Abstract

Continuous wave 808 nm pump laser-induced thermal damage of polycrystalline transparent ceramic and crystalline Nd:YAG materials was investigated both experimentally and theoretically. The measured temperature agrees well with the theoretical simulation, and the maximum hoop stresses occur on the incident facet of the end-pumped rod at about 2 times of the pump beam radius w0, where the temperature gradient is the highest and the damage occurs first at this location. The fracture-limited laser intensity of ceramics was experimentally measured to be 6.4±0.6kW/cm2, nearly 64% higher than that of the crystals (3.9±0.3kW/cm2). The deduced thermal fracture stress for ceramic was 386±50MPa, which is 64% higher than that of the crystals (235±16MPa).

© 2014 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. J. Sanghera, W. Kim, G. Villalobos, B. Shaw, C. Baker, J. Frantz, B. Sadowski, and I. Aggarwal, Materials 5, 258 (2012).
  2. A. Ikesue and Y. L. Aung, Nat. Photonics 2, 721 (2008).
    [CrossRef]
  3. M. Dubinskii, L. D. Merkle, J. R. Goff, G. J. Quarles, V. K. Castillo, K. L. Schepler, D. Zelmon, S. Guha, L. P. Gonzalez, M. R. Rickey, J. J. Lee, S. M. Hegde, J. Q. Dumm, G. L. Messing, and S.-H. Lee, Proc. SPIE 5792, 1 (2005).
    [CrossRef]
  4. D. E. Zelmon, K. L. Schepler, S. Guha, D. J. Rush, S. M. Hegde, L. P. Gonzalez, and J. Lee, Proc. SPIE 5647, 255 (2005).
    [CrossRef]
  5. L. Konoshima Chemical Co., “Konoshima ceramic YAG,” 2009, http://download.ofweek.com/detail-4000-4109.html .
  6. L. Raytheon Company Co., “YAG solid state laser ceramics breakthroughs at Raytheon,” 2010, http://www.raytheon.com/technology_today/2010_i2/yag.html .
  7. R. M. Wood, Laser-Induced Damage of Optical Materials (Institute of Physics, 2003).
  8. A. K. Cousins, IEEE J. Quantum Electron. 28, 1057 (1992).
    [CrossRef]
  9. W. Koechner, Appl. Opt. 9, 1429 (1970).
    [CrossRef]
  10. K. S. Shibib, M. A. Minshid, and N. E. Alattar, Thermal Sci. 15, 399 (2011).
    [CrossRef]
  11. D. C. Brown, IEEE J. Quantum Electron. 33, 861 (1997).
    [CrossRef]
  12. W. Koechner, Solid-State Laser Engineering, 6th ed. (Springer, 2006), pp. 438, 475.
  13. S. C. Tidwell, J. F. Seamans, M. S. Bowers, and A. K. Cousins, IEEE J. Quantum Electron. 28, 997 (1992).
    [CrossRef]
  14. R. Weber, B. Neuenschwander, M. MacDonald, M. B. Roos, and H. P. Weber, IEEE J. Quantum Electron. 34, 1046 (1998).
    [CrossRef]
  15. W. D. Kingery, Introduction to Ceramics, 2nd ed. (Wiley, 1976), pp. 783–797.

2012 (1)

J. Sanghera, W. Kim, G. Villalobos, B. Shaw, C. Baker, J. Frantz, B. Sadowski, and I. Aggarwal, Materials 5, 258 (2012).

2011 (1)

K. S. Shibib, M. A. Minshid, and N. E. Alattar, Thermal Sci. 15, 399 (2011).
[CrossRef]

2008 (1)

A. Ikesue and Y. L. Aung, Nat. Photonics 2, 721 (2008).
[CrossRef]

2005 (2)

M. Dubinskii, L. D. Merkle, J. R. Goff, G. J. Quarles, V. K. Castillo, K. L. Schepler, D. Zelmon, S. Guha, L. P. Gonzalez, M. R. Rickey, J. J. Lee, S. M. Hegde, J. Q. Dumm, G. L. Messing, and S.-H. Lee, Proc. SPIE 5792, 1 (2005).
[CrossRef]

D. E. Zelmon, K. L. Schepler, S. Guha, D. J. Rush, S. M. Hegde, L. P. Gonzalez, and J. Lee, Proc. SPIE 5647, 255 (2005).
[CrossRef]

1998 (1)

R. Weber, B. Neuenschwander, M. MacDonald, M. B. Roos, and H. P. Weber, IEEE J. Quantum Electron. 34, 1046 (1998).
[CrossRef]

1997 (1)

D. C. Brown, IEEE J. Quantum Electron. 33, 861 (1997).
[CrossRef]

1992 (2)

S. C. Tidwell, J. F. Seamans, M. S. Bowers, and A. K. Cousins, IEEE J. Quantum Electron. 28, 997 (1992).
[CrossRef]

A. K. Cousins, IEEE J. Quantum Electron. 28, 1057 (1992).
[CrossRef]

1970 (1)

Aggarwal, I.

J. Sanghera, W. Kim, G. Villalobos, B. Shaw, C. Baker, J. Frantz, B. Sadowski, and I. Aggarwal, Materials 5, 258 (2012).

Alattar, N. E.

K. S. Shibib, M. A. Minshid, and N. E. Alattar, Thermal Sci. 15, 399 (2011).
[CrossRef]

Aung, Y. L.

A. Ikesue and Y. L. Aung, Nat. Photonics 2, 721 (2008).
[CrossRef]

Baker, C.

J. Sanghera, W. Kim, G. Villalobos, B. Shaw, C. Baker, J. Frantz, B. Sadowski, and I. Aggarwal, Materials 5, 258 (2012).

Bowers, M. S.

S. C. Tidwell, J. F. Seamans, M. S. Bowers, and A. K. Cousins, IEEE J. Quantum Electron. 28, 997 (1992).
[CrossRef]

Brown, D. C.

D. C. Brown, IEEE J. Quantum Electron. 33, 861 (1997).
[CrossRef]

Castillo, V. K.

M. Dubinskii, L. D. Merkle, J. R. Goff, G. J. Quarles, V. K. Castillo, K. L. Schepler, D. Zelmon, S. Guha, L. P. Gonzalez, M. R. Rickey, J. J. Lee, S. M. Hegde, J. Q. Dumm, G. L. Messing, and S.-H. Lee, Proc. SPIE 5792, 1 (2005).
[CrossRef]

Cousins, A. K.

A. K. Cousins, IEEE J. Quantum Electron. 28, 1057 (1992).
[CrossRef]

S. C. Tidwell, J. F. Seamans, M. S. Bowers, and A. K. Cousins, IEEE J. Quantum Electron. 28, 997 (1992).
[CrossRef]

Dubinskii, M.

M. Dubinskii, L. D. Merkle, J. R. Goff, G. J. Quarles, V. K. Castillo, K. L. Schepler, D. Zelmon, S. Guha, L. P. Gonzalez, M. R. Rickey, J. J. Lee, S. M. Hegde, J. Q. Dumm, G. L. Messing, and S.-H. Lee, Proc. SPIE 5792, 1 (2005).
[CrossRef]

Dumm, J. Q.

M. Dubinskii, L. D. Merkle, J. R. Goff, G. J. Quarles, V. K. Castillo, K. L. Schepler, D. Zelmon, S. Guha, L. P. Gonzalez, M. R. Rickey, J. J. Lee, S. M. Hegde, J. Q. Dumm, G. L. Messing, and S.-H. Lee, Proc. SPIE 5792, 1 (2005).
[CrossRef]

Frantz, J.

J. Sanghera, W. Kim, G. Villalobos, B. Shaw, C. Baker, J. Frantz, B. Sadowski, and I. Aggarwal, Materials 5, 258 (2012).

Goff, J. R.

M. Dubinskii, L. D. Merkle, J. R. Goff, G. J. Quarles, V. K. Castillo, K. L. Schepler, D. Zelmon, S. Guha, L. P. Gonzalez, M. R. Rickey, J. J. Lee, S. M. Hegde, J. Q. Dumm, G. L. Messing, and S.-H. Lee, Proc. SPIE 5792, 1 (2005).
[CrossRef]

Gonzalez, L. P.

M. Dubinskii, L. D. Merkle, J. R. Goff, G. J. Quarles, V. K. Castillo, K. L. Schepler, D. Zelmon, S. Guha, L. P. Gonzalez, M. R. Rickey, J. J. Lee, S. M. Hegde, J. Q. Dumm, G. L. Messing, and S.-H. Lee, Proc. SPIE 5792, 1 (2005).
[CrossRef]

D. E. Zelmon, K. L. Schepler, S. Guha, D. J. Rush, S. M. Hegde, L. P. Gonzalez, and J. Lee, Proc. SPIE 5647, 255 (2005).
[CrossRef]

Guha, S.

D. E. Zelmon, K. L. Schepler, S. Guha, D. J. Rush, S. M. Hegde, L. P. Gonzalez, and J. Lee, Proc. SPIE 5647, 255 (2005).
[CrossRef]

M. Dubinskii, L. D. Merkle, J. R. Goff, G. J. Quarles, V. K. Castillo, K. L. Schepler, D. Zelmon, S. Guha, L. P. Gonzalez, M. R. Rickey, J. J. Lee, S. M. Hegde, J. Q. Dumm, G. L. Messing, and S.-H. Lee, Proc. SPIE 5792, 1 (2005).
[CrossRef]

Hegde, S. M.

M. Dubinskii, L. D. Merkle, J. R. Goff, G. J. Quarles, V. K. Castillo, K. L. Schepler, D. Zelmon, S. Guha, L. P. Gonzalez, M. R. Rickey, J. J. Lee, S. M. Hegde, J. Q. Dumm, G. L. Messing, and S.-H. Lee, Proc. SPIE 5792, 1 (2005).
[CrossRef]

D. E. Zelmon, K. L. Schepler, S. Guha, D. J. Rush, S. M. Hegde, L. P. Gonzalez, and J. Lee, Proc. SPIE 5647, 255 (2005).
[CrossRef]

Ikesue, A.

A. Ikesue and Y. L. Aung, Nat. Photonics 2, 721 (2008).
[CrossRef]

Kim, W.

J. Sanghera, W. Kim, G. Villalobos, B. Shaw, C. Baker, J. Frantz, B. Sadowski, and I. Aggarwal, Materials 5, 258 (2012).

Kingery, W. D.

W. D. Kingery, Introduction to Ceramics, 2nd ed. (Wiley, 1976), pp. 783–797.

Koechner, W.

W. Koechner, Appl. Opt. 9, 1429 (1970).
[CrossRef]

W. Koechner, Solid-State Laser Engineering, 6th ed. (Springer, 2006), pp. 438, 475.

Lee, J.

D. E. Zelmon, K. L. Schepler, S. Guha, D. J. Rush, S. M. Hegde, L. P. Gonzalez, and J. Lee, Proc. SPIE 5647, 255 (2005).
[CrossRef]

Lee, J. J.

M. Dubinskii, L. D. Merkle, J. R. Goff, G. J. Quarles, V. K. Castillo, K. L. Schepler, D. Zelmon, S. Guha, L. P. Gonzalez, M. R. Rickey, J. J. Lee, S. M. Hegde, J. Q. Dumm, G. L. Messing, and S.-H. Lee, Proc. SPIE 5792, 1 (2005).
[CrossRef]

Lee, S.-H.

M. Dubinskii, L. D. Merkle, J. R. Goff, G. J. Quarles, V. K. Castillo, K. L. Schepler, D. Zelmon, S. Guha, L. P. Gonzalez, M. R. Rickey, J. J. Lee, S. M. Hegde, J. Q. Dumm, G. L. Messing, and S.-H. Lee, Proc. SPIE 5792, 1 (2005).
[CrossRef]

MacDonald, M.

R. Weber, B. Neuenschwander, M. MacDonald, M. B. Roos, and H. P. Weber, IEEE J. Quantum Electron. 34, 1046 (1998).
[CrossRef]

Merkle, L. D.

M. Dubinskii, L. D. Merkle, J. R. Goff, G. J. Quarles, V. K. Castillo, K. L. Schepler, D. Zelmon, S. Guha, L. P. Gonzalez, M. R. Rickey, J. J. Lee, S. M. Hegde, J. Q. Dumm, G. L. Messing, and S.-H. Lee, Proc. SPIE 5792, 1 (2005).
[CrossRef]

Messing, G. L.

M. Dubinskii, L. D. Merkle, J. R. Goff, G. J. Quarles, V. K. Castillo, K. L. Schepler, D. Zelmon, S. Guha, L. P. Gonzalez, M. R. Rickey, J. J. Lee, S. M. Hegde, J. Q. Dumm, G. L. Messing, and S.-H. Lee, Proc. SPIE 5792, 1 (2005).
[CrossRef]

Minshid, M. A.

K. S. Shibib, M. A. Minshid, and N. E. Alattar, Thermal Sci. 15, 399 (2011).
[CrossRef]

Neuenschwander, B.

R. Weber, B. Neuenschwander, M. MacDonald, M. B. Roos, and H. P. Weber, IEEE J. Quantum Electron. 34, 1046 (1998).
[CrossRef]

Quarles, G. J.

M. Dubinskii, L. D. Merkle, J. R. Goff, G. J. Quarles, V. K. Castillo, K. L. Schepler, D. Zelmon, S. Guha, L. P. Gonzalez, M. R. Rickey, J. J. Lee, S. M. Hegde, J. Q. Dumm, G. L. Messing, and S.-H. Lee, Proc. SPIE 5792, 1 (2005).
[CrossRef]

Rickey, M. R.

M. Dubinskii, L. D. Merkle, J. R. Goff, G. J. Quarles, V. K. Castillo, K. L. Schepler, D. Zelmon, S. Guha, L. P. Gonzalez, M. R. Rickey, J. J. Lee, S. M. Hegde, J. Q. Dumm, G. L. Messing, and S.-H. Lee, Proc. SPIE 5792, 1 (2005).
[CrossRef]

Roos, M. B.

R. Weber, B. Neuenschwander, M. MacDonald, M. B. Roos, and H. P. Weber, IEEE J. Quantum Electron. 34, 1046 (1998).
[CrossRef]

Rush, D. J.

D. E. Zelmon, K. L. Schepler, S. Guha, D. J. Rush, S. M. Hegde, L. P. Gonzalez, and J. Lee, Proc. SPIE 5647, 255 (2005).
[CrossRef]

Sadowski, B.

J. Sanghera, W. Kim, G. Villalobos, B. Shaw, C. Baker, J. Frantz, B. Sadowski, and I. Aggarwal, Materials 5, 258 (2012).

Sanghera, J.

J. Sanghera, W. Kim, G. Villalobos, B. Shaw, C. Baker, J. Frantz, B. Sadowski, and I. Aggarwal, Materials 5, 258 (2012).

Schepler, K. L.

M. Dubinskii, L. D. Merkle, J. R. Goff, G. J. Quarles, V. K. Castillo, K. L. Schepler, D. Zelmon, S. Guha, L. P. Gonzalez, M. R. Rickey, J. J. Lee, S. M. Hegde, J. Q. Dumm, G. L. Messing, and S.-H. Lee, Proc. SPIE 5792, 1 (2005).
[CrossRef]

D. E. Zelmon, K. L. Schepler, S. Guha, D. J. Rush, S. M. Hegde, L. P. Gonzalez, and J. Lee, Proc. SPIE 5647, 255 (2005).
[CrossRef]

Seamans, J. F.

S. C. Tidwell, J. F. Seamans, M. S. Bowers, and A. K. Cousins, IEEE J. Quantum Electron. 28, 997 (1992).
[CrossRef]

Shaw, B.

J. Sanghera, W. Kim, G. Villalobos, B. Shaw, C. Baker, J. Frantz, B. Sadowski, and I. Aggarwal, Materials 5, 258 (2012).

Shibib, K. S.

K. S. Shibib, M. A. Minshid, and N. E. Alattar, Thermal Sci. 15, 399 (2011).
[CrossRef]

Tidwell, S. C.

S. C. Tidwell, J. F. Seamans, M. S. Bowers, and A. K. Cousins, IEEE J. Quantum Electron. 28, 997 (1992).
[CrossRef]

Villalobos, G.

J. Sanghera, W. Kim, G. Villalobos, B. Shaw, C. Baker, J. Frantz, B. Sadowski, and I. Aggarwal, Materials 5, 258 (2012).

Weber, H. P.

R. Weber, B. Neuenschwander, M. MacDonald, M. B. Roos, and H. P. Weber, IEEE J. Quantum Electron. 34, 1046 (1998).
[CrossRef]

Weber, R.

R. Weber, B. Neuenschwander, M. MacDonald, M. B. Roos, and H. P. Weber, IEEE J. Quantum Electron. 34, 1046 (1998).
[CrossRef]

Wood, R. M.

R. M. Wood, Laser-Induced Damage of Optical Materials (Institute of Physics, 2003).

Zelmon, D.

M. Dubinskii, L. D. Merkle, J. R. Goff, G. J. Quarles, V. K. Castillo, K. L. Schepler, D. Zelmon, S. Guha, L. P. Gonzalez, M. R. Rickey, J. J. Lee, S. M. Hegde, J. Q. Dumm, G. L. Messing, and S.-H. Lee, Proc. SPIE 5792, 1 (2005).
[CrossRef]

Zelmon, D. E.

D. E. Zelmon, K. L. Schepler, S. Guha, D. J. Rush, S. M. Hegde, L. P. Gonzalez, and J. Lee, Proc. SPIE 5647, 255 (2005).
[CrossRef]

Appl. Opt. (1)

IEEE J. Quantum Electron. (4)

D. C. Brown, IEEE J. Quantum Electron. 33, 861 (1997).
[CrossRef]

S. C. Tidwell, J. F. Seamans, M. S. Bowers, and A. K. Cousins, IEEE J. Quantum Electron. 28, 997 (1992).
[CrossRef]

R. Weber, B. Neuenschwander, M. MacDonald, M. B. Roos, and H. P. Weber, IEEE J. Quantum Electron. 34, 1046 (1998).
[CrossRef]

A. K. Cousins, IEEE J. Quantum Electron. 28, 1057 (1992).
[CrossRef]

Materials (1)

J. Sanghera, W. Kim, G. Villalobos, B. Shaw, C. Baker, J. Frantz, B. Sadowski, and I. Aggarwal, Materials 5, 258 (2012).

Nat. Photonics (1)

A. Ikesue and Y. L. Aung, Nat. Photonics 2, 721 (2008).
[CrossRef]

Proc. SPIE (2)

M. Dubinskii, L. D. Merkle, J. R. Goff, G. J. Quarles, V. K. Castillo, K. L. Schepler, D. Zelmon, S. Guha, L. P. Gonzalez, M. R. Rickey, J. J. Lee, S. M. Hegde, J. Q. Dumm, G. L. Messing, and S.-H. Lee, Proc. SPIE 5792, 1 (2005).
[CrossRef]

D. E. Zelmon, K. L. Schepler, S. Guha, D. J. Rush, S. M. Hegde, L. P. Gonzalez, and J. Lee, Proc. SPIE 5647, 255 (2005).
[CrossRef]

Thermal Sci. (1)

K. S. Shibib, M. A. Minshid, and N. E. Alattar, Thermal Sci. 15, 399 (2011).
[CrossRef]

Other (5)

W. Koechner, Solid-State Laser Engineering, 6th ed. (Springer, 2006), pp. 438, 475.

L. Konoshima Chemical Co., “Konoshima ceramic YAG,” 2009, http://download.ofweek.com/detail-4000-4109.html .

L. Raytheon Company Co., “YAG solid state laser ceramics breakthroughs at Raytheon,” 2010, http://www.raytheon.com/technology_today/2010_i2/yag.html .

R. M. Wood, Laser-Induced Damage of Optical Materials (Institute of Physics, 2003).

W. D. Kingery, Introduction to Ceramics, 2nd ed. (Wiley, 1976), pp. 783–797.

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (4)

Fig. 1.
Fig. 1.

Experimental setup for thermal fracture measurement of Nd:YAG rods, with a temperature sensor (TS) fixed at the middle of rod side surface; the He–Ne laser beam profiles before and after fracture occurrence are shown as inserts.

Fig. 2.
Fig. 2.

Simulated 3D temperature distributions in end-pumped Nd:YAG rods at the fracture point: (a) for ceramic sample 1 and (b) for crystal sample 1.

Fig. 3.
Fig. 3.

Simulated axial and radial temperature distributions of the rods at the fracture point for ceramic 1. The solid line denotes longitudinal temperature distribution along the z axis and the dashed line the distribution along the side surface of the rod. The corresponding radial temperature distribution is inserted at the right corner, and the insert at the left corner is the radial temperature gradient. The three measured temperatures at the side surface of the rods are plotted by filled triangle. The data listed are only for ceramic samples; similar distributions are found for crystals.

Fig. 4.
Fig. 4.

Simulated 3D thermal stress distributions for end-pumped Nd:YAG rods at the fracture point: (a) for ceramic 1 and (b) for typical crystal 1; due to symmetry only half the rod is shown.

Metrics