基于能量均分方法, 根据经典热传导和热弹性理论, 建立了激光二极管端面抽运梯度浓度掺杂棒状激光介质的数值模型, 考虑到梯度浓度掺杂激光介质端面与空气的对流换热和激光介质材料的热力学参数的温度相关性, 运用有限元法, 得出了单一浓度掺杂、2阶阶变梯度浓度掺杂、5阶阶变梯度浓度掺杂和理想梯度浓度掺杂四种掺杂结构激光介质内吸收系数、抽运光吸收功率、温度、热应力和应变的空间分布。结果表明, 采用梯度浓度掺杂结构可以大大提高激光介质内抽运光吸收分布的均匀性, 5阶阶变梯度浓度掺杂激光介质的最高温度、最大主拉应力和最大主应变分别为单一浓度掺杂激光介质的42.6%、31.9%和28.1%, 可见明显减小了热效应的影响。理论分析结果可为激光二极管抽运梯度浓度掺杂激光器的合理优化设计提供数据理论支撑。

激光等离子体对精密元件表面微纳米粒子的有效去除, 在纳米科研领域中有很大的应用潜力。为了深入研究激光等离子体对微粒的去除机理和条件, 采用纳秒脉冲激光等离子体, 对硅基底表面的微纳米粒子进行去除实验, 观测了微粒的去除效果, 并理论分析了等离子体的作用效应。结果表明, 等离子体向外辐射宽谱光, 紫外短波部分加速周围空气电离, 使等离子体体积剧增, 并有效提升基底和粒子温度;基底与粒子两者热膨胀度不同, 使粒子更易于从基底剥离; 同时等离子体向周围膨胀扩散形成高压冲击波, 冲击波的压强高达GPa量级, 可以克服微粒与基底之间的范德华力, 而去除微纳米粒子, 尤其对粒径大于0.5μm的去除效果尤其明显; 在实际去除过程中, 等离子体与基底的距离应该保持在0.2mm~2mm之间, 这样既保证了微粒的有效去除, 又不会造成基底的损伤。激光等离子体对微粒的去除效果明显, 是等离子体辐射效应和冲击波效应的综合作用的结果。

为了实现2μm激光高效输出, 采用793nm激光二极管端面抽运掺Tm3+光纤激光器的方法设计了抽运光耦合系统, 分析了掺Tm3+光纤激光器的交叉弛豫效应及热效应, 并进行了相关的实验研究。结果表明, 获得耦合系统的耦合效率为84%; 当入纤抽运光功率为70W时, 获得34W激光输出, 斜率效率为59%, 中心波长为2001.2nm, 光束质量M2≤1.2。该研究结果对掺Tm3+光纤激光器的设计具有指导意义。

为了深入研究重复激光脉冲的能量效应对光学薄膜的烧蚀机理, 采用实验观测与热力学分析相结合的方法进行了研究。通过观察光学薄膜烧蚀形貌随入射激光脉冲数量增加发生改变的典型形貌特征, 分析了激光与等离子体相互作用的热力学过程, 得到了在激光重复脉冲作用下光学薄膜的损伤特性及其演化规律。结果表明, 薄膜在重复脉冲作用下, 其表面会变得粗糙, 这会大大增加对激光的吸收效应, 从而加速了薄膜的破坏, 最终被完全去除而露出基底; 同时, 烧蚀物会在热膨胀作用下向激光作用区域外扩散, 在激光烧蚀中心区域外进行沉积, 而形成更大范围的污染。由于激光光强为高斯分布, 重复脉冲作用的效应主要是对在光束中心区域的薄膜进行集中烧蚀, 会不断增加烧蚀的损伤程度, 而对烧蚀面积的增加效应极为有限。这一研究结果为重复激光脉冲对薄膜烧蚀机理的建立提供了参考。

为了研究并分析纳秒脉冲激光去除金属表面漆膜的机理，采用1064nm的纳秒激光对涂有漆膜的铝板样品进行了单脉冲辐照实验。依据热传导理论分别模拟出作用过程中漆膜以及铝板表层的温度分布，计算出漆膜与铝板界面处由于铝板基底热膨胀而产生的分离力，并分析了等离子体冲击波对去除漆膜的影响。结果表明，纳秒激光去除漆膜时力的作用为主导，其中热膨胀产生的分离力为漆膜的去除提供必要条件，漆膜对激光等离子体的约束最终导致其自身断裂和剥落。采用热力学理论对纳秒激光去除金属表面漆膜机理进行分析是可行的。

3-5μm波段中红外激光在医疗、环保、**等领域有着广泛的应用。固体激光器泵浦的光参量振荡器(OPO)是目前获得3-5μm激光的常用方式, 是激光器领域研究的热点, 国外已有报道采用ZGP-OPO方式获得27.1W的3-5μm激光。介绍了OPO获得3-5μm激光的技术途径, 以及中红外OPO的研究进展和在各个领域的应用。

随着泵浦源功率的提高和双包层抽运技术的发展, 掺Tm3+光纤激光器的输出功率已达到kW量级, 热效应逐渐成为限制掺Tm3+光纤激光器输出功率和光束质量提高的关键因素。主要分析了掺Tm3+光纤激光器的热效应以及一些常用的应对措施。

建立了激光二极管阵列快轴垂直于薄片表面、对快轴压缩、环绕侧面泵浦复合薄片激光器的数值模型。依据激光二极管阵列的输出光束特性, 运用有限元法, 得出了薄片内的泵浦光、温度和热应力分布。分析了温度和热应力与泵浦功率、换热系数和时间的变化规律。模拟结果表明：热破坏主要为复合面外侧的拉伸破裂；温度和应力的上升时间和恢复时间随泵浦功率的变化不明显, 随换热系数的增大而减小, 存在一个最佳的换热系数；考虑热力学参数温度相关性的稳态温度和应力要大于不考虑热力学参数温度相关性时的值。

为了分析薄片激光器的热效应, 建立了LD端面泵浦薄片激光介质的数值模型。考虑到介质与空气的对流换热和介质材料的热力学参数随温度的变化, 根据经典热传导方程和热弹性方程, 运用有限单元法, 得出了介质内温度和热应力的时空分布, 分析了温度和热应力与泵浦功率、换热系数和时间的变化规律。模拟结果表明: 热破坏主要为前表面光斑外侧的拉伸破裂; 温度和应力的上升时间和热恢复时间随泵浦功率的变化不是很明显, 随换热系数的增大而减小, 但随着换热系数的增加, 温度和应力的变化越来越小。

建立了激光二极管阵列(LDA) 环绕侧面泵浦复合薄片激光器的数值模型, LDA的快轴垂直于薄片表面并被压缩。依据LDA 的输出光束特性, 考虑到介质与空气的对流热交换和材料热导率的温度相关性, 根据经典热传导方程, 运用有限单元法, 得出了薄片内的泵浦光和温度分布。分析了LDA个数、泵浦距离、吸收系数和光束发散角对薄片内泵浦光分布和吸收效率的影响规律, 讨论了温度与泵浦功率、换热系数、冷却液温度和时间的变化规律, 所得的有关规律与相关实验相符合。计算结果可为LDA泵浦固体激光器的结构优化设计和实验研究提供理论参考。