氙燈泵浦Nd∶YAG激光器的可靠性分析

李德鵬,李寶忠,包照日格圖

(1.華北光電技術(shù)研究所,北京 100015；2.中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000)

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·激光器技術(shù)·

氙燈泵浦Nd∶YAG激光器的可靠性分析

李德鵬1,李寶忠2,包照日格圖1

(1.華北光電技術(shù)研究所,北京 100015；2.中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000)

簡(jiǎn)要論述了影響氙燈泵浦傳導(dǎo)冷卻YAG激光器可靠性的諸多因素,以可靠性理論為基礎(chǔ),對(duì)YAG激光器的可靠性進(jìn)行了分析,提出了可靠性設(shè)計(jì)措施,并對(duì)某YAG激光器的可靠性進(jìn)行了預(yù)計(jì)以及試驗(yàn)。

可靠性；激光器；分析；試驗(yàn)

1 引 言

自從1960年梅曼發(fā)明了紅寶石激光器以來(lái),隨著激光技術(shù)的日新月異,激光器在各個(gè)領(lǐng)域得到了迅猛的發(fā)展。激光系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)用除了激光技術(shù)的推動(dòng)因素以外激光器的可靠性的高低對(duì)推廣應(yīng)用起到重要作用。國(guó)內(nèi)也有一些研究機(jī)構(gòu)[1-4]對(duì)各種類(lèi)型的激光器進(jìn)行了某些可靠性方面的評(píng)價(jià),但缺乏總體的故障分析和具體的可靠性預(yù)計(jì)過(guò)程,本文著重討論了應(yīng)用于某激光測(cè)距系統(tǒng)的小型傳導(dǎo)冷卻Nd∶YAG 激光器的設(shè)計(jì)和可靠性水平的提升方案,從可靠性設(shè)計(jì)的角度去分析和保證激光器的綜合性能的提升,滿(mǎn)足用戶(hù)的使用要求。對(duì)于激光器來(lái)講,影響其可靠性的主導(dǎo)因素是光學(xué)諧振腔的失調(diào)和光學(xué)元件的損傷問(wèn)題。涉及的技術(shù)環(huán)節(jié)較多,需要通過(guò)對(duì)采購(gòu)環(huán)節(jié)、外協(xié)加工的嚴(yán)格驗(yàn)收以及實(shí)際嚴(yán)格的調(diào)試工藝來(lái)保證激光器的綜合性能。依據(jù)系統(tǒng)的失效模式分析和通過(guò)對(duì)過(guò)程的嚴(yán)格質(zhì)量把關(guān),實(shí)現(xiàn)了一種采用Cr∶YAG晶體作為被動(dòng)Q開(kāi)關(guān)、以Nd∶YAG晶體為激光工作介質(zhì)、以角錐棱鏡作為光學(xué)諧振腔的免調(diào)試固體激光器,實(shí)現(xiàn)了輸出能量15 mJ、自然發(fā)散角小于3 mrad、重復(fù)頻率1 Hz、平均無(wú)故障時(shí)間1000 h以上的高性能小型傳導(dǎo)冷卻固體激光器,為該類(lèi)產(chǎn)品在激光測(cè)距領(lǐng)域的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

2 燈泵Nd∶YAG激光器的故障分析

設(shè)備故障通常分為三類(lèi)：

(1)設(shè)計(jì)粗劣,或者材料或部件選用不當(dāng)

在進(jìn)行激光器的方案設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮激光器的穩(wěn)定性問(wèn)題。影響輸出穩(wěn)定性的因素有：諧振腔的抗失諧能力,熱管理水平及機(jī)械結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布。

關(guān)于諧振腔設(shè)計(jì)方面,因?yàn)樗星蛎嬷C振腔的模式結(jié)構(gòu)、發(fā)散角和衍射損耗都與諧振腔的g參數(shù)和反射鏡的傾斜失調(diào)度有關(guān)。 諧振腔的穩(wěn)定性可以通過(guò)仿真模擬g參數(shù)的變化,將其選擇在g=0.5范圍,可以滿(mǎn)足熱不靈敏的條件,輸出功率的穩(wěn)定性得到很好的保證。除此,在選用諧振腔全反鏡時(shí)盡量使用抗失諧能力強(qiáng)的光學(xué)元件(如：角錐棱鏡或直角棱鏡等特殊光學(xué)元件),構(gòu)成棱鏡腔,從而最大程度的保證激光器的穩(wěn)定、可靠運(yùn)轉(zhuǎn)。

熱管理方面,主要是激光工作介質(zhì)和泵浦光源的散熱能力的改善。如果激光工作介質(zhì)的無(wú)用熱傳導(dǎo)不及時(shí),嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致激光工作介質(zhì)的性能變差,諧振腔的穩(wěn)區(qū)縮窄,模體積變小,輸出功率明顯下降或不出現(xiàn)激光振蕩。

機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方面,重點(diǎn)考慮如何保證安裝基面的高低溫變形量小的問(wèn)題,需要功過(guò)計(jì)算機(jī)CAD或ansys等軟件進(jìn)行機(jī)械應(yīng)力仿真分析,在此基礎(chǔ)上盡量采用高低溫機(jī)械變形小的鋁材,從而保證整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

選擇組成激光器的各種光學(xué)元件方面,首先要考慮抗激光損傷能力、其次按照不同的功能進(jìn)行關(guān)鍵指標(biāo)的把控。組成激光器的光學(xué)的數(shù)量和種類(lèi)與采取的技術(shù)方案有密切關(guān)系,各種光學(xué)的損傷閾值各不相同,鍍膜的難度也各有所別。光學(xué)元件的內(nèi)部損傷是由材料的粒子包裹物、微笑不均勻性,光吸收或自聚焦引起的；而表面損傷則主要是由透明介質(zhì)表面的污染或不平整引起的。在這鏈中損傷中,表面損傷通常更為嚴(yán)重,因此,在具體的激光器設(shè)計(jì)當(dāng)中,除了關(guān)注光學(xué)元件本身的體損傷閾值以外重點(diǎn)關(guān)注表面光學(xué)薄膜的抗激光損傷閾值的水平,堅(jiān)持使用損傷閾值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于諧振腔內(nèi)部光強(qiáng)的光學(xué)元件或通過(guò)增加通光面的方法降低激光器的功率密度,降低損傷概率。

(2)質(zhì)量控制不當(dāng),致使產(chǎn)品偏離設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定

激光器作為相干輻射源,在很多光電系統(tǒng)當(dāng)中扮演重要的角色,從質(zhì)量控制的角度,需要對(duì)組成激光器的光機(jī)電部件進(jìn)行嚴(yán)格的篩選和老化試驗(yàn),才能從根本上保證產(chǎn)品的優(yōu)良性能。需要對(duì)影響激光器長(zhǎng)期可靠性的工藝環(huán)節(jié)進(jìn)行梳理,其中工作間的凈化度、機(jī)殼內(nèi)部空間的潔凈度以及光學(xué)元件的清潔工藝尤為重要。于此同時(shí),在選擇光學(xué)材料時(shí)盡量選擇均勻性好、吸收系數(shù)小的光學(xué)材料,盡量提高光加工的質(zhì)量、提高表面光潔度及減少劃痕、疵點(diǎn),以此提高光學(xué)元件內(nèi)部的抗激光損傷閾值,提高可靠性。

(3)由環(huán)境作用或影響引起的劣化

在激光器中出現(xiàn)故障最多的案例是光學(xué)元件的污染和諧振腔的失諧。很多時(shí)候由于在工藝操作當(dāng)中引入空氣中的塵埃、指印或其他雜質(zhì)吸收等造成的表面污染,導(dǎo)致光學(xué)薄膜的激光損傷或諧振腔損耗增加,激光器無(wú)法正常工作。所以,體積尺寸允許的情況下對(duì)光路進(jìn)行整體充氮密封,提高激光器倉(cāng)體的內(nèi)部潔凈度,減小污染引起的故障。具體的工藝操作當(dāng)中,嚴(yán)禁帶入有油污或指紋的外協(xié)件或功能模塊,禁止使用具有揮發(fā)性的硅橡膠等膠類(lèi)產(chǎn)品。

引起諧振腔失諧的主要因素是機(jī)械結(jié)構(gòu)件在高低溫、沖擊振動(dòng)環(huán)境下出現(xiàn)較大的變形量,超出諧振腔失調(diào)最大允許量,引起激光器輸出能量下降、光束質(zhì)量的劣化。需要在整機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì)方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以外更應(yīng)該在機(jī)械件材料選擇、高低溫時(shí)效處理等方面加強(qiáng)質(zhì)量控制。

3 燈泵Nd∶YAG激光器可靠性模型建立和可靠性預(yù)計(jì)

對(duì)于燈泵無(wú)水冷N(xiāo)d∶YAG激光器來(lái)講,影響其可靠性的因素主要有以下兩個(gè)部分：激光器機(jī)頭和激光電源。激光器機(jī)頭包括激光棒、光學(xué)鏡片、Q開(kāi)關(guān)、聚光腔等單元組成,其失效模式基本以光學(xué)元件污染和諧振腔失諧為主。激光電源包括充電裝置、脈沖成形網(wǎng)絡(luò)和閃光燈觸發(fā)電路,其失效模式以氙燈無(wú)法觸發(fā)為主。

具體的激光器實(shí)驗(yàn)光路如圖1所示。

圖1 氙燈泵浦Nd∶YAG激光器

激光工作介質(zhì)采用Nd∶Ce∶YAG晶體,尺寸為φ3×45,兩端鍍1064 nm增透膜。輸出鏡為曲率半徑1500 mm的平凸透鏡,凸面鍍1064 nm波長(zhǎng)的反射膜(透過(guò)率70%)。泵浦燈采用氙燈泵浦方式,尺寸為φ3×40的石英脈沖氙燈。聚光腔采用鍍銀的石英聚光腔,鍍銀層專(zhuān)門(mén)進(jìn)行了防氧化措施,能夠保證聚光腔在惡劣的環(huán)境條件下不容易出現(xiàn)氧化發(fā)烏的現(xiàn)象,保證激光器的輸出效率。激光諧振腔采用角錐棱鏡諧振腔,提高了諧振腔的抗失諧能量保證了在高低溫、沖擊振動(dòng)環(huán)境下不出現(xiàn)效率下降的問(wèn)題。調(diào)Q系統(tǒng)采用了可靠性更高的Cr∶YAG被動(dòng)調(diào)Q方式,因Cr∶YAG的抗激光損傷能力較強(qiáng),保證了激光器可靠性的提升。通過(guò)該設(shè)計(jì),能夠穩(wěn)定輸出15 mJ的輸出能量,光束角小于3 mrad的1 μm激光。

因?yàn)榻M成激光器的各個(gè)單元的失效直接影響激光器的輸出性能,因此燈泵Nd∶YAG激光器的可靠性模型為一種串聯(lián)模型[5],即各個(gè)單元的串聯(lián)組合：

λNd∶YAG=πEπcλ激光介質(zhì)+πEπcπOSλ光學(xué)耦合+λ泵浦

(1)

λ泵浦=λ氙燈+πEπcλ聚光腔+λ電源

(2)

式中,λNd∶YAG是Nd∶YAG激光器失效率。λ激光介質(zhì)是激光介質(zhì)失效率。λ泵浦是泵浦機(jī)構(gòu)的失效率,主要受閃光燈壽命、聚光腔氧化和電源故障的影響。λ氙燈是脈沖氙燈的失效率。λ聚光腔為聚光腔的失效率。λ光學(xué)耦合是激光耦合器件的失效率,包含諧振腔鏡片、晶體、薄膜、Q開(kāi)關(guān)等,與光學(xué)污染、光學(xué)元件內(nèi)部損傷有關(guān)。λ電源是激光器電源的失效率;πE是環(huán)境應(yīng)用因素；πC是耦合清潔度因素；πOS是實(shí)際光學(xué)表面應(yīng)用因素,與實(shí)際光路有關(guān)；π重復(fù)是脈沖重復(fù)頻率因素；π冷卻是閃光燈周?chē)鞣N冷卻介質(zhì)的冷卻因素。具體的取值如表1所示。

表1 各單元的基本失效率和對(duì)應(yīng)因素的數(shù)據(jù)表

將表1的數(shù)據(jù)代入公式(1)和(2),得到的燈泵激光器的失效率為：

λNd∶YAG=5×39.5×10-6+5×1×16.3×10-6+676×10-6+5×4.9×1×10-6+149.5×10-6=1536×10-6/h

平均無(wú)故障時(shí)間MTBF為：

4 結(jié) 論

本文對(duì)燈泵Nd∶YAG激光器的常見(jiàn)故障模式進(jìn)行了詳細(xì)的分析,并提出了很多對(duì)應(yīng)的解決措施,并在實(shí)際的產(chǎn)品設(shè)計(jì)當(dāng)中進(jìn)行了推廣應(yīng)用,同時(shí)用典型的美軍軍用手冊(cè)里的可靠性預(yù)計(jì)方法進(jìn)行了激光器的可靠性水平的預(yù)計(jì)。與到安保設(shè)備的200臺(tái)激光器[6](經(jīng)過(guò)了3年室外寒暑條件下穩(wěn)定可靠運(yùn)轉(zhuǎn))的可靠性數(shù)據(jù)(MTBF約1000 h)對(duì)比后發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有設(shè)備的可靠性明顯超出預(yù)計(jì)水平,表明使用的可靠性模型還有很多更加細(xì)化的地方,需要積累更多的最小單元(光學(xué)元件)的可靠性數(shù)據(jù),從而更加準(zhǔn)確地預(yù)估激光器的可靠性水平。

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Reliability analysis of xenon flash lamp pumped Nd∶YAG laser

LI De-peng1,LI Bao-zhong2,BAO Zhao-ri-ge-tu1

(1.North China Research Institute of Electro-optics,Beijing 100015,China;2.Chinese Petroleum Pipeline Engineering Co.Ltd.，Langfang 065000,China)

The influence factors of the reliability of xenon flash lamp pumped Nd∶YAG laser were briefly described.On the basis of the reliability theory,the reliability of Nd∶YAG laser was analyzed,and reliability design schemes were presented.The reliability of xenon flash lamp pumped Nd∶YAG laser was estimated and tested.

reliability;laser;analysis;test

1001-5078(2015)11-1340-03

李德鵬(1986-)，男，本科，工程師，主要從事光電系統(tǒng)方面的工程應(yīng)用。

2015-03-29;

2015-05-03

TN248.1

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.11.011