为了研究脉冲半导体激光器端面抽运激光晶体产生的热效应，对激光晶体瞬态温度场以及热形变场进行解析分析与计算。考虑到脉冲LD出射光具有超高斯分布，且Nd∶YAG晶体热传导各向同性的特点，利用热传导Poission方程得到了超高斯分布脉冲LD端面抽运Nd∶YAG晶体瞬态温度场以及热形变场的一般解析表达式，定量分析了单脉冲抽运过程中超高斯抽运光光斑半径及超高斯阶次、脉冲宽度对Nd∶YAG晶体瞬态温场的影响以及准热平衡状态温度场的时变特性。结果表明，当脉冲LD端面抽运光具有3阶超高斯分布、抽运功率为80W、脉冲频率为100Hz、脉宽为200μs、钕离子掺杂质量分数为0.01的Nd∶YAG晶体瞬态温度场随抽运脉冲呈现出周期性分布，准热平衡状态的温度在25.5℃到29.2℃之间成锯齿形周期分布；晶体抽运面的热形变量在0.13μm和0.19μm之间也呈现出周期性变化。该研究对于脉冲LD端面抽运全固态激光器热不敏谐振腔设计具有理论指导意义。

为合理进行激光谐振腔设计，研制脉冲板条全固态激光器，利用热传导理论解析研究了脉冲激光二极管(LD)巴条侧面抽运激光板条热平衡时的温度场以及热形变场分布情况。通过侧面抽运激光板条工作特点分析，建立热分析模型，考虑到激光二极管阵列(LDA)抽运光具有超高斯分布而NdYVO4板条具有热传导各向异性的特点，利用Possion方程得出了准连续LDA侧面抽运热传导各向异性板条温度场分布的一般解析表达式。对比分析了NdYVO4与NdGdVO4板条在单脉冲侧面抽运与重复脉冲侧面抽运过程中的温度场分布情况，定量计算了达到热动态平衡时NdYVO4与NdGdVO4板条抽运面中心的热形变量。计算结果表明，达到热动态平衡时， NdYVO4板条的最大与最低温升值分别为34.8 ℃和32.4 ℃，而NdGdVO4板条的最大与最低温升值分别为30.2 ℃和27.0 ℃；NdYVO4板条热动平衡时最大与最小热形变量分别为0.98 μm和0.89 μm，而NdGdVO4板条的分别为0.29 μm和0.24 μm。

在准连续激光二极管(LD)抽运的激光晶体中存在升降温的瞬态过程。为解决准连续LD端面抽运激光晶体产生的热效应问题,基于热传导方程,采用特征函数法和常数变异法得到了准连续超高斯光束端面抽运Nd:YAG棒的瞬态温度场的一般解析表达式。同时定量分析了准连续抽运光束腰半径、脉宽以及频率对Nd:YAG棒瞬态温度场的影响。研究结果表明,准连续LD端面抽运Nd:YAG棒时,棒内温度随时间呈锯齿状变化,经过一段时间后最终呈稳定周期性分布,而且棒内温度也随脉宽和频率的增大而增大。研究方法和所得结果还可以应用到激光系统的其他瞬态热问题研究中。

为了研究抽运光在Yb:YAG晶体内产生的非均匀性温升以及引起的热效应问题,以半解析热分析理论为基础,结合超高斯光束端面抽运、背向冷却Yb:YAG微片工作特点分析,采用热传导方程一种新的求解方法,得出了Yb:YAG微片内部温度场、热形变场、附加光程差的半解析计算表达式。并定量分析了超高斯光束不同阶次、不同光斑尺寸抽运时对于Yb:YAG微片温度场、热形变场的影响。结果表明,若使用50W、光斑半径300μm的5阶超高斯光束端面抽运掺镱离子原子数分数为0.08的Yb:YAG微片,抽运面上可获得52.18℃最高温升量,产生0.1195μm最大热形变,引起0.2152μm的附加光程差。该研究结果对于微片激光器热不敏谐振腔最优化设计具有理论指导作用。

为了研究半导体激光器端面抽运激光晶体产生的热效应问题,采用解析分析的方法研究端面抽运激光晶体的温升以及热形变量的大小。通过激光晶体工作特点分析,考虑到Nd:GdVO₄晶体热传导各向异性的特点,采用各向异性传热的Poisson方程,得出了超高斯光束端面抽运Nd:GdVO₄晶体温度场以及热形变场的一般解析表达式。并定量分析了超高斯光束不同阶次、不同光斑尺寸抽运时对于Nd:GdVO₄晶体温度场以及热形变场的影响。结果表明,若半导体激光器的输出功率为30W,光学聚焦耦合器传输效率为85%,5阶超高斯光束沿中心端面抽运掺钕离子原子数分数为0.012的Nd:GdVO₄晶体,抽运面可获得419.3℃的最大温升,并产生0.711μm的热形变。该结果对估算Nd:GdVO₄晶体热焦距变化范围以及进行热不敏谐振腔设计具有理论指导作用。

为了解决半导体激光器侧面泵浦Nd:GdVO₄板条激光器热透镜效应问题,用解析分析的方法研究Nd:GdVO₄板条侧泵时产生的温升以及热形变分布情况。通过半导体激光器出射泵浦光光强、激光板条镀膜结构以及工作状态的分析,建立了侧泵板条热分析模型,依据侧泵板条内热功率分布特点,推导出一种新的各向异性热传导方程求解方法,得到了侧泵Nd:GdVO₄板条温度场以及热形变场的一般解析计算表达式。并就不同泵浦光斑对Nd:GdVO₄板条热效应的影响进行了定量分析。结果表明:当使用输出功率为80W的半导体激光器侧泵掺Nd3+浓度1.2atm.%的Nd:GdVO₄晶体时,泵浦面的最高温升为695.2 ℃,泵浦面与通光端面的最大热形变量分别为1.38μm和0.63μm。研究结果对于减小板条激光器热透镜效应影响、提高腔内振荡光的增益效率具有理论指导作用。

为解决激光二极管阵列侧泵浦激光板条引起的热效应问题,通过对侧泵浦板条温度场与热形变场分布的解析研究以及对激光二极管阵列侧泵浦激光板条工作状态的分析,建立了符合实际情况的热模型,提出了求解Poisson方程的新方法,得到了侧泵浦板条温度场与热形变场的一般解析表达式。以Nd:YAG板条为例,分析了侧泵浦Nd:YAG板条温度场、热形变场的分布情况。并结合全固态激光器的设计需要,定量研究了激光二极管阵列取不同泵浦功率与不同泵浦光斑时Nd:YAG板条的温度场分布情况。计算结果表明:使用输出功率为30 W的激光二极管阵列侧面泵浦Nd:YAG板条,若耦合到板条侧面的高斯光斑半径为150 μm、板条钕离子掺杂质量分数为1.0%时,板条泵浦面具有102.3 ℃的最高温升,泵浦面与通光端面产生1.54 μm和2.66 μm的最大热形变量。激光板条温度场解析方法解决了使用数值分析法造成研究精确度不高的问题,该方法还可以应用到激光系统的其他热问题研究中,为减弱激光系统中的热问题提供理论依据。