随着半导体激光器输出功率的进一步提高, 热管理已经成为制约其性能和可靠性的关键瓶颈之一。利用有限元方法对千瓦级高功率传导冷却型(G-Stack)半导体激光器阵列的热特性进行数值模拟与分析。结果表明工作脉宽大于250 μs时器件各发光单元之间会发生严重的热串扰现象。在横向及垂直方向的热量分别为64.7％与35.3％, 横向方向热阻的74.9％及垂直方向热阻的66.5％来自CuW, 表明CuW对于激光器的散热性能有着决定性的影响。实验测试了器件在不同占空比条件下的光谱特性, 得到工作频率分别为20、30、40 Hz相对50 Hz的温差分别为2.33、1.56、0.78 ℃, 根据累积平均温度法计算得到的温差分别为2.13, 1.47, 0.75 ℃, 理论模拟结果相对于实验结果的平均误差小于6.85%, 结果表明理论模拟结果和实验瞬态热阻基本吻合。

非稳腔在大菲涅耳数条件下可实现光的高效提取效率, 也可保持高光束质量。设计了一款用于Nd∶YAG板条增益介质的传导冷却端面抽运结构的望远镜型离轴介稳-非稳混合谐振腔, 输出耦合镜为变反镜。该混合腔的宽度方向(板条增益介质的x方向)为非稳腔, 厚度方向(板条增益介质的y方向)为介稳腔。通过理论分析得出, 当抽运功率为10 kW时, 该介稳-非稳混合腔结构的输出功率为4428.7 W, 光-光转换效率为0.4429。

设计并研究了双晶四端泵浦的Tm:YLF激光器。利用Ansys 软件中的稳态热分析模块计算了散热底板水通道在热交换系数分别为1 000 W/(m2·℃)、4 000 W/(m2·℃)、8 000 W/(m2·℃) 和 15 000 W/(m2·℃)以及采用TEC制冷时对应的晶体夹具及散热底板的温度分布。根据计算结果, 在采用水温16℃中等强制对流及以上时与TEC制冷控温18~20℃时对Tm:YLF晶体冷却效果近似, 可近似等效于TEC制冷。根据模拟计算的结果, 设计了可用光纤耦合半导体激光器泵浦的U型腔结构Tm: YLF激光器。在采用16℃冷却水直接冷却晶体夹具时, 单晶双端泵浦和双晶四端泵浦的Tm: YLF输出功率分别达到了25.9 W和46 W的激光输出, 对应的斜效率分别为40.7%和37.1%。在实验过程中, 晶体夹具未出现温度过高。实验结果说明设计的直接传导冷却系统可有效地冷却泵浦功率在140 W时的双晶四端泵浦结构Tm:YLF晶体。

分析了传导冷却与端面抽运的Nd∶YAG板条激光器边缘畸变的形成原因, 并进行了抑制边缘畸变的实验研究。根据实验参数进行了数值模拟, 模拟结果与实验结果吻合。以液态环氧胶为导热材料对激光器板条侧面进行实时冷却, 可增加板条内部荧光从侧面逸出的能量比例, 从而减小放大自发辐射, 边缘畸变量峰谷值约减小50%。该方法有利于提高板条激光器的光束质量和输出功率。

固体激光器中热效应引起的波前畸变影响了高光束质量、高功率的激光输出，限制了它在当代工业加工和科学研究领域的应用发展。以激光波前畸变的产生机理和传导冷却端面抽运板条激光器的优势为切入点，利用哈特曼夏克(H-S)波前探测器进行一系列的波前畸变测试。通过对静态波前畸变量、输出功率百瓦量级时的波前畸变量和输出功率千瓦量级的波前畸变量等结果进行数据分析，对实验进行反馈，提出改进意见，以期望进一步减少传导冷却端面抽运板条激光放大器的热效应。

采用全新设计的大功率微重力热管，对大功率空间全固态激光器实施高效传导冷却，实现了对激光放大器废热的有效耗散，获得高光束质量、高功率的激光输出。鉴于激光板条放大器的主要热源为抽运激光二极管(LD)叠层及板条增益介质，实验设计了新型放大器散热结构，分别采用单通道和并行双通道微重力热管对两级串接放大器进行散热实验。结果表明，两级放大器热沉的温度均可稳定在设定的LD工作温度范围内，获得平均功率大于20 W，放大倍数大于20倍，光束质量因子M2x，M2y控制在1.42和1.31的激光脉冲输出。

研制了一种传导冷却结构的激光二极管(LD)侧面抽运NdYAG调Q全固态脉冲激光器。将侧面抽运的NdYAG棒状激光晶体，与卡网冷却套圆滑配合，冷却套镶嵌在铜圆环热沉上，铜圆环热沉被一大的外表面加工成叠槽式的三角形铝热沉环套，3只长条形列阵半导体激光管根据其特定的设计结构固定在热沉上，实现无水冷保证激光器恒温工作。在-20 ℃~40 ℃范围内进行实验，获得了波长1.06 μm、脉冲宽度9 ns、最大能量98 mJ 的低阶膜激光输出，-20 ℃比40 ℃时能获得更高的输出能量和稳定度。该设计能缩小激光器体积，获得稳定的激光输出，代替水冷在低温下应用。

报道了一种传导冷却、双侧面反弹抽运的脉冲运转Nd:YAG两级板条激光放大器。在重复频率条件下,通过实验测试其放大输入输出关系曲线、光束质量、热效应等特性,证明此种类型的放大器具有效率高、光束质量好、结构紧凑、热效应低和功率可定标放大等特性。实验对由单频激光振荡器输出的平均功率1.1 W,脉宽11.3 ns,光束质量因子(M2x ,M2y)为1.2的激光脉冲序列进行放大,当重复频率为125 Hz时,得到平均功率24.1 W,脉宽8.9 ns,光束质量因子M2x=1.53,M2y=1.27的高光束质量放大激光脉冲序列输出。实验结果表明,此种类型的激光放大器在空间探测应用上具有潜力。

A diode pumped, Q-switched Nd:YAG zigzag slab laser is developed using passive conduction cooling. Flat-flat and unstable resonators are adopted in this experiment. The 150-mJ multi-mode and 100-mJ single-mode laser outputs with pulse width of 10 ns are achieved, corresponding to optical efficiencies of 19% and 13%, respectively. The experimental result demonstrates that the laser has the property of compact structure, high efficiency, reliability, and high beam quality. The design of laser has a potential application in space environment.