张波 李月飞 曹蔚琳 黄晓杰 张大伟 李建郎

摘要：固体激光器的热管理仍然是高功率激光系统发展的一个持续挑战。在激光系统中增益介质和泵浦光之间引入相对运动是一种高效的热管理方案。针对静止泵浦，旋转增益介质泵浦以及泵浦光旋转泵浦3种泵浦方式，借助有限元数值模拟方法分析了 Nd∶YAG 晶体的温度分布。泵浦光以800 r/min 旋转时，在35 W 泵浦功率下，使用标准的热沉冷却技术，晶体的最高温度达到约36℃， 仅增加约16℃， 这远低于静止泵浦时的142℃。实验设计并演示了一种腔外旋转泵浦的 Nd∶YAG 激光器，得到了12.2 W 的1064 nm连续输出，斜率效率为37.2%，这大于静止时的35.1%，实验结果与理论结果相符合。研究表明，腔外旋转泵浦的固体激光器拥有高效的热管理。

关键词：腔外旋转泵浦；Nd∶YAG 激光器；热效应；有限元分析

中图分类号： TN 242 文献标志码： A

Research on Nd∶YAG solid-state laser with extracavity rotatory pumping

ZHANG Bo，LI Yuefei，CAO Weilin，HUANG Xiaojie，ZHANG Dawei，LI Jianlang

（School of Optical-Electricaland Computer Engineering， University of Shanghai forScience and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract： Thermal management in solid-state lasers is still a challenge in the development of high- energy laser systems. Introducing relative motion between the pump beam and the gain medium in thelasersystemisanefficientthermalmanagementscheme. Thetemperaturedistributionof Nd∶YAGcrystalwasanalyzedbymeansoffiniteelementnumericalsimulationforstatic pumping， rotating gain medium pumping and pump-beam rotating pumping. Rotated at 800 r/min withstandardheat-sinking coolingthedisktemperatureincreasedbyonly 16 ℃ reachingamaximumtemperatureof ～36℃，whichismuchlowerthan ～142 ℃ atstaticpumping. Experimentally， we designed and demonstrated a Nd∶YAG laser with the extracavity rotatory pumping， and obtained a 12.2 W output of 1064 nm with a slope efficiency of 37.2%， which isgreaterthanthe 35.1% atstaticpumping. Theexperimentalresultswerecoincidingwiththe theoretical simulation. The study shows that the solid state laser with extracavity rotatory pumping displays greatly enhanced thermal control.

Keywords： extracavity rotatory pumping; Nd ∶YAG lasers; thermal effect; finite element analysis

引言

固体激光器的激光增益介质在吸收泵浦光后由于量子缺陷等原因导致晶体内产生大量废热，当对材料进行冷却散热时将产生不均匀的温度分布，造成热透镜以及热致双折射等热效应[1]。热效应严重限制了激光器的高功率以及高质量的输出[2]。改变增益介质几何结构的设计包括薄片激光器，光纤以及平面波导激光器，之字形板激光器，键合晶体激光器等[3-4]。这些固体激光器的设计都是为了减缓热效应和提高输出功率，并且都取得了一些成果。然而在更高的泵浦功率下热量持续积累在固定的泵浦区域内，这将产生严重的热效应并且材料有断裂的风险，从而限制了高功率固体激光器的发展。……