復合Nd∶YAG晶體大功率1064 nm固體激光器研究

郝 旺,李 祎,高蘭蘭

(長春理工大學,吉林 長春 130022)

1 引 言

在固體激光器激光晶體的工作過程中,由于量子虧損、下激光能級與基態(tài)之間能差轉(zhuǎn)化為熱量、激光猝滅等原因會產(chǎn)生大量的熱量,進而導致激光晶體內(nèi)部溫度分布不均勻,產(chǎn)生熱透鏡、端面熱變形等效應(yīng)。當泵浦功率輸入穩(wěn)定時,晶體內(nèi)部便會形成穩(wěn)定的溫度場,引起晶體的熱透鏡效應(yīng),進而影響晶體折射率、限制激光器輸出功率,影響Nd∶YAG激光器的性能[1]。通過鍵合技術(shù)將Nd∶YAG晶體鍵合成為復合晶體,構(gòu)成激光器的諧振腔,這種激光器具有高集成、高可靠性和峰值功率高,光斑質(zhì)量好等優(yōu)點[2-3]。

本文采用三種不同結(jié)構(gòu)的Nd∶YAG晶體,通過Comsol仿真軟件對三種激光晶體在相同工作條件下的溫度分布進行模擬[4],結(jié)合實驗數(shù)據(jù)驗證理論模擬的正確性,研究結(jié)果表明復合晶體的散熱效果優(yōu)于均勻摻雜Nd∶YAG晶體,激光器的輸出功率提高50%,光斑質(zhì)量也更優(yōu)化。理論和實驗結(jié)果表明,復合晶體在高質(zhì)量大功率激光輸出方面更加有利[5]。

2 Comsol模擬Nd∶YAG晶體溫度分布

本研究使用的Nd∶YAG晶體有兩種結(jié)構(gòu),一種為均勻摻雜Nd3+離子的Nd∶YAG激光晶體(如圖1(a)所示),另一種為鍵合結(jié)構(gòu),即在均勻摻雜Nd3+離子的Nd∶YAG激光晶體兩端利用擴散結(jié)合的方式鍵合3 mm的YAG晶體(如圖1(b)所示)。由于YAG晶體對泵浦光無吸收,可以將復合晶體中的熱量從摻雜部分擴散到非摻雜部分,再由制冷裝置將熱量散發(fā),因此比均勻摻雜晶體的散熱效果好很多,減少晶體的熱膨脹,降低大量積累的熱量對激光晶體折射率的影響[6]。為了對比這兩種晶體的散熱性能,對其在端面泵浦工作情況下,達到穩(wěn)態(tài)時的溫度分布進行了模擬。

圖1 Nd∶YAG晶體結(jié)構(gòu)

由熱動力學分析可得,整個長方體晶體處于穩(wěn)態(tài)時的熱傳導方程為:

(1)

其中:

(2)

(3)

x、y、z分別為Nd∶YAG柱體的端面坐標和軸向坐標,激光晶體的坐標原點為晶體泵浦端面中心。

Q為由泵浦光轉(zhuǎn)化的熱量；ωp為泵浦光在晶體中傳輸?shù)墓馐霃?；ηh為泵浦能量轉(zhuǎn)化為熱量的比例系數(shù)；pin為泵浦功率；α為Nd∶YAG對泵浦光的吸收系數(shù)；k為Nd∶YAG的熱導率。

方程中取ηh=35%,pin= 18 W,α=3.5 cm-1,ωp=200 μm,k=13 W·m-1·K-1,激光晶體與空氣接觸的兩個端面的熱交換系數(shù)取h=50 cm-2·K-1,與金屬底座接觸的側(cè)面熱交換系數(shù)取h=10000 cm-2·K-1,設(shè)Te(環(huán)境溫度)=20 ℃,金屬底座溫度取TC=18 ℃[7]。

3 模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)

通過Comsol仿真軟件的熱傳導模塊對兩種激光晶體在激光器工作達到穩(wěn)態(tài)時的溫度分布進行模擬,得到的模擬結(jié)果如圖2和圖3所示。

通過Comsol仿真軟件模擬得到的結(jié)果如表1所示。

同時通過軟件模擬得到了兩種激光晶體在穩(wěn)態(tài)工作時晶體內(nèi)最高溫度點的位置坐標,如表2所示。

圖2 均勻摻雜晶體穩(wěn)態(tài)時的溫度分布

圖3 鍵合3 mmYAG晶體的復合晶體穩(wěn)態(tài)時的溫度分布

晶體種類最高溫度/℃最低溫度/℃均勻摻雜晶體97.120518.6928復合晶體(3mm)89.080618.0580

表2 兩種晶體在激光器達到穩(wěn)態(tài)時晶體內(nèi)最高溫度點坐標

實驗中,利用波長808 nm半導體激光器作為泵浦源,其最大輸出功率為18 W,分別以3 mm×3 mm×10 mm、3 mm×3 mm×16 mm兩種Nd∶YAG激光晶體為工作物質(zhì)進行實驗,測量激光器達到穩(wěn)態(tài)時1064 nm激光的輸出功率,得到圖4所示的功率輸出曲線。

圖4 兩種激光晶體的輸出功率曲線

從圖4中可以看出,兩端有3 mm鍵合純YAG的Nd∶YAG晶體在LD最大工作電流為42.5 A(輸出功率為18 W)時,1064 nm激光的最大輸出功率為9.3 W,均勻摻雜Nd∶YAG的輸出功率為6 W,如果繼續(xù)增加泵浦功率,均勻摻雜Nd∶YAG晶體的光斑不再是TEM00模,說明晶體內(nèi)溫度場已經(jīng)嚴重影響激光器的工作性能。而復合晶體輸出的均為基模。

4 拓展與探索

為了分析復合晶體的端面鍵合晶體對激光晶體在穩(wěn)態(tài)工作時最高溫度的影響,進行了第三種復合結(jié)構(gòu)晶體的模擬,即將端面鍵合晶體的長度設(shè)置為5 mm(晶體結(jié)構(gòu)如圖5所示),利用Comsol仿真軟件的熱傳導模塊對其在激光器工作達到穩(wěn)態(tài)時的溫度分布進行模擬,得到的模擬結(jié)果如圖6所示。

圖5 兩端分別有長5 mm的未摻雜YAG的復合晶體

圖6 鍵合5 mm YAG晶體的復合晶體穩(wěn)態(tài)時的溫度分布

當延長復合晶體的端面鍵合晶體為5 mm時,激光器工作達到穩(wěn)態(tài)時晶體的最高溫度為88.01 ℃,比端面鍵合晶體為3 mm的復合晶體的最高溫度下降1.07 ℃,最高溫度點的位置坐標為(0.02934,0.0091596,0.93665)(單位:mm),相比端面鍵合晶體為3 mm的復合晶體向泵浦端面方向(即z軸負半軸方向)移動0.09 mm。

5 結(jié)論與分析

對比圖2和圖3的溫度分布可以看出,均勻摻雜晶體的最高溫度達到97.12 ℃,最高溫度在晶體泵浦端的端面位置,此處對泵浦光的吸收最強,且與空氣接觸散熱效果差,故溫度最高；復合晶體(3 mm)的最高溫度達到89.08 ℃,與均勻摻雜晶體相比溫度下降大約8 ℃,雖然泵浦端面吸收的熱量也很多,但是在增加了YAG端帽后,散熱效果得到改善,最高溫度位置向晶體中心方向(即z軸正半軸方向)移動；復合晶體(5 mm)的最高溫度達到88.01 ℃,與復合晶體(3 mm)相比最高溫度下降大約1 ℃,晶體最高溫度點位置移動0.09 mm,說明在泵浦功率一定的情況下,增加純YAG端帽結(jié)構(gòu)的長度,復合晶體的散熱效果更好,如果增大泵浦功率,這種優(yōu)勢則更加明顯。

由實驗結(jié)果可得,復合晶體相較于均勻摻雜晶體,通過在泵浦端鍵合YAG晶體,有利于晶體的散熱,降低了激光晶體工作時的熱效應(yīng),使得激光器的輸出功率更高,光斑質(zhì)量更優(yōu)化；通過對兩種復合晶體的模擬結(jié)果的比較發(fā)現(xiàn),增長鍵合YAG晶體的長度對降低激光晶體的最高溫度有一定的效果。在實際應(yīng)用中,通過在Nd∶YAG晶體兩端鍵合YAG晶體,可以有效降低激光晶體的熱效應(yīng),提高激光器輸出功率,故復合晶體具有更大的優(yōu)勢,更適合應(yīng)用于大功率激光器。

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