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单端键合激光晶体的热效应仿真研究

2020-12-08阅读(523)

单端键合激光晶体的热效应仿真研究

论文摘要

半导体激光二极管（LD）泵浦的固体激光器自发明激光以来,在现代社会各个领域都有着扮演着不可或缺的角色,激光技术也随着研究工作的深入走上了高速发展的道路。固体激光器根据材料和性状不同可以分为多种激光器,其中片状及棒状的掺杂晶体作为增益介质的激光器,与传统激光器相比,具有体积小、光束质量高、单位体积功率大、光光转化率高等优点。在实际应用中,此类激光器在光纤通信、空间通讯、医疗器械以及军事等领域均发挥着重要作用。激光晶体内部的热效应是固体激光器能否得到高输出功率和良好的光束质量关键制约因素之一,而随着固体激光器泵浦功率的提高,晶体热效应带来的影响越发严重。键合晶体通过在掺杂晶体端面复合非掺杂晶体,能够有效降低激光晶体中心温度,改善晶体内部温度分布,减轻热效应对激光器带来的消极影响。本文基于热效应理论建立了 YVO4/Nd:YVO4和GdVO4/Nd:GdV04键合晶体在稳定工作时的仿真模型,通过数据和图表分析研究了外部条件以及键合晶体本身形状对热效应的影响,为设计热性能更好的掺钕固体激光器给出了实验依据和优化方向。本文主要通过以下几个方面进行说明:（1）简述了固体激光器的发展和其优点,介绍常见的激光晶体以及相应激光器的性能,给出了激光晶体热效应抑制的国内外研究现状,详细描述了几种掺钕介质的激光增益晶体能级原理和物理特性,对键合晶体的产生和其作用做了介绍。（2）阐述了激光产生的基本原理,对速率方程理论和线谱加宽效应进行了理论方面的推导和介绍。重点分析了晶体热效应产生的原因,并对如何降低晶体热效应给出了几方面的介绍。（3）基于晶体热效应理论和几何结构给出了键合晶体热稳态仿真模型,用有限元分析软件给出了键合晶体内部温度分布,并围绕键合晶体外部条件,包括泵浦功率、温控温度和接触面热传导系数研究与键合晶体中心温度的关系,并通过实验定性验证了仿真结果。（4）在理论和仿真模型的基础上,讨论了在给定条件下,键合晶体本身增益部分长度和晶体截面大小对热效应的影响,并通过温度-力学耦合得到了键合晶体形变和热应力分布以及与键合晶体长度、截面大小之间的关系。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第1章 绪论
  •   1.1 固体激光器发展概况
  •   1.2 固体激光器晶体材料
  •     1.2.1 固体激光器常见增益晶体
  •     1.2.2 掺钕离子增益晶体
  •     1.2.3 键合晶体材料
  •   1.3 本文的主要研究内容和文章结构
  • 第2章 激光理论和激光器工作原理
  •   2.1 激光器工作原理
  •     2.1.1 激光产生原理
  •     2.1.2 速率方程理论和线谱加宽效应
  •   2.2 激光晶体热效应
  •     2.2.1 热效应产生原因
  •     2.2.2 降低热效应方法
  •   2.3 本章小结
  • 第3章 掺钕键合激光晶体热效应模型及热稳态有限元分析
  •   3.1 引言
  •   3.2 热稳态分析基础理论
  •     3.2.1 有限元分析方法
  •     3.2.2 热稳态分析
  •   3.3 热效应理论模型
  •     3.3.1 热效应几何模型
  •     3.3.2 键合晶体热传导模型以及边界条件
  •     3.3.3 仿真模型建立
  •   3.4 仿真实验过程及结果分析
  •     3.4.1 泵浦功率与键合晶体中心温度的变化关系
  •     3.4.2 温控温度与键合晶体中心温度的变化关系
  •     3.4.3 泵浦功率与温控温度之间的联系
  •     3.4.4 热传导系数对键合晶体中心温度的影响
  •   3.5 实验研究
  •     3.5.1 实验装置
  •     3.5.2 实验过程和结果
  •   3.6 本章小结
  • 第4章 掺钕键合晶体长度和截面大小对晶体热效应的影响
  •   4.1 引言
  •   4.2 温度分布实验
  •     4.2.1 键合晶体温度分布
  •     4.2.2 中心温度随增益晶体长度和截面大小变化
  •   4.3 热应力和压强分布实验
  •     4.3.1 键合晶体形变和热应力分布
  •     4.3.2 端面形变和热应力随增益晶体长度和截面大小变化
  •   4.4 本章小结
  • 第5章 总结与展望
  •   5.1 总结
  •   5.2 展望
  • 致谢
  • 参考文献
  • 附录

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 周宗仁

    导师: 胡淼

    关键词: 掺钕键合晶体,热效应,有限元稳态分析,热形变和热应力

    来源: 杭州电子科技大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

    专业: 物理学,化学,无线电电子学

    单位: 杭州电子科技大学

    分类号: O786;TN248

    总页数: 57

    文件大小: 5788K

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