高功率碟片激光器的設計與研究

時間:2014-10-15 15:14來源:新特光電作者:yeyan 點擊:
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摘要:近年來,國內外眾多研究機構對高功率碟片激光器做了大量的研究。其在材料加工等領域有廣闊的市場前景。與傳統的固體激光器相比,碟片激光器具有很多優勢:熱透鏡效應很低,碟片激光亮度很高;對泵浦源亮度要求低、電光轉換效率高、成本效益高—尤其是在高平均功率系統中;在內部強度不變的情況下,光束橫截面與輸出功率成正比;深增益飽和避免了常見于光纖激光器系統

關鍵字:激光,激光器,碟片激光器

  近年來,國內外眾多研究機構對高功率碟片激光器做了大量的研究。其在材料加工等領域有廣闊的市場前景。與傳統的固體激光器相比,碟片激光器具有很多優勢:熱透鏡效應很低,碟片激光亮度很高;對泵浦源亮度要求低、電光轉換效率高、成本效益高—尤其是在高平均功率系統中;在內部強度不變的情況下,光束橫截面與輸出功率成正比;深增益飽和避免了常見于光纖激光器系統中的有害背向反射;模區橫截面大,可避免一些由非線性效應所引起的問題。正是由于這些優勢,南洋股份是哪个公司的克服了諸多傳統棒狀增益介質激光器無法克服的困難,從而帶來了巨大的應用前景。

  碟片激光器近期主要研究成果有: 輸出功率2kW,光束質量為2mm?mrad 的連續單碟片激光器;輸出功率8kW,光束質量為8mm·mrad的連續碟片激光器;平均功率1kW的光纖耦合高功率調Q碟片激光器。當碟片激光器泵浦區面積增大時,需要能夠承載更大發熱功率的冷卻設備以將增益介質保持在較低的溫度,否則溫度過高會導致光光效率降低,并且還會導致增益介質導熱系數下降,從而進入惡性循環。另外,還要將增益介質各向溫差梯度控制在一定范圍內,否則會由于熱脹冷縮造成增益介質內應力過大進而損壞。

  本文通過設計優化碟片激光器冷卻系統,進一步改善碟片激光器的工作狀態,實現更高的輸出功率及光束質量,并降低碟片激光器使用成本。尋求比現在碟片激光器常用的直接或熱沉水射流沖擊冷卻更好的冷卻方案,對其效果模擬仿真。

  在筆者研究中,將借鑒各領域新技術改進碟片激光器的冷卻方案,以實現較好的冷卻效果。

  金剛石導熱:即以金剛石作為導熱材料,其技術亮點在于金剛石極高的導熱率(高達2300w/m·K)。該技術現已經進入商用階段。

  液相對流(介質:液態金屬或其他新型冷卻劑):與水冷類似,但工質為液態金屬,循環系統為全封閉式,采用無機械結構的電磁泵。其有無噪音、無震動、無損耗、機械部件極少、壽命長等優點,常用于核反應堆等。

  工作環境為室溫大氣環境,散熱功率130W。目前公開的液態金屬散熱器用工質主要有Hg、NaK、汞齊、鎵銦錫合金等。除此之外,液態金屬還可用于處理散熱器和發熱面的接觸問題,用于排除接觸面間隙中空氣以降低接觸面區域的附加熱阻。

  熱管導熱:熱管充分利用熱傳導原理與致冷介質的快速熱傳遞性質,透過熱管將發熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外,其導熱能力超過任何已知金屬。

  工作原理是當熱管一端受熱時毛紉芯中液體吸熱蒸發,蒸汽流向冷端放出熱量凝結,液體再靠毛細力回流,如此循環。熱管具有高導熱率、高等溫性、熱流密度可變、熱流方向可逆、環境適應性強等優點。

  半導體冷卻:半導體致冷優點是主動制冷;可用溫控電路進行精確溫控,精度可達±0.1°C;致冷組件無運動部件,工作時不產生噪音;可靠性高,冷卻效率高,壽命通常高于20萬小時。

  1、方案論證

  1.1、理論基礎

  碟片激光器基本設計思想是利用 面冷卻較高的面積體積比,高效的冷卻裝置使輸出激光平均功率更高,此外軸向熱流有效地消除內部產生的熱透鏡效應。

  棒式激光增益介質需通過側面散熱,因此產生二維熱流而導致拋物線熱分布。由于折射率受溫度影響這導致強烈的熱透鏡效應,從而限制了光束質量和輸出功率。相比之下,碟片激光增益介質通過晶體背面進行散熱,僅產生模界面一維熱流。由于熱梯度方向與激光傳播方向平行,因此,內部熱透鏡效應得到有效消除。

  在實際的高功率碟片激光設計中激光晶體要么附著散熱片要么直接沖擊冷卻。

  高效率散熱需要的短軸向尺寸晶體泵浦能量吸收效率過低的問題可通過一個多通道配置構成的拋物面反射鏡和一個向后反射系統解決,也可以耦合二極管輻射側面的晶體(此方案最好用僅在活躍區參雜的陶瓷增益介質)。

  準直泵浦光束進入腔內通過拋物面反射鏡聚焦到激光晶體。輻射被部分吸收后,其余部分的輻射從晶體背面高反射涂層反射回來。依靠成功的通過逆向棱鏡的重定向和通過拋物柱面境的重新成像,實現總數20的吸收程,從而實現了泵浦光的高效率吸收。

  如此的光腔光學設計實現了對泵浦源亮度的低要求。高平均功率碟片激光器需要典型的500mm?mrad光束參數的泵浦源。相比光纖激光器,碟片激光器大大降低了光束質量的要求。

  在過去的幾年中已經出現了多種稀土離子激光器上。然而到目前為止,重要的工業高平均功率碟片激光器晶體只有Yb:YAG。這主要是因為這一材料在光譜性能、機械性能和實用性幾方面取得了良好的平衡。由于Yb量子數 虧損低:在室溫下YAG激光廢熱產生程度更低(這種特性涉及到一個準三能級系統)。

  使用多程泵浦腔除了增加吸收效率還可以增加泵通總和以增加有效泵強度。當采用類似的三能級激光介質時,高有效泵強度與吸收強度之 比使激光器閾值更低。其理由是,該增益介質透明 度達到了與較低泵浦功率相應的水平。

  碟片激光器僅需簡單增加激光晶體泵浦區面積,可在不改變任何部件最高溫度的前提下使激光器平均輸出功率提升。由于碟片激光器熱透鏡效應的主觀可控性,通過適當內部工程布局設計碟片激光器熱透鏡效應可控制在很低的值上。一旦設計出某一單碟功率水平的碟片 激光器,進一步功率標定可以通過多種方式耦合多個碟片完成。一般單一諧振腔串行耦合是最好的辦法,因為它可使光學布局更簡單。此外串行耦合還可保證輸出光束質量。TruDisk激光系列產品為串行耦合碟片激光器,其實現了高達8kW的平均輸出功率。在實驗室中激光光束質量為8mm?mrad的3串行碟片激光頭產品取得了高達14kW的平均輸出功率。

  根據理論預測,碟片激光器單碟功率提升唯一的物理限制是自發輻射與受激輻射的競爭。然而斯圖加特IFSW性能模擬表明,可以用單碟實現萬瓦級平均輸出功率。這表明,如果應用需要這種高功率系統,高光束質量碟片激光器的功率平均水平將超過100kW。

  1.2、目標

  碟片激光器增益介質通常通過背 冷卻,其單碟發熱量通常為100-500W/cm2,目前實驗室激光器更是超過800W/cm2。在這種情況下增益晶體需要 有效冷卻保證其溫度不會過高。另外,晶體徑向截面各點溫度要基本一致,以確保不會引起過強的熱透鏡效應從而保證輸出光束的質量;且軸向溫差不能太大,以免熱應

  力引起晶體的物理損傷。

  1.3、方案

  碟片增益 介質與熱沉銅緊密連接在一起(焊接在一起)。

  液態金屬流經中間流過,為射流,采用這種流向對中間部分的冷卻能力更強,能保證增益介質徑向溫度均勻性。吸收了熱量的液態金屬回流,通過一個銅制扁平結構,此結構與半導體制冷片D緊密接觸。通過半導體制冷片,回流液態金屬的熱能被導入E中。E為純銅散熱片,根據使用需求可加入熱管、風扇等。另外,CD以及DE之間的接觸部分可使用液態金屬散熱墊,然后采用夾具固定,這樣不僅可使CD、DE之間的熱阻更低,而且便于其拆裝。除此之外還可以考慮用金剛石代替B的一部分,AB間空隙用少量液態金屬填充, A實用夾具固定。這樣不僅可利用金剛 石的高導熱率使增益晶體溫度更低,而且不用面臨AB焊接失敗的風險,并且增益介質還可以隨意拆裝,使設備配置更加的自由化。

  這套方案具有很多優勢:安裝所需空間小,拆裝相對方便,環境適應性強;全封閉循環結構,維護成本低,使用方便;完全無活動機械結構(E部分的風扇不計入內),工作壽命長,穩定可靠;液態金屬流速以及半導體制冷功率都是可以控制的,因此通過建立閉環控制電路可以精確控制增益介質溫度。

  2、模擬仿真

  本模擬中的增益晶體將采用最為 常見的Yb:YAG,這主要是因為這一材料在光譜性能,機械性能和實用性幾方面取得了良好的平衡。

  Yb:YAG具有YAG激光基質材料 本身優良的物理性質和穩定的化學性能,而且具有很好的激光工作性能。激光波長為1030nm,峰值吸收波長在940mm附近,吸收帶寬很寬(18nm),熒 光壽命長(0.95ms),量子效率高(91%),斜度效率高,發熱率低(小于11%),很容易被InGaAs半導體激光器泵浦。

  Yb:YAG參數:彈性模量310Gpa, 楊氏模量3.17x104 kg/mm2 ,泊松比0.3,抗張強度0.13至0.26Gpa,熱膨脹系數8x10-6/K,導熱系數20攝氏度時為14w/m·K,100攝氏度時為10.5w/m·K。 模擬中涉及的其他材料的導熱率分別為:銅401w/m·K、銦82w/m·K、金剛石2300w/m·K。

  方案優勢:安裝所需空間小,拆裝方便,維護便利,環境適應性強;全夾具固定,零件可更換,便于按需定制,靈活性強;全封閉循環結構,受環境影響小,維護成本低,使用方便;完全無活動機 械結構(E部分的風扇不計入內),工作狀態下幾乎沒有噪音,且工作壽命長, 穩定可靠;液態金屬流速以及半導體制冷功率都是直接由電控制的,因此可方便地通過建立閉環控制電路間接精確控制增益晶體溫度,而穩定的增益晶體溫度可保證光束質量的穩定。

【光粒網綜合報道】( 責任編輯:yeyan )
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