等领域具有重要意义。

在光纤通信系统中，光信号的传输一般采用单模光纤，其中的光束是经过调制和放大后的信号。

当光纤中的光束受到外界热源的影响时，光纤中的折射率会发生变化，从而引起光束的偏折和聚焦。

这种现象就是光纤热透镜效应。

光纤热透镜效应的产生主要是由于光纤的材料对温度的敏感性造成的。

光纤通信中常用的材料有硅、石英等，这些材料在高温下会发生热膨胀，从而引起折射率的变化。

当光纤中某一部分受到热源的加热时，这一部分的折射率会发生变化，从而导致光束在该部分发生偏折和聚焦。

光纤热透镜效应对光纤通信系统的性能有一定的影响。

首先，光纤热透镜效应会导致光信号的传输损耗增加。

当光束发生聚焦时，光的能量会集中在一个较小的区域，使得该区域的光功率密度增加，从而导致光纤材料的吸收增加，引起损耗的增加。

其次，光纤热透镜效应也会引起光信号的失真。

当光束发生偏折时，光的传输路径会发生变化，从而导致光信号的相位和振幅发生改变，影响信号的传输质量。

为了减小光纤热透镜效应对光纤通信系统的影响，可以采取一些措施进行补偿。

首先，可以采用光纤降温措施，通过散热装置将光纤的温度保持在较低的水平，减小光纤热透镜效应的产生。

其次，可以采用光纤材料的优化设计，选择热膨胀系数较小的材料，减小热膨胀引起的折射率变化。

此外，还可以采用光纤补偿器等技术手段，对光信号进行相应的调整和补偿，减小光纤热透镜效应对信号的影响。

除了光纤通信系统，光纤热透镜效应在激光加工领域也有重要应用。

在激光加工过程中，光纤激光器产生的激光束经过聚焦透镜后，可以对材料进行切割、焊接等加工。

然而，由于激光束在光纤中传输时会发生热透镜效应，导致光束发生聚焦和偏折，从而影响激光加工的精度和效果。

因此，在激光加工过程中，需要对光纤热透镜效应进行补偿和控制，以保证加工的质量和效率。

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。

场镜热透镜效应场镜热透镜效应是指在光学系统中，由于热引起的折射率变化而产生的光学效应。

它是一种重要的热光学现象，在实际生活和科学研究中都有着广泛的应用。

我们来了解一下什么是场镜。

场镜是一种光学元件，它由两个或多个透明介质构成，其中至少一个介质的折射率与温度相关。

当光线通过这种介质时，由于温度的变化，介质的折射率也会发生变化，从而影响光线的传播。

热透镜效应是指当光线通过场镜时，由于温度变化引起的折射率变化，使光线的传播方向发生偏折的现象。

具体来说，当场镜的一部分受热时，其温度会升高，导致该部分的折射率发生变化。

由于光线在不同折射率的介质中传播时会改变传播方向，因此被热升高的部分产生的折射率变化会使光线偏折。

场镜热透镜效应的原理可以用光线传播的微分方程描述。

在一维情况下，光线的传播遵循亥姆霍兹方程。

考虑到热导率和热扩散系数对光线的影响，可以得到与温度相关的折射率变化。

这个变化可以通过光线的偏折角来表示，从而描述场镜热透镜效应。

场镜热透镜效应在实际应用中有着广泛的应用。

例如，在激光技术中，通过热透镜效应可以实现光束的自适应调整，从而提高激光束的质量。

此外，在光学系统中，通过控制场镜的温度变化，可以实现对光束的聚焦和偏折，从而实现对光学系统的控制和调整。

除了激光技术和光学系统，场镜热透镜效应还在其他领域得到了应用。

例如，在天文学中，通过研究大气层中的热透镜效应，可以帮助我们更好地观测和理解宇宙中的各种天体。

在地球科学中，场镜热透镜效应也可以用于研究地球内部的热传导和地质构造。

此外，在材料科学和化学工程中，场镜热透镜效应也有着重要的应用，可以帮助我们研究材料的热传导和相变过程。

场镜热透镜效应是一种重要的热光学现象，它通过热引起的折射率变化使光线发生偏折。

这种现象在激光技术、光学系统、天文学、地球科学、材料科学和化学工程等领域都有着广泛的应用。

通过研究和应用场镜热透镜效应，我们可以更好地理解和控制光的传播，推动科学研究和技术进步。

第３０卷　第３期广东石油化工学院学报Ｖｏｌ．３０　Ｎｏ．３２０２０年６月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＧｕａｎｇｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＪｕｎｅ２０２０热透镜效应及其焦距测量研究李春威，韩太坤，郑晓艳，庄海宁，蔡汝敏，吴伟韩，陶磊明（广东石油化工学院理学院，广东茂名５２５０００）摘要：在激光器的设计和应用中，需要考虑热透镜效应影响，然而准确测出低功率激光器的热透镜焦距是研究难点。

本实验选用低功率Ｈｅ－Ｎｅ激光器，通过研究放大光斑的光强变化观察热透镜效应，并推导出热透镜焦距的公式。

对比丙酮和乙醇溶剂，观察发现丙酮具有更明显的热透镜效应，测试计算丙酮的热透镜焦距为－１．６ｍ。

研究有助于改进低功率激光器的设计，从而降低热透镜效应的影响，提高激光器的性能。

关键词：Ｈｅ－Ｎｅ激光器；热透镜效应；热透镜焦距；丙酮中图分类号：ＴＮ２４８文献标识码：Ａ文章编号：２０９５－２５６２（２０２０）０３－００６５－０５当激光在介质中进行传输时，其能量被吸收，介质中沿激光传输的路径上产生热量。

由于激光光束的能量分布一般为高斯型，介质温度呈横向梯度变化，从而引起介质折射率的横向梯度变化，产生热透镜效应［１］。

由于在低功率可见光激光器下，介质产生热透镜效应较弱，难以观察到热透镜现象，所以在焦距测量上存在困难［２－７］。

调研发现大多学者都在研究高功率激光器下观察、测量和应用热透镜效应，而研究低功率激光器相对较少［８－１２］。

随着科学技术的不断发展，研究低功率可见光激光器下热透镜效应具有重要的现实意义。

本研究是在低功率Ｈｅ－Ｎｅ激光器下观察热透镜效应并测量焦距。

１　实验原理及操作１．１　仪器和溶剂仪器：Ｈｅ－Ｎｅ激光器（天津诺雷信达科技有限公司，１．５ｍＷ）、双凸透镜（分别由焦距为６．２，２２５ｍｍ的双凸透镜组成）、焦距为７０ｍｍ双凸透镜、ＳＺ－２１多孔架、ＳＺ－１３白屏、样品池、小平台、光强分布测定仪（ＷＯＺ－１１型，北京精测电子科技有限公司）、数字式检流计（ＷＪＦ－Ｘ１０－７Ａ型，浙江光学仪器制造有限公司）、游标卡尺、导轨等元器件。

高功率半导体激光器慢轴发散角波导热透镜效应1. 引言在现代科技领域，高功率半导体激光器是一种至关重要的光电器件。

它的广泛应用范围涵盖通信、医疗、材料加工等多个领域。

而在高功率半导体激光器中，慢轴发散角波导热透镜效应是一个备受关注的现象。

2. 高功率半导体激光器慢轴发散角波导热透镜效应的概念和原理慢轴发散角指的是激光器输出光束的横向发散角，而波导热透镜效应是指在高功率半导体激光器中，由于电流注入导致波导区温度升高，从而使横向光学模式发生变化的现象。

激光器的慢轴发散角波导热透镜效应是指在高功率工作状态下，由于波导区温度上升，导致激光器横向光学模式结构受到改变，使得光束传输特性发生变化的现象。

3. 高功率半导体激光器慢轴发散角波导热透镜效应的影响慢轴发散角波导热透镜效应的产生会导致激光器的输出光束横向分布发生改变，影响激光器的光束质量和传输性能。

特别是在高功率激光器中，这种效应会对激光器的稳定性和可靠性构成挑战，甚至降低整个激光系统的性能。

4. 高功率半导体激光器慢轴发散角波导热透镜效应的解决方法为了克服激光器慢轴发散角波导热透镜效应带来的负面影响，科研人员提出了许多解决方案。

通过优化波导结构和材料，以降低波导区温升；采用外部降温技术，如热沉等；调整电流注入分布，减少波导区温度梯度等。

5. 个人观点和理解对于高功率半导体激光器慢轴发散角波导热透镜效应，我认为这是一个在实际应用中非常重要的问题。

它直接关系到激光器的性能和稳定性，因此需要引起足够重视。

在解决这一问题的过程中，科研人员需要综合考虑材料、结构、制备工艺等多个方面的因素，以找到最佳的解决方案。

6. 总结高功率半导体激光器慢轴发散角波导热透镜效应是一个复杂而重要的问题，对于激光器的性能和稳定性具有重要影响。

在实际应用中，需要借助有效的解决方案来克服这一问题，以确保激光器的高效运行和稳定输出。

在知识的文章中，上述内容将按照序号标注，并在内容中多次提及“高功率半导体激光器慢轴发散角波导热透镜效应”，以满足您的要求。

激光加工热透镜效应概述说明以及解释1. 引言1.1 概述激光加工作为一种高精度、高效率的材料加工技术，广泛应用于各个领域。

然而，在激光加工过程中，由于光能的聚焦和吸收等因素，会产生热透镜效应。

这一现象会对激光加工质量产生重要影响，限制了激光加工技术的进一步发展和应用。

本文将对激光加工热透镜效应进行详细的概述和说明，并阐明其在实际应用中的解释和影响因素。

同时，我们将探讨如何减弱或避免热透镜效应对激光加工质量的影响，并介绍已有方法和技术的局限性与改进方向。

1.2 文章结构本文共分为五个部分：引言、激光加工热透镜效应、解释热透镜效应阻碍激光加工的原因、应用实例与成功案例分析以及结论与总结。

在“引言”部分，我们将对文章进行简单的介绍，并说明文章的结构和目的。

“激光加工热透镜效应”部分将详细定义和解释热透镜效应的原理，以及在加工过程中该效应的表现和影响因素分析。

“解释热透镜效应阻碍激光加工的原因”部分将对热透镜效应对加工质量的影响进行探讨，并提出减弱或避免该效应影响的方法和技术，并分析已有方法和技术的局限性，并提出改进方向。

“应用实例与成功案例分析”部分将通过具体行业中的实例，分析激光加工热透镜效应的应用情况以及成功案例，并展望未来发展方向和趋势。

最后，在“结论与总结”部分，我们将总结对激光加工热透镜效应的重要性并强调其作用，同时介绍本文中所得到的研究成果和创新，并提出后续工作和研究方向建议。

1.3 目的本文旨在全面了解激光加工中的热透镜效应以及其对加工质量产生的影响。

通过介绍已有方法和技术，探讨如何减弱或避免热透镜效应的影响，以期为激光加工技术的进一步发展提供参考。

同时，通过实际应用和成功案例分析，揭示激光加工热透镜效应在不同领域中的具体应用情况，并展望未来的发展和趋势。

最终，希望本文能对相关领域的研究者和从业人员提供有益的参考和指导。

2. 激光加工热透镜效应:2.1 定义与原理:激光加工热透镜效应是指在激光加工过程中由于材料受到激光能量的作用而导致温度升高，从而引起材料的折射率发生变化，形成一个类似于透镜的聚焦效应。

第52卷第3期2023年3月人㊀工㊀晶㊀体㊀学㊀报JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS Vol.52㊀No.3March,2023CdSe 晶体光参量振荡器的热透镜效应仿真研究沈成贵1,孙㊀辉1,唐㊀川1,高秀英1,周世斌2,曾体贤1(1.成都信息工程大学光电工程学院,成都㊀610225;2.成都东骏激光股份有限公司,成都㊀610630)摘要:在CdSe 晶体光参量振荡器(OPO)中,泵浦激光经过晶体后产生大量废热,使CdSe 晶体出现明显热透镜效应,从而导致泵浦激光的光斑半径在晶体内部不断变小,最终降低了晶体的损伤阈值和OPO 的输出功率㊂本文利用COMSOL 软件对高重频脉冲激光泵浦CdSe 晶体进行多物理场建模,完成了CdSe 晶体热透镜效应仿真,通过参数优化,发现对流系数与晶体最大温度成反比,与晶体后端面和焦点的光斑半径成正比,聚焦位置随对流系数增加趋于稳定㊂单脉冲能量和重复频率与晶体最大温度和焦点的光斑半径成正比,与晶体后端面光斑半径和聚焦位置成反比㊂准直激光光斑半径与晶体最大温度成反比,与晶体后端面光斑半径㊁聚焦位置和焦点光斑半径成正比㊂该研究解决了CdSe OPO 中晶体后端面光斑半径难以直接测量的问题,为优化CdSe 晶体热透镜效应提供了理论依据㊂关键词:CdSe 晶体;热透镜效应;高重频脉冲激光;射线追迹;光参量振荡器中图分类号:O437㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1000-985X (2023)03-0421-07Simulation of Thermal Lens Effect in CdSe Crystal Optical Parametric OscillatorSHEN Chenggui 1,SUN Hui 1,TANG Chuan 1,GAO Xiuying 1,ZHOU Shibin 2,ZENG Tixian 1(1.College of Optoelectronic Engineering,Chengdu University of Information Technology,Chengdu 610225,China;2.Chengdu Dongjun Laser Co.,Ltd.,Chengdu 610630,China)Abstract :In the optical parametric oscillator (OPO)based on CdSe crystal,a large amount of waste heat is generated when the pump laser passes through the crystal,resulting in a significant thermal lens effect in CdSe crystal,which causes the spot radius of the pump laser smaller inside the crystal,and finally reduces the damage threshold of the crystal and the output power of the OPO.The thermal lens effect simulation of CdSe crystal pumped by high frequency pulsed laser is completed by COMSOL software in this paper.Through parameter optimization,it is found that the convection coefficient is inversely proportional to the maximum temperature of the crystal,directly proportional to the spot radius of the back face and focus of the crystal,and the focus position tends to be stable with the increase of convection coefficient.The single pulse energy and repetition frequency are directly proportional to the maximum temperature of the crystal and the spot radius of the focus,and inversely proportional to the spot radius and the focus position at the back end of the crystal.The collimated laser spot radius is inversely proportional to the maximum temperature of the crystal,and directly proportional to the spot radius,focus position and spot radius of the back end of the crystal.This study solves the problem that the laser spot radius at the back end of CdSe OPO crystal is difficult to measure directly,and provides a theoretical basis for optimizing the thermal lens effect of CdSe crystal.Key words :CdSe crystal;thermal lens effect;high repetition frequency pulsed laser;ray tracing;OPO㊀㊀收稿日期:2022-11-09㊀㊀基金项目:国家自然科学基金(62005029);四川省科技计划(2021YFG0010);成都信息工程大学人才引进科研启动项目(KYTZ202182);校级创新团队(KYTD202205);四川省科技厅创新群落(23NSFTD0047)㊀㊀作者简介:沈成贵(1993 ),男,四川省人,硕士研究生㊂E-mail:1006263992@ ㊀㊀通信作者:曾体贤,博士,教授㊂E-mail:zengtx@0㊀引㊀㊀言CdSe 光参量振荡器(OPO)是实现长波红外(8~15μm)输出的重要手段之一,由于其输出激光可兼具422㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷高峰值功率㊁宽光谱㊁波段远且可调谐的特点,被广泛应用于痕量气体检测㊁自由空间光通信以及红外光电对抗等领域[1]㊂随着应用范围的不断拓展,该技术正朝着高功率方向迈进㊂CdSe的热透镜效应是限制CdSe OPO高功率输出的主要因素之一[2]㊂在高重频激光作用下,CdSe晶体的热透镜效应显著,晶体中产生温度梯度,晶体折射率发生变化,且晶体温度升高会导致相位失配,并产生热应力㊂折射率的改变和热应力的存在会使激光束出现聚焦,这不仅使晶体后端面更易出现损伤,还增加了CdSe OPO模式匹配的难度,从而限制了CdSe OPO的高功率输出㊂已有学者对此开展了相关研究,2017年,Yuan等[3]在重频1kHz,脉宽31ns的2.09μm脉冲激光泵浦CdSe OPO中,验证了重频对长波激光输出功率的影响,发现输出功率随重频的增加而增加,最终得到了170mW的12.07μm激光㊂2018年,Wang等[4]利用重频5kHz的2.05μm脉冲激光泵浦CdSe OPO得到了320mW的10.02μm激光㊂2020年,Chen等[5]在重频1kHz,脉宽35ns的2.09μm脉冲激光泵浦CdSe OPO中,发现晶体前端面泵浦峰值能量密度约为1.2J/cm2时,晶体后端面出现损坏,而且无法通过改变输出镜透过率进行改善㊂随后其仿真计算了热透镜焦距从100mm到500mm时,CdSe晶体前端面处的振荡光斑半径大小,结果表明,当泵浦光斑半径为1.2mm时,信号光和闲频光谐振CdSe OPO的光斑半径分别为0.4㊁0.9mm㊂利用此结果改进了腔型结构设计,并得到了1.05W的10.1μm激光㊂2021年,魏磊等[6]在重频5kHz,脉宽31ns的2.05μm脉冲激光泵浦CdSe OPO中得到了526mW的12.5μm激光㊂目前对于高重频脉冲激光泵浦CdSe晶体的热光性能定量分析较少,本文通过COMSOL软件对其进行建模仿真㊂明确了对流系数㊁单脉冲能量㊁重复频率㊁准直激光光斑半径与晶体的最大温度㊁晶体后端面激光光斑半径㊁激光经过晶体后光束聚焦位置和焦点光斑半径的关系,解决了CdSe OPO中晶体后端面光斑半径难以直接测量的问题,确定了晶体最大温度和激光聚焦位置,为优化CdSe晶体热效应提供了理论依据㊂1㊀模型建立1.1㊀晶体模型的建立以CdSe单晶作为被测晶体,其体积参数为6mmˑ6mmˑ10mm㊂设计高重频脉冲激光将垂直射入到一个6mmˑ6mm的面(前端面),随后进入晶体内部,并被晶体吸收,最后剩余的激光将从另一个6mmˑ6mm 的面(后端面)出射㊂CdSe晶体关键参数设置如表1所示,晶体端面为理想增透㊂表1㊀CdSe晶体模型中主要参数[7]Table1㊀Key parameters of CdSe crystal model[7]Parameter ValueCrystal square section,aˑc 6.0mmˑ6.0mmCrystal length,l a/mm10.0Thermal conductivity,K/(W㊃m-1㊃K-1) 6.9(//c)6.2(ʅc)Thermal expansion coefficient,αT/(10-6K-1) 6.26(a)4.28(c)Thermal optical coefficient,d n㊃(d T)-1/(10-4K-1) 5.0Specific heat capacity,C/(J㊃kg-1㊃K-1)490.0Density,P/(g㊃cm-3) 5.81Absorption coefficient,α/cm-10.02Elastic modulus,Y b/(1010Pa) 5.0Refractive index,n0 2.4682Poisson ratio,ν0.3271.2㊀多物理场的耦合为在COMSOL中模拟高重频脉冲激光泵浦CdSe晶体时晶体温度变化,在多物理场耦合中选择射线加热和热膨胀模块,将被晶体吸收的光源当做晶体热源㊂在模拟高重频脉冲激光时,先借助矩形波函数和解析函数接口直接生成脉冲宽度和脉冲时序[8]㊂其次,在几何光学接口中选择高斯光束作为光源㊂激光关键参数设置如表2所示㊂图1(a)是100ns脉冲宽度模拟函数,图1(b)是重复频率模拟图㊂其中周期Tᶄ=1ˑ10-5s,脉冲宽度τ=100ns㊂㊀第3期沈成贵等:CdSe 晶体光参量振荡器的热透镜效应仿真研究423㊀图1㊀高重频脉冲模拟Fig.1㊀High repetition frequency pulse simulation表2㊀激光模型中主要参数Table 2㊀Key parameters of the laser modelParameter Value Laser wavelength,λl /nm 2051.0Single pulse energy,E /mJ1.0Pulse repetition frequency,f /kHz 100.0Radius of collimated laser spot,ω0/μm 1200.0Pulse width,τ/ns 100.0在模块中利用Lambert-Beer 定律来描述激光进入增益介质后,吸收激光强度(I )的变化,如式(1)所示:I =I 0exp(-αl )(1)式中:α为激光介质的吸收系数;I 0为初始光强;I 为入射激光通过介质后的光强;l 为介质的长度㊂同时,高斯光束传输的平均功率(P )可通过式(2)表示:P =π2ω20I 0=E ˑf (2)式中:E 为单脉冲能量;f 为脉冲重复频率;ω0为准直激光半径㊂脉冲激光的热源(Q )公式为:Q =2P πω20exp(-αl )ˑan1(t )(3)式中:an1(t )为脉冲重复频率的周期函数㊂图2㊀网格划分图Fig.2㊀Mesh generation 1.3㊀网格剖分热通量会通过热传导的方式传递给周围的网格,为了使仿真更为准确,将三维几何模型进行极细化划分㊂网格剖分如图2所示,采用自由四面体对网格进行剖分,最大单元大小为0.35mm,最小单元大小0.015mm㊂考虑计算时间和计算成本,将时间步长设置为0.001s,进行瞬态仿真计算㊂折射率(n )受温度的影响,n =n 0+(d n /d T )㊃(T -T 0),其中T 为实况温度,T 0为初始温度,n 0为晶体初始折射率,d n /d T 为折射率热变化率㊂424㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷2㊀仿真结果与讨论2.1㊀CdSe 晶体在高重频脉冲激光作用下的物理场分布高重频脉冲激光经过晶体后,晶体内部会形成温度梯度分布,主要分为激光加热的高温区和晶体热传导的低温区两个区域㊂影响温度的因素包括晶体参数㊁光源参数㊁散热参数㊂晶体参数包含晶体几何参数和材料性质;光源参数包括脉冲激光的单脉冲能量和脉冲重复频率等;散热参数主要考虑散热的形式㊂本文重点分析了光源参数和散热参数对晶体热效应的影响,为针对高重频泵浦而进行的不含时热效应模拟㊂本文首先模拟了在293.15K 的环境温度且只有自然对流散热情况下,高重频脉冲激光泵浦CdSe 晶体120s内晶体受热情况㊂其中晶体参数如表1所示,光源参数如表2所示,散热参数取对流系数h 为10W /(m 2㊃K)㊂图3(a)~(b)分别描述了晶体受热后的温度分布和晶体最大温度点随泵浦时间的变化曲线㊂图3㊀脉冲激光对CdSe 晶体的热效应Fig.3㊀Thermal effect of pulsed laser on CdSe crystal 从图3(a)可以看出,在脉冲激光工作120s 后,热量从作用中心点一直向中心轴向深度和半径径向方向传递,中心温度最高(432.3K),逐渐向边缘扩散,最低温度为427K㊂从图3(b)可以看出,晶体温度随着泵浦时间的增加而快速升高㊂2.2㊀CdSe 晶体散热仿真通过上述仿真可知,高重频脉冲激光泵浦晶体时,晶体温度随泵浦时间增加而不断增加,因此需要在晶体表面进行冷却散热㊂在相同光源参数和晶体参数下,通过修正对流系数h 来模拟晶体表面最大温度在水冷强制对流范围内[1000~15000W /(m 2㊃K)]的变化㊂图4描述了不同对流系数下,晶体表面最大温度与泵浦时间的关系㊂从图4可以看出,随着泵浦时间的增加,晶体表面最高温度先快速升高,然后在水冷散热的影响下,晶体表面温度会在一段时间后缓慢增加,最终趋于稳定㊂水冷散热可以将晶体温度控制在相对稳定的状态,这将为CdSe 晶体在非线性频率变换中的温度调谐提供参考㊂2.3㊀CdSe 晶体热透镜仿真为发现晶体的热透镜效应,在晶体参数不变条件下将单脉冲能量从1mJ 增加到10mJ,激光为准直光束,为排除晶体散热的影响,将采用15000W /(m 2㊃K)的对流系数模拟水冷散热条件㊂图5是不同单脉冲能量的激光经过晶体受热后光束的聚焦情况㊂在图5中可看出,高重频脉冲激光在经过CdSe 晶体后光束会出现明显聚焦,随着单脉冲能量的增加,激光的聚焦位置和晶体前端面的距离不断减小,且激光的发散性不断增加㊂㊀第3期沈成贵等:CdSe 晶体光参量振荡器的热透镜效应仿真研究425㊀图4㊀不同对流系数下,晶体表面最大温度与泵浦时间的关系Fig.4㊀Relationship between the maximum temperature of crystal surface and pumping time under different convectioncoefficients 图5㊀不同单脉冲能量激光的射线轨迹Fig.5㊀Ray trajectories of lasers with different single pulse energies 2.4㊀热透镜效应优化为分析散热因素和光源参数对晶体后端面光斑半径,及激光经过晶体后的聚焦位置和焦点光斑半径的影响,在研究步骤中加入双向耦合射线追踪,将路径设置为300mm,步长设置为0.01mm,进行热-光-力多物理场(STOP)的稳态仿真计算㊂为有效进行参数优化,本文通过单一变量法模拟了对流系数㊁单脉冲能量㊁重复频率㊁准直激光光斑半径对晶体表面最大温度㊁晶体后端面光斑半径㊁激光聚焦位置和聚焦光斑半径的影响㊂其中在单脉冲能量㊁重复频率㊁泵浦光斑半径的模拟过程中,为排除晶体散热的影响,采用15000W /(m 2㊃K)的对流系数模拟水冷散热㊂2.4.1㊀对流系数散热因素仍通过对流系数的改变来模拟㊂图6(a)是不同对流系数造成晶体前端面最大温度和晶体后端面光斑半径变化的关系图㊂图6(b)描述的是对流系数对聚焦位置和焦点光斑半径的影响㊂图6㊀对流系数对晶体热透镜效应的影响Fig.6㊀Influence of convection coefficient on thermal lens effect of crystal 当对流系数从1000W /(m 2㊃K)增加到15000W /(m 2㊃K)时,如图6(a)所示,晶体前端面最大温度从300.8K 降低到298.3K,晶体后端面的光斑半径从1189.20μm 增加到1189.44μm㊂另如图6(b)所示,激光的聚焦点离晶体前端面的位置从141.7mm 增加到142.75mm 后出现稳定,聚焦点的光斑半径从255.0μm 非线性增加到262.6μm㊂2.4.2㊀单脉冲能量单脉冲能量的改变会直接引起晶体热源大小的改变㊂图7(a)是不同单脉冲能量引起晶体前端面最大温度和晶体后端面光斑半径变化的关系图㊂图7(b)描述的是单脉冲能量对聚焦位置和焦点光斑半径的影响㊂426㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷图7㊀单脉冲能量对晶体热透镜效应的影响Fig.7㊀Influence of single pulse energy on thermal lens effect of crystal 当单脉冲能量从1mJ 增加到10mJ,如图7(a)所示,表面最大温度从297.3K 增加到334.9K,晶体后端面的光斑半径从1189.0μm 下降到1093.7μm㊂另如图7(b)所示,激光的聚焦点离晶体前端面的位置从142.7mm 减小到48.6mm,聚焦点的光斑半径从262.6μm 非线性增加到288.6μm㊂2.4.3㊀重复频率重复频率的增加会使得单位时间内晶体被脉冲激光加热的次数增加,从而引起晶体温度的改变㊂图8(a)是不同重复频率引起晶体前端面最大温度和晶体后端面光斑半径变化的关系图㊂图8(b)描述的是重复频率对聚焦位置和焦点光斑半径的影响㊂图8㊀重复频率对晶体热透镜效应的影响Fig.8㊀Influence of repetition frequency on thermal lens effect of crystal 当重复频率从40kHz 增加到100kHz,如图8(a)所示,最大表面温度从294.8K 增加到297.3K,晶体后端面的光斑半径从1195.8μm 下降到1189.4μm㊂另如图8(b)所示,激光的聚焦点离晶体前端面的位置从300.7mm 下降到142.7mm,聚焦点的光斑半径从259.0μm 增加到262.6μm㊂2.4.4㊀准直激光光斑半径准直激光光斑半径的增加会造成晶体受热面积的减小和单位面积热量的增加㊂图9(a)是不同准直激光光斑半径引起晶体前端面最大温度和晶体后端面光斑半径变化的关系图㊂图9(b)描述的是准直激光光斑半径对聚焦位置和焦点光斑半径的影响㊂当准直激光光斑半径从200μm 增加到2000.0μm 时,如图9(a)所示,晶体前表面的最大温度随着准直激光光斑半径的增加呈反函数递减㊂表面最大温度从300.5K 下降到296.2K,而晶体后端面的光斑半径从166.3μm 线性增加到1993.6μm㊂另如图9(b)所示,激光聚焦位置随着准直激光光斑半径的增加呈指㊀第3期沈成贵等:CdSe晶体光参量振荡器的热透镜效应仿真研究427㊀数增加,聚焦点的光斑半径呈线性增加㊂激光的聚焦点离晶体前端面的位置从45.7mm非线性增加到321.7mm,聚焦点的光斑半径从34.9μm线性增加到467.0μm㊂图9㊀准直激光光斑半径对晶体热透镜效应的影响Fig.9㊀Influence of collimating laser radius on thermal lens effect of crystal3㊀结㊀㊀论本文对高重频脉冲激光经过CdSe晶体后晶体稳定时最大温度㊁晶体后端面激光光斑半径和激光的聚焦情况进行了分析㊂利用COMSOL软件建模仿真,将光-热-力物理场接口进行耦合,确定了CdSe晶体在受热后最大温度会不断增加,随后通过引入对流系数对晶体进行散热,使得晶体在运行一段时间后最大温度趋于稳定,在晶体稳定工作的基础上,进行射线聚焦模拟,发现了激光聚焦的现象㊂对晶体热透镜效应进行参数优化,发现对流系数与晶体最大温度成反比,与晶体后端面和焦点的光斑半径成正比,聚焦位置随对流系数增加趋于稳定;单脉冲能量和重复频率与晶体最大温度和焦点的光斑半径成正比,与晶体后端面光斑半径和聚焦位置成反比;准直激光光斑半径与晶体最大温度成反比,与晶体后端面光斑半径,聚焦位置和焦点光斑半径成正比㊂本研究从多物理场耦合模拟角度出发,解决了CdSe OPO中晶体后端面光斑半径等光热效应参数难以直接测量的问题,为后续实验优化CdSe晶体热透镜效应提供了理论参照㊂参考文献[1]㊀王超臣,刘瑞科,王廷予,等.红外半导体激光器应用[J].激光杂志,2020,41(8):1-10.WANG C C,LIU R K,WANG T Y,et al.Applications of infrared semiconductor laser[J].Laser Journal,2020,41(8):1-10(in Chinese).[2]㊀CHEN Y,YANG C,LIU G Y,et al.11μm,high beam quality idler-resonant CdSe optical parametric oscillator with continuous-wave injection-seeded at2.58μm[J].Optics Express,2020,28(11):17056-17063.[3]㊀YUAN J H,CHEN Y,DUAN X M,et al.CdSe optical parametric oscillator operating at12.07μm with170mW output[J].Optics&LaserTechnology,2017,92:1-4.[4]㊀WANG J,YUAN L G,ZHANG Y W,et al.Generation of320mW at10.20μm based on CdSe long-wave infrared crystal[J].Journal of CrystalGrowth,2018,491:16-19.[5]㊀CHEN Y,LIU G Y,YANG C,et al.1W,10.1μm,CdSe optical parametric oscillator with continuous-wave seed injection[J].Optics Letters,2020,45(7):2119-2122.[6]㊀魏㊀磊,李㊀宝,陈㊀国,等.长波红外CdSe光参量振荡器[J].中国激光,2021,48(24):38-45.WEI L,LI B,CHEN G,et al.Long-wave infrared CdSe optical parametric oscillator[J].Chinese Journal of Lasers,2021,48(24):38-45(in Chinese).[7]㊀YANG M,HUANG D H,LI L,et al.Preparation and characterization of quarter-wave plate at12.4μm based on CdSe single crystal[J].Materials Research Express,2022,9(8):085904.[8]㊀丁㊀伟,王㊀菲,王孟洁,等.大功率激光作用下光学系统轴向焦移仿真[J].激光与光电子学进展,2021,58(11):322-328.DING W,WANG F,WANG M J,et al.Simulation of axial focal shift of optical system under high-power laser[J].Laser&Optoelectronics Progress,2021,58(11):322-328(in Chinese).。

bbo晶体的热透镜效应一、引言BBO晶体是一种非线性光学晶体，在非线性光学领域有着广泛的应用。

其中，热透镜效应是BBO晶体的一种重要特性，对于实现高功率激光系统及其它相关领域具有重要意义。

二、BBO晶体的基本特性1. BBO晶体的结构和物理特性BBO晶体是一种双折射晶体，属于非中心对称晶系。

其化学式为β-BaB2O4，具有高透明度、高耐热性和优良的非线性光学特性。

2. BBO晶体的非线性光学特性BBO晶体具有优异的非线性光学特性，包括二次谐波产生、差频产生、和频产生等。

其中，二次谐波产生是最常见的应用方式。

三、热透镜效应的基本原理1. 热透镜效应的定义热透镜效应指在高功率激光束作用下，由于吸收能量而导致介质温度升高，从而改变了介质折射率分布，使得激光束在介质内传输时发生自聚焦或自散焦的现象。

2. 热透镜效应的基本原理热透镜效应的基本原理是介质中吸收激光束能量导致温度升高，从而改变了介质的折射率分布。

当激光束通过介质时，由于折射率分布的不均匀性，会产生自聚焦或自散焦现象。

四、BBO晶体的热透镜效应1. BBO晶体的热透镜效应机理BBO晶体在高功率激光束作用下，会吸收一部分能量导致温度升高。

由于BBO晶体具有双折射特性，在温度变化时其折射率也会发生变化。

这种折射率变化会导致激光束在BBO晶体内部发生自聚焦或自散焦现象。

2. BBO晶体热透镜效应的影响因素BBO晶体热透镜效应受到多种因素影响，包括激光功率、激光波长、BBO晶体厚度、入射角度等。

其中，激光功率是影响热透镜效应最主要的因素。

3. BBO晶体热透镜效应的应用BBO晶体的热透镜效应在高功率激光系统中具有广泛的应用。

例如，在激光聚焦、高功率激光器保护、激光加工等领域中都有重要作用。

五、结论总之，BBO晶体的热透镜效应是一种重要特性，对于实现高功率激光系统及其它相关领域具有重要意义。

未来，随着技术的不断发展，BBO晶体热透镜效应在更多领域中将得到广泛应用。