一種緩解染料激光放大器窗口鏡片燒傷的方法研究

顏石

【摘 要】本文通過觀察染料激光放大器窗口鏡片的燒傷狀態(tài)，分析出泵浦激光的熱量積累是導(dǎo)致窗口鏡片燒傷的主要原因。通過在電動平移臺上裝載染料池的方式，使染料池循環(huán)移動避免熱量的長時間積累，使燒傷被極大程度緩解。

【關(guān)鍵詞】染料池；燒傷

0 引言

在當(dāng)前染料激光器功率放大器中，容納染料溶液增益介質(zhì)的容器稱為染料池，染料池有開放式和封閉式兩種。當(dāng)染料或者溶劑易揮發(fā)或有毒時，就要使用封閉式染料池以保安全。染料池窗口鏡片內(nèi)壁較容易產(chǎn)生燒傷，影響激光光斑的能量分布和功率。本文通過研究染料池窗口鏡片燒傷機(jī)理，提出了一種極大程度緩解窗口鏡片燒傷的方法，將燒傷形成時間延緩了二十倍以上。

1 染料池窗口鏡片燒傷分析

染料泵運(yùn)行時，染料在染料池內(nèi)循環(huán)流動，種子激光透過染料池，泵浦激光經(jīng)過藕合頭聚焦縮束至和種子光直徑一致的激光，在染料池內(nèi)和種子激光重疊，從而進(jìn)行激光功率放大。染料池窗口鏡片存在抗損傷閾值，由于泵浦光功率高于種子光功率，抗損傷閾值一般所指即為泵浦激光功率密度不可高于窗口鏡片閾值。

在染料激光功率放大器內(nèi)，若染料池窗口鏡片發(fā)生燒傷，將嚴(yán)重影響該放大器之后的激光光斑圓度和能量分布，功率放大效率也會大幅度降低。為了實現(xiàn)長時間的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，就要盡力避免窗口鏡片燒傷的情況發(fā)生，調(diào)節(jié)時要使泵浦光功率密度低于窗口鏡片損傷閾值。由于泵浦激光功率恒定，為了降低功率密度，需使泵浦激光在染料池內(nèi)的光斑面積較大，同時匹配著泵浦光直徑的種子光面積也要增加。降低泵浦功率密度雖可令窗口鏡片燒傷減緩，但同時也降低了放大器的放大效率，導(dǎo)致激光功率達(dá)不到要求。因此，一般會在窗口鏡片損傷閾值臨界處確定泵浦光的功率密度。

在該研究中，種子光和泵浦光功率都是確定不變的，將泵浦激光功率密度調(diào)至鏡片損傷閾值，之后運(yùn)行放大器。將一個染料池更換成全新未使用的窗口鏡片，統(tǒng)計鏡片開始發(fā)生燒傷的時間?？偣策M(jìn)行三次，鏡片發(fā)生燒傷時間分別為3小時50分鐘，4小時，4小時15分鐘。可以確定當(dāng)前特定條件下，鏡片產(chǎn)生燒傷時間約為4小時。

為了解窗口鏡片燒傷形成過程，使用顯微鏡對窗口鏡片進(jìn)行觀察。起初鏡片不存在燒傷點，在放大器運(yùn)行2小時后，鏡片開始產(chǎn)生直徑約為1微米甚至更小的燒傷點，燒傷位置隨機(jī)分布。3小時后，燒傷點開始較為密集地出現(xiàn)，4小時后燒傷點開始聯(lián)結(jié)成片，形成大約直徑50微米的大面積塊狀區(qū)域的鏡片結(jié)構(gòu)性損傷，至此，可影響到宏觀的激光光斑能量分布和功率的燒傷正式形成，此時激光光斑已可肉眼看出明顯的能量分布不均的現(xiàn)象。將泵浦激光功率密度調(diào)至4倍于鏡片損傷閾值，則在5分鐘左右即開始出現(xiàn)燒傷現(xiàn)象。由此可以得出結(jié)論，熱量的積累是鏡片燒傷的主要原因。

封閉式染料池內(nèi)部染料由染料泵形成循環(huán)，刷新染料并將泵浦光形成的熱量帶走。在染料池腔內(nèi)，靠近中心位置的染料流速最快，靠近窗口鏡片內(nèi)壁位置處最慢，這表示窗口內(nèi)壁處熱量很容易大量積累。雖然可以通過增加染料泵循環(huán)速度使熱量流失，但這也必將使染料泵內(nèi)壓過度增大，管道接口處等位置容易脫落，且受限于染料泵的性能，流速提高的非常有限。

2 緩解燒傷的方法

為避免熱量過多積累在一處，將染料池安裝在一個電動平移臺上，通過對電動平移臺連接的運(yùn)動控制器編程，使染料池以指定的方式循環(huán)運(yùn)動起來，即通過額外設(shè)備使染料池?zé)崃烤奂c不斷變化，由此便可以避免熱量的堆積。在控制器編程中，設(shè)定染料池移動速度為每秒運(yùn)動1毫米，保證窗口鏡片工作區(qū)域的充分利用，染料池移動10毫米后再反向移動，染料池不斷往復(fù)運(yùn)動，熱量積累被大幅度緩解。

該方法的核心為運(yùn)動控制器和電動平移臺。運(yùn)動控制器內(nèi)安裝有PLC可編程控制器，集成幾十種語句，可編入多達(dá)99條程序并儲存，使用方便，成本低廉，即能編程運(yùn)行又可手動控制?？刂破饔?85端口傳輸指令至步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)帶動電動平移臺，染料池在平移臺上沿兩根高精度線性導(dǎo)軌移動。該步進(jìn)電機(jī)承載力大，運(yùn)行精度高，可實現(xiàn)長期運(yùn)轉(zhuǎn)。

系統(tǒng)架構(gòu)完畢后對其進(jìn)行測試。首先對控制器編程使其連續(xù)運(yùn)行100小時，步進(jìn)電機(jī)重復(fù)定位精度高于2.5微米，在100小時內(nèi)程序無錯步情況發(fā)生，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。電動平移臺移動過程中產(chǎn)生的激光光路指向性偏折角度小于0.5微弧度，完全滿足要求。

使電動平移臺持續(xù)運(yùn)行，在染料池上更換全新的窗口鏡片并開啟放大器，測量其燒傷時間，實驗共進(jìn)行三次，窗口鏡片產(chǎn)生肉眼可見的燒傷時間分別為86小時，82小時和85小時。相比于未使用電動平移臺之前，窗口鏡片燒傷時間被延長了20倍。為激光器放大器的連續(xù)運(yùn)行提供了保障。

3 結(jié)論

本文通過外接設(shè)備使染料池循環(huán)移動的方式，避免了泵浦激光熱量在窗口鏡片內(nèi)壁同一位置的持續(xù)積累，極大程度緩解了染料池的燒傷現(xiàn)象，并且對光路指向性影響很小，將燒傷時間延長了20倍，實現(xiàn)了很大程度的緩解燒傷。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]