準(zhǔn)基模純風(fēng)冷激光二極管泵浦Nd∶YAG激光器＊

高光波，任士龍，李 棟，鄭四木，胡文華

（中航工業(yè) 北京航空制造工程研究所，北京 100024）

引 言

隨著激光二極管技術(shù)的迅猛發(fā)展和批量生產(chǎn)，激光二極管泵浦的固體激光器在各個領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣。一方面人們利用激光二極管的熱特性突破原來燈泵固體激光器的極限，在試驗室（國內(nèi)）或軍用領(lǐng)域（美國）獲得更高的連續(xù)功率、輸出能量和更高的重復(fù)頻率，例如美國諾格公司的100kW固體Nd∶YAG激光器用來取代化學(xué)激光器作為激光武器［1］；另一方面在更加龐大的激光加工市場，連續(xù)泵浦的激光器也逐漸取代燈泵激光器，并且隨著應(yīng)用的日益廣泛其價格也越來越低廉，優(yōu)勢越來越明顯，例如激光打標(biāo)用的50～100W連續(xù)模塊。

但在較低的重復(fù)頻率（低于200Hz）和中等能量輸出（mJ到J級）脈沖激光器方面二極管泵浦固體激光器的優(yōu)勢與燈泵激光器相比并沒有那么明顯。一方面由于重復(fù)頻率低，而脈沖氙燈的更換既方便又廉價，因此壽命較長的激光二極管的優(yōu)勢沒有體現(xiàn)出來；另一方面由于使用數(shù)量不大，不能形成規(guī)模效應(yīng)，所以激光二極管生產(chǎn)廠家在這方面投入較小，激光二極管性能的優(yōu)勢不足以抵消價格偏高的缺點；還有一點，由于激光二極管使用時必須采用溫度控制系統(tǒng)對其溫度進(jìn)行控制，這會增加激光器的體積和重量，并且在環(huán)境溫度變化較大時需要預(yù)熱，這也造成使用不便。這類脈沖激光器主要應(yīng)用于激光加工的打孔機(jī)、激光測距機(jī)、目標(biāo)指示器和小型的干擾機(jī)等［2］。

目前準(zhǔn)連續(xù)激光二極管泵浦模塊的價格正在逐年下降，在某些需要較高重復(fù)頻率和較好光束質(zhì)量的應(yīng)用領(lǐng)域，激光二極管泵浦也得到越來越多的應(yīng)用。本文研制的準(zhǔn)基模250mJ、25Hz純風(fēng)冷激光器，一方面要求光束質(zhì)量較高，另一方面在25Hz下要求純風(fēng)冷運(yùn)行，如果采用閃光燈泵浦要到達(dá)這兩方面要求非常困難，因此采用了激光二極管泵浦。

1 激光器設(shè)計

除光束質(zhì)量高和風(fēng)冷運(yùn)行的特點外，對激光器使用環(huán)境也有要求，要求工作溫度－30～＋55℃，儲存溫度－40～＋60℃。因此根據(jù)其指標(biāo)特點進(jìn)行針對性設(shè)計。圖1是系統(tǒng)的光路原理圖。

圖1 系統(tǒng)光路原理圖Fig.1 Schematic diagram of optical system

系統(tǒng)采用振蕩器＋2級功率放大的技術(shù)路線。振蕩器采用LiNbO3晶體調(diào)Q，脈沖寬度7ns，能量50mJ，采用拉長腔長和小孔限模獲得準(zhǔn)基模輸出，采用光楔對提高本振輸出的穩(wěn)定性。本振輸出經(jīng)過透鏡L1、L2耦合，擴(kuò)束到適當(dāng)口徑進(jìn)入放大級，兩個放大級具有同樣參數(shù)。放大級之間為像傳遞系統(tǒng)，由透鏡L3、L4、90°石英旋光器和真空管組成，用于補(bǔ)償熱致雙折射和熱透鏡。M1～M4為45°入射全反鏡，與棱鏡相同用來轉(zhuǎn)折光路，放大后的激光經(jīng)過一個5倍望遠(yuǎn)系統(tǒng)整形輸出。

采用以上技術(shù)路線主要出于以下幾點考慮：（1）本振激光器能量比較低，容易獲得準(zhǔn)基模輸出；（2）采用兩個相同的放大級并結(jié)合像傳遞系統(tǒng)補(bǔ)償放大級的熱致雙折射和熱透鏡效應(yīng)，以保持高光束質(zhì)量；（3）本振加上放大結(jié)構(gòu)可以降低各個光學(xué)元件不準(zhǔn)直對激光輸出的影響，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性；（4）將泵浦能量分散有利于風(fēng)冷散熱。

系統(tǒng)共采用了三個激光二極管側(cè)泵模塊，本振泵浦頭由30只100W準(zhǔn)連續(xù)拔條組成，沿棒周從5個方向泵浦，共6圈；兩個放大泵浦頭由60只100W拔條組成，從5個方向泵浦共12圈。本振泵浦頭棒Φ3×65mm，放大棒尺寸Φ6×120mm，摻雜濃度均為0.7at%。泵浦頭的散熱與溫控設(shè)計是系統(tǒng)成功的關(guān)鍵，將泵浦頭的散熱分為兩部分：激光工作物質(zhì)的散熱和激光二極管的溫度控制。

2 冷卻系統(tǒng)設(shè)計

激光二極管（LD）的波長隨溫度變化而變化，根據(jù)以往對風(fēng)冷半導(dǎo)體激光二極管泵浦的研究，其輸出波長的漂移與溫度的關(guān)系約為0.3nm／℃左右，只要將LD的溫度控制在1℃以內(nèi)，就能夠有效防止LD的波長漂移。為保證穩(wěn)定的性能，必須采取措施對LD的工作環(huán)境的溫度進(jìn)行控制［3］。

二極管的冷卻部分可分為三個獨(dú)立的冷卻單元，分別對一級本振及二級放大二極管單元模塊進(jìn)行精確溫制，控溫精度±1℃，采用半導(dǎo)體制冷的風(fēng)冷結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)如圖2所示，冷卻單元由半導(dǎo)體制冷片、熱沉、散熱器、風(fēng)扇及溫控系統(tǒng)等組成。該方案的重點在于，解決制冷器注入電功率設(shè)計、制冷器熱端散熱設(shè)計及提出減小各接觸面之間熱阻的有效措施。

圖2 風(fēng)冷單元結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of air cooling unit

2.1 熱電制冷設(shè)計

熱電制冷效率的提高，除了其本身制造材料和制造工藝的因素外，主要取決于其散熱、傳冷方式及良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計。由于熱電制冷器的散熱量等于其制冷量與輸入功率之和，所以重點解決好其散熱問題將對制冷效率的提高起到至關(guān)重要的作用［4］。

當(dāng)熱電制冷器穩(wěn)定工作時，其熱傳導(dǎo)方程為：

第三類邊界條件為［5］：

由式（1）并結(jié)合邊界條件式（2）和式（3），可解得熱電制冷電偶對內(nèi)的溫度分布為：

則冷端制冷量為：

熱端散熱量為：

輸入功率為：

輸入電壓為：

制冷系數(shù)為：

2.2 設(shè)計過程

針對二極管冷卻單元方案設(shè)計過程分三步：

（1）用工程經(jīng)驗及試驗數(shù)據(jù)來指導(dǎo)方案設(shè)計，初步選擇制冷器型號、數(shù)量及注入功率，散熱器選材及結(jié)構(gòu)設(shè)計，初步確定風(fēng)機(jī)參數(shù)；

（2）計算機(jī)仿真進(jìn)一步驗證、優(yōu)化冷卻系統(tǒng)設(shè)計方案；

（3）最終通過環(huán)境試驗來檢驗冷卻系統(tǒng)性能。

實踐證明該方法在激光器熱管理中的應(yīng)用有效可行，并為激光器冷卻系統(tǒng)系列化、模塊化打下基礎(chǔ)，圖3為二級放大冷卻單元中散熱器及風(fēng)機(jī)選擇仿真優(yōu)化結(jié)果。

圖3 二級放大Icepak熱分析圖Fig.3 Two－stage amplifying Icepak thermal analysis

對于激光工作物質(zhì)散熱采用了兩種冷卻方案，因為在側(cè)面泵浦的情況下，泵浦和散熱都需要通過激光棒的側(cè)面進(jìn)行，激光工作物質(zhì)的散熱也存在較大的困難。經(jīng)過幾種方法的嘗試，當(dāng)重復(fù)頻率小于25Hz時，最終采用的方案是沿棒的軸線方向上，散熱與泵浦交替進(jìn)行，即一段泵浦一段散熱以獲得近似圓對稱的泵浦和散熱，滿足了激光器25Hz工作指標(biāo)要求。當(dāng)將重復(fù)頻率提高到50Hz時，連續(xù)工作時間超過2 min能量下降比較厲害，激光二極管的溫度可以控制得住，但棒的熱透鏡效應(yīng)過于嚴(yán)重。因此對激光工作物質(zhì)采用單獨(dú)水冷的冷卻方式，即增加一個微型水泵和水箱組成一個小的水循環(huán)系統(tǒng)對激光工作物質(zhì)水冷，最終得到穩(wěn)定的高質(zhì)量激光輸出。

3 結(jié)果及分析

三個泵浦頭的溫度均控制在30℃，本振85A（脈寬220μs，Imax＝100A），放大65A，65A（脈寬220μs，Imax＝100A）時，1Hz得到最大292mJ能量輸出，經(jīng)計算光光轉(zhuǎn)換效率12.7%；25Hz時能量最初30s為290mJ，經(jīng)過2min后穩(wěn)定在245mJ，光光轉(zhuǎn)換效率為10.7%；50Hz時最初30s為295mJ，之后持續(xù)下降到5min時為190mJ，并沒到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。圖4是5min連續(xù)工作時間內(nèi)1Hz、25Hz和50Hz能量變化趨勢。

接下來進(jìn)行高溫試驗，升溫到＋55℃，開機(jī)5min后本振溫度32.3℃，放大一32.3℃，放大二32℃，激光器開始25Hz工作，圖5是5min內(nèi)能量變化趨勢，5min工作結(jié)束后本振溫度34.1℃，放大一32.3℃，放大二31.4℃。

低溫試驗，環(huán)境溫度－25℃，開機(jī)3min后到達(dá)溫度點29℃，圖6是25Hz時5min能量變化趨勢。

圖4 5min連續(xù)工作時間內(nèi)1Hz、25Hz和50Hz能量變化趨勢Fig.4 Working continuously for 5min，1Hz，25Hz and 50Hz energy trend

圖5 高溫＋55℃5min內(nèi)25Hz能量變化Fig.5 High temperature＋55℃，repetition frequency 25Hz，the energy change within 5min

圖6 低溫－25℃5min內(nèi)25Hz能量變化Fig.6 Low temperature－25℃，repetition frequency 25Hz，the energy change within 5min

從圖3可以看出這種泵浦和散熱結(jié)構(gòu)在50Hz時無法正常工作，主要原因是棒的熱透鏡效應(yīng)太嚴(yán)重。因此對激光棒采用一個微型水泵和一個水箱進(jìn)行單獨(dú)水冷，激光二極管仍采用熱電制冷片冷卻，這樣可以不用冷機(jī)對冷卻循環(huán)水進(jìn)行溫度控制。在本振80A（脈寬220μs，Imax＝100A），放大65A，65A（脈寬220μs，Imax＝100A）時，50Hz能量340mJ，光－光轉(zhuǎn)換效率15.2%。圖7是常溫50Hz連續(xù)工作時間5 min內(nèi)能量變化趨勢。

圖7 風(fēng)冷水冷結(jié)合方式50Hz連續(xù)工作時間5min內(nèi)能量變化Fig.7 Air－cooled and water－cooled combination way，repetition frequency 50Hz，the energy change within 5min

利用M2因子測試儀器對激光器的輸出進(jìn)行了測試，激光束經(jīng)過一個透鏡后測量焦點處的光斑分布并與理想光束進(jìn)行對比，得出M2因子值。儀器型號為美國PHOTON公司ModeScan1780型M2因子測試系統(tǒng)，測得垂直和水平方向M2因子分別為2.81和4.09。圖8和圖9為風(fēng)冷方式25Hz工作時的測試結(jié)果。

圖8 激光器遠(yuǎn)場光斑分布Fig.8 Laser far field intensity

圖9 激光器M2因子測試結(jié)果Fig.9 Test results of laser M2 factor

通過測量風(fēng)冷方式25Hz時激光器輸出光斑口徑和光束發(fā)散角，計算得到輸出光束的衍射極限倍數(shù)β因子垂直和水平方向分別為2.45和3.659mm·mrad，這個數(shù)值與M2值測試結(jié)果基本吻合。圖10是不同距離處激光器輸出光斑圖樣。

從圖中可以看出激光器輸出光斑有比較明顯規(guī)則的衍射環(huán)，這種圓孔菲涅耳衍射是衍射與干涉共同作用的結(jié)果，孔邊緣處各點發(fā)生衍射，相鄰各點之間相互干涉形成干涉環(huán)。干涉環(huán)靠近邊緣較粗且清晰度高，向中心條紋變細(xì)幅度變低。在傳輸過程中條紋逐漸變粗變少，最終在遠(yuǎn)場形成中心強(qiáng)邊緣弱的高斯分布圖樣。在實驗中發(fā)現(xiàn)激光束的直徑越大，則變?yōu)楦咚狗植妓枰木嚯x越長，在光束直徑為6mm時（不加擴(kuò)束）距出口大約10m處光斑就變?yōu)楦咚狗植?，而擴(kuò)束到26mm以后，距出口45m處還是邊緣強(qiáng)中心虛的空心結(jié)構(gòu)，但邊緣強(qiáng)區(qū)已明顯變粗，到100m處菲涅耳衍射環(huán)已完全消失。

圖10 風(fēng)冷方式25Hz不同距離激光器輸出光斑圖樣Fig.10 Air cooling mode，repetition frequency 25Hz，different distance，laser speckle pattern

菲涅爾衍射產(chǎn)生的原因是激光器系統(tǒng)中的一些小孔造成的，在本激光器中包括本振和各級放大的激光棒，以及本振中的限模光闌等。為消除近場光束分布的菲涅耳衍射現(xiàn)象，有幾個方法：（1）采用軟邊光闌；（2）采用像傳遞系統(tǒng)并用小孔限模；（3）增大放大級激光工作物質(zhì)口徑，使本振光不會充滿放大級的激光棒等等［7］。軟邊光闌是在光束口徑附近作出一圈透射率漸變的環(huán)，遮住衍射環(huán)強(qiáng)區(qū)一部分光，與中心光強(qiáng)取齊，這樣會損失一部分能量，該方法只在一段距離內(nèi)有作用。像傳遞系統(tǒng)采用兩個凸透鏡，在凸透鏡焦點處放置光闌進(jìn)行限模，小孔光闌的尺寸非常關(guān)鍵。單純追求近場光斑均勻性會增加激光器成本，需要對激光器光學(xué)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計，同時還會損失部分能量。

4 結(jié) 論

采用激光二極管泵浦Nd∶YAG激光器獲得純風(fēng)冷25Hz，250mJ激光輸出，脈沖寬度7ns，連續(xù)工作時間5min，輸出光束的衍射極限倍數(shù)β因子垂直和水平方向分別為2.45和3.659mm·mrad，M2因子分別為2.81和4.09，光光轉(zhuǎn)換效率12.7%。采用風(fēng)冷水冷結(jié)合結(jié)構(gòu)獲得50Hz，340mJ穩(wěn)定輸出，光光效率15.2%，連續(xù)工作時間可以增長到0.5h或以上。系統(tǒng)通過了高低溫工作、高低溫儲存和沖擊振動等環(huán)境試驗，其中高溫＋55℃，低溫－25℃。

激光器的光光轉(zhuǎn)換效率不高，原因有以下幾點：因為對光束質(zhì)量有較高的要求，因此采用了一些措施對激光模式進(jìn)行限制；為提高可靠性和泵浦均勻性對激光二極管泵浦模塊進(jìn)行特殊設(shè)計，會犧牲一部分激光二極管的泵浦效率；因體積限制，光路折疊使用的45°入射全反鏡、棱鏡以及最終輸出的擴(kuò)束系統(tǒng)對能量損耗也比較大。放大級增益在2.4左右，因本振能量較低，第一放大級能量提取不充分（約80mJ）。激光輸出雖然是準(zhǔn)基模，但近場光斑具有衍射環(huán)，因為對實際使用影響不大，未作改進(jìn)，應(yīng)該可以在將來的設(shè)計中改進(jìn)并消除。

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