水冷和半導(dǎo)體制冷片聯(lián)合控溫的固體激光器實(shí)驗(yàn)裝置*

高軍翔，梁錫輝，李康業(yè)，龐振華

（廣州市光機(jī)電技術(shù)研究院//廣東省現(xiàn)代控制與光機(jī)電技術(shù)公共實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510663）

水冷和半導(dǎo)體制冷片聯(lián)合控溫的固體激光器實(shí)驗(yàn)裝置*

高軍翔，梁錫輝，李康業(yè)，龐振華

（廣州市光機(jī)電技術(shù)研究院//廣東省現(xiàn)代控制與光機(jī)電技術(shù)公共實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510663）

光泵浦的固體激光器的工作介質(zhì)在工作時(shí)溫度很高，會(huì)產(chǎn)生熱透鏡效應(yīng)。這種熱透鏡效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致光-光轉(zhuǎn)換效率下降。為了使激光器的工作介質(zhì)在工作時(shí)保持恒溫，研制了一種水冷和半導(dǎo)體制冷片聯(lián)用控溫的裝置，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，本裝置達(dá)到了良好的效果。

激光器；水冷；半導(dǎo)體制冷片

0 前言

固體激光器是以摻雜的玻璃、晶體或透明陶瓷等固體材料為工作介質(zhì)的激光器，其具有較大的輸出功率和較緊湊的結(jié)構(gòu)，從其誕生開始至今，一直備受關(guān)注，尤其隨著LDA泵浦固體激光技術(shù)的發(fā)展，泵浦效率大幅度提高，器件的體積更小、重量更輕、可靠性更高[1-2]。泵浦源為工作介質(zhì)產(chǎn)生激光提供所必須能量的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的無用熱，在散熱不好的情況下，激光器的溫升很大，會(huì)使激光器轉(zhuǎn)換效率降低，輸出功率下降，激射波長(zhǎng)偏移[2]。為使激光器持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，必須及時(shí)帶走這些無用熱，于是導(dǎo)致熱透鏡、應(yīng)力、退偏、雙折射等不良效應(yīng)[3]。

半導(dǎo)體制冷又稱為熱電制冷或溫差電制冷，它主要是珀?duì)柼?yīng)在制冷技術(shù)方面的應(yīng)用。并且隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，受到了人們的廣泛關(guān)注，與傳統(tǒng)壓縮機(jī)制冷相比，它主要具有無磨損、壽命長(zhǎng)、尺寸小、制冷時(shí)間快和控制精度高等優(yōu)點(diǎn)[4-6]。但是半導(dǎo)體制冷效率的提高，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，因此，重點(diǎn)解決好其散熱問題將對(duì)制冷效率的提高起到至關(guān)重要的作用[7]。

本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)固體激光器實(shí)驗(yàn)裝置，本實(shí)驗(yàn)裝置由于要求可以測(cè)試固體激光晶體的一些性能，因此對(duì)控溫裝置的要求較高，因此，本裝置采用了水冷與半導(dǎo)體制冷方式片聯(lián)合的方式來控溫，從而達(dá)到了較好的控溫效果。

1 固體激光器實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)

1.1 激光器的整體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，系統(tǒng)的激光產(chǎn)生裝置采用平行平面腔、半導(dǎo)體激光單端泵浦的結(jié)構(gòu)。本實(shí)驗(yàn)裝置的泵浦源為獨(dú)立控溫的波長(zhǎng)為808 nm的LD固體激光器；耦合聚焦鏡透鏡組的成像比例為1∶1，焦距70 mm；控溫裝置為自主設(shè)計(jì)的水冷與半導(dǎo)體制冷片聯(lián)用的裝置。808 nm的激光經(jīng)過光纖，再通過耦合聚焦鏡的聚焦，聚焦到激光裝置平面腔中的Nd∶YAG激光晶體上，最終輸出1 064 nm波長(zhǎng)的激光。圖1中最右邊的準(zhǔn)直激光器為調(diào)節(jié)激光裝置準(zhǔn)直的He-Ne激光器。

圖1 固體激光器實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 控溫裝置的結(jié)構(gòu)圖

如圖2所示，除去六軸精密位移臺(tái)，控溫裝置分為兩部分，基于半導(dǎo)體制冷片的溫控部分和基于水冷控溫的水冷控溫系統(tǒng)。半導(dǎo)體制冷片的冷端緊貼激光晶體的銅質(zhì)冷卻套，熱端緊貼銅質(zhì)水冷基座，激光晶體產(chǎn)生的熱量經(jīng)熱端由水冷系統(tǒng)帶走。

圖2 固體激光器實(shí)驗(yàn)裝置控溫裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.1 半導(dǎo)體制冷片溫控裝置

PID控制器是按偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D） 進(jìn)行控制的調(diào)節(jié)器。比例控制能快速反映誤差，積分控制可以消除誤差，微分控制可以減小系統(tǒng)超調(diào)量[4]。本文中使用的控制器正是基于PID原理的某廠家生產(chǎn)的智能溫度控制儀，其精度為0.1℃。

銅質(zhì)冷卻套是根據(jù)方形激光晶體的尺寸制作的晶體固定傳熱的裝置，銅質(zhì)冷卻套開有小孔，可令溫度探頭深入冷卻套的內(nèi)部以探測(cè)溫度。

1.2.2 水冷溫控裝置

水冷技術(shù)是比較成熟的技術(shù)，本文中使用的水冷系統(tǒng)是某廠家生產(chǎn)的小型水冷機(jī)，其精度可達(dá)0.1℃。水冷銅質(zhì)基座是根據(jù)半導(dǎo)體制冷片的大小，自主設(shè)計(jì)并制作的裝置。

2 固體激光器的溫控性能

為了評(píng)估固體激光器的溫控性能，本文以分鐘為單位記錄了25分鐘激光器的半導(dǎo)體控溫裝置的溫度和激光的功率，并且在激光輸出一個(gè)小時(shí)之后同樣記錄了半導(dǎo)體控溫裝置的溫度和激光的功率。具體做法是，使用9.8 W的波長(zhǎng)為808 nm的激光作為激發(fā)源，激發(fā)Nd∶YAG晶體；水冷系統(tǒng)溫度設(shè)定為20℃，半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)設(shè)定為20℃。首先，先調(diào)節(jié)激光器使其輸出1 064 nm波長(zhǎng)的激光，出激光5分鐘后開始計(jì)時(shí)，記錄溫度，同時(shí)使用激光功率計(jì)測(cè)量功率（功率計(jì)的前端加入808 nm波長(zhǎng)的濾光片，1 064 nm的激光透過率大約為70%）。表1為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)值。

表1 半導(dǎo)體溫度控制器的顯示溫度與功率隨時(shí)間的變化

2.1 半導(dǎo)體控溫裝置溫度穩(wěn)定性

如圖3所示，隨著時(shí)間的增加，控溫裝置的顯示溫度逐漸下降，直到8 min后，進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，并在22℃～23.5℃之間波動(dòng)，同時(shí)激光器運(yùn)行1 h后其溫度測(cè)量值為22.4。為了衡量溫度的波動(dòng)率，利用公式：波動(dòng)率=（最大溫度-最小溫度）/平均溫度。那么根據(jù)公式8 min后本文的激光實(shí)驗(yàn)裝置的溫度波動(dòng)率約為：4.4%。

2.2 激光器輸出功率的穩(wěn)定性

從圖4中可知，激光器輸出功率在前8 min之前波動(dòng)較大，但是之后就基本穩(wěn)定在3.4～3.5mW，并且在激光器運(yùn)行1 h后輸出功率仍然保持在3.4 mW。同上節(jié)，計(jì)算激光器運(yùn)行8 min后所得的功率波動(dòng)率約為2.9%。

圖3 半導(dǎo)體控溫裝置的顯示溫度隨時(shí)間變化的關(guān)系

圖4 激光輸出功率隨時(shí)間變化的關(guān)系

3 結(jié)論

從實(shí)驗(yàn)可知，本文自主設(shè)計(jì)的水冷和半導(dǎo)體制冷片聯(lián)合控溫的固體激光器實(shí)驗(yàn)裝置的性能良好，在調(diào)節(jié)好諧振腔，輸出1 064 nm波長(zhǎng)的激光后，8 min基本上上就進(jìn)入了穩(wěn)定狀態(tài)，并且運(yùn)行1 h后仍能保持良好的效果。根據(jù)本文使用的衡量公式，控溫裝置的波動(dòng)率控制在約為4.4%的狀態(tài)，而輸出激光功率的波動(dòng)率約為2.9%。

［1］韓雪冰，吳學(xué)彥，戴磊.基于專利分析的我國(guó)固體激光器領(lǐng)域現(xiàn)狀與發(fā)展對(duì)策研究［J］.現(xiàn)代情報(bào)，2014，34（1）：132-136.

［2］練文，王壽增，彭堂超，等.激光二極管陣列泵浦固體激光器熱設(shè)計(jì)研究［J］.光學(xué)與光電技術(shù)，2013，11（5）：13-16.

［3］周壽桓.固體激光器中的熱管理［J］.量子電子學(xué)報(bào)，2005，22（4）：497-509.

［4］王威，王少軒.基于Cortex-M0的半導(dǎo)體制冷溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2011，40（4）：67-69.

［5］鄭弘.一種基于半導(dǎo)體制冷技術(shù)的冷暖控制器主機(jī)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2009，38（7）：91-93.

［6］張曉芳，鐘建新，楊穗.水冷式半導(dǎo)體冰箱制冷性能的研究［J］.工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2012，19（2）：105-111.

［7］代偉.半導(dǎo)體制冷散熱強(qiáng)度對(duì)制冷性能的影響［J］.制冷與空調(diào)，2008，22（3）：25-27.

Experimental Solid-State Laser Device Based on Temperature Control System of Water and Semiconductor Refrigerating Sheet

GAO Jun-xiang，LIANG Xi-hui，LI Kang-ye，PANG Zhen-hua
（Guangzhou Research Institute of O-M-E Technology//Guangdong Public Laboratory of Modern Control&Optical，Mechanical，Electronic Technology，Guangzhou510663，China）

The optically pumped solid state laser media produce a lot of heat when it’s working,and creates thermal lens effect.The thermal lens effect leads to reduce the optical to optical conversion efficiency.In order to make the working solid state laser media constant temperature at work,this paper developed a temperature control system of water and semiconductor refrigerating sheet,and the experimental data shows that the device achieves good results.

laser；water cooling；semiconductor refrigerating sheet

TN248.1

：A

：1009－9492(2014)11－0019－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.11.005

高軍翔，男，1987年生，河北晉州人，碩士研究生。研究領(lǐng)域：光學(xué)檢測(cè)和光學(xué)設(shè)計(jì)。已發(fā)表論文3篇。

(編輯：阮 毅)

*國(guó)家863項(xiàng)目（編號(hào)：2012AA040210）；國(guó)家863項(xiàng)目（編號(hào)：2013AA03A106）；廣州市應(yīng)用基礎(chǔ)研究專項(xiàng)（編號(hào)：2013J4100122）

2014－05－28