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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
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
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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。
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。
・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。
