抑制二極管泵浦激光器光軸漂移的實(shí)驗(yàn)研究

李久喜，王鵬飛，謝 爽

（華北光電技術(shù)研究所，北京100015）

1 引 言

對于多數(shù)激光應(yīng)用，激光器的光束參數(shù)如功率、能量、發(fā)散角、光斑尺寸、相干性和偏振等是表征激光器性能的重要參數(shù)，并作過許多測量［1-3］。激光器輸出光束的光軸漂移量和其他光束參數(shù)一樣，也是衡量激光器性能的重要參數(shù)。激光二極管（LD）的輻射光譜和固體激光介質(zhì)的吸收光譜能夠很好地匹配，使二極管泵浦固體激光介質(zhì)的熱效應(yīng)大大降低。但對于高功率運(yùn)轉(zhuǎn)的二極管泵浦固體激光器來說，介質(zhì)會吸收一部分泵浦光能量而發(fā)熱，同時又因外部冷卻散熱，在介質(zhì)內(nèi)形成一定的溫度梯度［4］。這種非均勻溫度場及相應(yīng)的熱透鏡作用，對輸出激光的光軸漂移量有很大的影響。

本文主要針對二極管泵浦電光調(diào)Q激光器脈沖工作狀態(tài)下影響光軸漂移的因素進(jìn)行了分析，給出了一些有實(shí)踐意義的結(jié)論，對光軸漂移有較高指標(biāo)要求的固體激光器設(shè)計(jì)起到了一定的參考作用。

2 實(shí)驗(yàn)裝置及初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，Nd∶YAG晶體通過上下兩塊銅熱沉夾持并固定在LD熱沉上，晶體與銅熱沉之間填充導(dǎo)熱材料將晶體產(chǎn)生的熱量導(dǎo)出。晶體熱沉前后兩側(cè)各由一組激光二極管模塊進(jìn)行泵浦。二極管泵浦模塊采用應(yīng)用較為廣泛的面陣列三向側(cè)面泵浦，每個LD面陣列由6個Bar組成，泵浦結(jié)構(gòu)共計(jì)36 Bar。二極管熱沉由半導(dǎo)體制冷器（TEC）進(jìn)行溫度控制，并把溫度控制在二極管的最佳工作溫度40℃。半導(dǎo)體制冷器熱端和散熱片相接，強(qiáng)制風(fēng)冷散熱。激光工作頻率可以在4～22 Hz之間調(diào)節(jié)，每個循環(huán)工作周期為20 s。

圖1 泵浦及晶體夾持結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of pumping and clamping structure

實(shí)驗(yàn)中激光晶體周圍均勻包裹銦箔并與熱沉良好接觸，通過調(diào)整激光諧振腔鏡及晶體經(jīng)過精確光軸對準(zhǔn)后使輸出能量在設(shè)定的工作頻率和二極管供電電流下達(dá)到最大值，用Spiricon LBA-PC光束分析儀在兩米反射鏡的焦點(diǎn)處觀察激光的光軸穩(wěn)定性，測試方法按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行［5］。發(fā)現(xiàn)激光器在限定的工作時間內(nèi)，光束光軸發(fā)生了較大的漂移，光軸漂移量Y方向最大值為0.12 mrad，如圖2所示。如此大的光軸漂移量無法滿足激光指示器應(yīng)用要求。

圖2 激光光軸發(fā)生漂移Fig.2 Phenomenon of optics axes drifts

3 引起光軸較大偏移的原因分析及激光晶體溫度分布的軟件模擬

在重復(fù)脈沖泵浦激光器中，激光晶體的光學(xué)畸變是由晶體對泵浦光的吸收，引發(fā)晶體內(nèi)部不均勻的熱耗和冷卻造成的熱梯度累積效應(yīng)引起的［6］。由于晶體邊界溫度的不均勻，引起激光介質(zhì)的非軸對稱徑向散熱的波動，從而在介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生處于不斷變化的熱透鏡，引發(fā)晶體的熱透鏡效應(yīng)也呈現(xiàn)非軸對稱趨勢，致使晶體的熱透鏡存在畸變從而引起激光光軸的漂移。通常，LD側(cè)面泵浦固體激光棒熱透鏡焦距 f的計(jì)算式為［7］：

式中，K是熱導(dǎo)率；A是激光棒橫截面積；α是熱擴(kuò)散系數(shù)；Cr，θ是固體激光棒的彈光系數(shù)；Pa是棒內(nèi)總熱耗散熱量；n0是運(yùn)行時棒心折射率；r0是激光棒半徑；L是激光棒長；為Nd∶YAG的折射率溫度系數(shù)。式中相加的三項(xiàng)分別表示溫度梯度，熱致應(yīng)力雙折射和端面彎曲的影響。其中以溫度梯度的影響最大，應(yīng)力雙折射次之，端面效應(yīng)最小。

其中，a=1.9×106W/( c m·K)，b=5.33 K-1，c=7.14，d=331 W/cm。也給出了折射率溫度系數(shù)與溫度的關(guān)系，令，有：

其中，a=-2.59×10-6K-1，b=2.61×10-8K-2，c=6.02×10-11K-3?？梢?，當(dāng)晶體截面不同位置處如果存在溫度差異時，相應(yīng)的熱導(dǎo)率和折射率溫度系數(shù)也會發(fā)生變化，導(dǎo)致其所在位置熱透鏡焦距發(fā)生改變。

圖3 三方向泵浦激光晶體熒光分布Fig.3 Fluorescence distribution in laser crystal

二極管陣列采用三向側(cè)面泵浦結(jié)構(gòu)，激光晶體截面內(nèi)熒光分布如圖3所示，可以看出晶體橫截面內(nèi)熒光分布相對晶體軸線對稱，則晶體內(nèi)部的產(chǎn)熱也相對晶體軸線對稱。由于在x方向上晶體的泵浦和散熱結(jié)構(gòu)相對于晶體軸線所在的yz平面對稱，在x方向上的溫度分布也相對于該平面對稱。在y方向上，由于晶體熱沉結(jié)構(gòu)為單方向傳導(dǎo)散熱，在晶體熱沉上會出現(xiàn)溫度梯度，導(dǎo)致影響晶體內(nèi)部的溫度分布。這里只考慮晶體在y方向上存在溫度梯度的情況。為簡化起見，我們把通過晶體截面的光線以晶體軸線為界分成上下兩部分，當(dāng)晶體軸線上下兩側(cè)的光線所處位置溫度不同時，會導(dǎo)致所在位置有不同的熱透鏡焦距，平行于光軸入射的光線由于經(jīng)過熱透鏡后將與光軸相交于不同的點(diǎn)，且兩條光線的交點(diǎn)偏離光軸，形成光軸漂移，如圖4所示。文獻(xiàn)［9］也指出不對稱的散熱導(dǎo)致晶體與熱沉接觸面上下兩側(cè)不對稱的溫度分布，晶體出現(xiàn)熱透鏡的畸變，晶體的熱透鏡效應(yīng)因此不能用理想的熱透鏡來等效，平行于光軸入射的光線通過它匯聚于不同的焦點(diǎn)，且偏移了光軸，從而導(dǎo)致了光軸漂移。

圖4 熱透鏡畸變引起的光軸漂移Fig.4 Optics axes drifts caused by thermal lens distortion

為了分析不同的傳熱結(jié)構(gòu)下晶體截面內(nèi)的溫度分布，利用有限元分析軟件CFDesign對激光晶體的散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值仿真模擬。計(jì)算模型中設(shè)置環(huán)境溫度20℃，YAG熱沉材料為紫銅。由于YAG熱沉與LD熱沉相連接并由TEC進(jìn)行溫度控制，晶體及熱沉的初始溫度為LD的工作溫度40℃。軟件模擬了激光晶體在與晶體熱沉之間的填充材料發(fā)生改變時晶體內(nèi)部的溫度分布情況，模擬結(jié)果如圖5所示。模擬分為以下4種情況：

第一種為晶體夾持處晶體上半部墊入高導(dǎo)熱率材料銦箔，下半部墊入低熱導(dǎo)率的四氟薄片，激光穩(wěn)定工作時的溫度分布情況。銦箔導(dǎo)熱系數(shù)為81.6 W/（m·K）。以期減小激光晶體熱透鏡效應(yīng)的畸變。

第二種為激光晶體與上下兩側(cè)的夾持熱沉的接觸面內(nèi)全都填充銦箔進(jìn)行導(dǎo)熱。

第三種為晶體夾持處晶體上半部不填充導(dǎo)熱材料，存在空氣間隙，下半部墊入銦箔時激光穩(wěn)定工作時的溫度分布情況。

第四種填充導(dǎo)熱材料位置與第三種相反，晶體夾持處晶體上半部墊入銦箔，晶體下半部不填充導(dǎo)熱材料，存在空氣間隙時激光穩(wěn)定工作時的溫度分布情況。

圖5 晶體與熱沉之間填充不同導(dǎo)熱材料情況下的截面溫度分布Fig.5 Temperature distribution of laser crystal with different thermal conductive material

由模擬結(jié)果可以看出，在激光工作狀態(tài)下，由于晶體整體冷卻結(jié)構(gòu)為單側(cè)冷卻，晶體傳遞給上半部熱沉的熱量需要通過下半部熱沉導(dǎo)出，激光晶體接觸面處不同導(dǎo)熱材料由于熱導(dǎo)率不同，傳熱速度也有差別，傳熱速度較快一側(cè)晶體溫度較低。在第一種情況下，激光晶體夾持處，上下兩側(cè)的溫度接近相等。在第二、第三種情況下，上下兩側(cè)分別出現(xiàn)10℃、20℃的溫差。第四種情況下的溫差為-13℃，之所以出現(xiàn)負(fù)值，是因?yàn)橛捎诰w下半部分無導(dǎo)熱材料，此處溫度高于上半部分溫度。

在以上四種晶體的散熱結(jié)構(gòu)下，分別測量了LD在4～22 Hz工作頻率下的輸出激光的光軸漂移量，分析晶體散熱結(jié)構(gòu)對光軸漂移量的影響，如圖6所示。

同時可以通過軟件測量界面觀察到上述四種晶體散熱結(jié)構(gòu)下，在20 Hz工作頻率下的光軸漂移方向，如圖7所示。

仔細(xì)觀察可以看出：

1）經(jīng)過溫度平衡的YAG晶體在三方向均勻泵浦的結(jié)構(gòu)下始終保持著最小的光軸漂移量，在4～22 Hz頻率下光軸漂移量小于40μmrad，滿足激光測距、指示等實(shí)際應(yīng)用需求。

圖6 三向泵浦結(jié)構(gòu)下的光軸漂移量Fig.6 Optics axes drifts with different thermal conductive material

圖7 不同傳熱情況下的光軸漂移方向Fig.7 Directions of optics axes drifts with different thermal conductive material

2）在上述四種晶體散熱結(jié)構(gòu)下，未經(jīng)溫度平衡的YAG晶體隨著泵浦功率的增加，熱透鏡畸變加劇，光軸漂移量逐漸加大；晶體傳熱截面內(nèi)溫差越大時，輸出激光光軸漂移量也越大。

3）由于四種傳熱結(jié)構(gòu)在x方向上傳熱結(jié)構(gòu)相對光軸近似對稱，此方向的光軸漂移量均較小。在y方向上，當(dāng)晶體內(nèi)部溫度梯度發(fā)生改變時，光軸漂移方向也發(fā)生改變。

4 泵浦幾何和傳熱結(jié)構(gòu)引起的熱透鏡畸變對光軸漂移的影響分析

進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)分析泵浦不均勻的情況對光軸的影響。在三向泵浦結(jié)構(gòu)當(dāng)中，晶體光軸方向截面內(nèi)溫度相對光軸呈軸對稱分布［10］。在上述實(shí)驗(yàn)裝置中，將二極管面陣列三方向泵浦的最上面一側(cè)LD陣列去掉，形成雙方向泵浦。同時提高剩余二極管陣列的工作電流以保持注入能量不變，以維持激光輸出能量不變并保持晶體在不同泵浦結(jié)構(gòu)下具有相同的熱功耗。雙向泵浦結(jié)構(gòu)下的熒光分布如圖8所示?？梢钥闯?，雙向泵浦結(jié)構(gòu)下的熒光分布相對三向泵浦而言泵浦均勻性變差，熒光最強(qiáng)的位置并不在晶體軸線上，而是向泵浦LD一側(cè)偏移（熒光分布圖中實(shí)際顯示的是倒立的像）。

圖8 雙方向泵浦激光晶體熒光分布Fig.8 Fluorescence distribution in laser crystal

熒光分布表征著晶體內(nèi)部泵浦光的空間分布，熒光較強(qiáng)的區(qū)域內(nèi)晶體吸收泵浦光能量較多，相應(yīng)的在晶體該區(qū)域內(nèi)泵浦光能量更為集中［11］。當(dāng)熒光分布較差且吸收能量最多的區(qū)域偏離激光晶體中心時，晶體內(nèi)部同樣會出現(xiàn)不對稱的溫度分布，形成熱透鏡的畸變。

可見晶體內(nèi)部溫度分布不均勻的原因應(yīng)來自于兩個方面：晶體周圍散熱不均勻和泵浦光分布不均勻。這里實(shí)驗(yàn)對比分析了熒光分布與傳熱結(jié)構(gòu)引起的熱透鏡畸變在不同的工作頻率下對光軸漂移的影響。

采用雙方向泵浦結(jié)構(gòu)，再次得到不同晶體散熱結(jié)構(gòu)下的光軸漂移量的數(shù)據(jù)，并與三向泵浦結(jié)構(gòu)下的光軸漂移量進(jìn)行了對比，如圖9所示。

圖9 兩種泵浦結(jié)構(gòu)、不同傳熱情況下的光軸漂移差異Fig.9 Directions of optics axes drifts with different thermal conductive material

由于雙向泵浦結(jié)構(gòu)的傳熱模型更為復(fù)雜，此處未進(jìn)行不同傳熱結(jié)構(gòu)下的溫度分布模擬，只對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行定性的解釋。二向泵浦的晶體發(fā)熱區(qū)域更靠近晶體下半側(cè)熱沉，可以認(rèn)為在傳熱結(jié)構(gòu)的溫度分布上疊加了泵浦引起的溫度分布，且在上下方向上溫差為負(fù)值。對于第二、第三種傳熱結(jié)構(gòu)，晶體傳熱截面內(nèi)的溫差由于疊加了負(fù)的溫度梯度后，溫差減小，光軸漂移量減??；對于第一、第四種傳熱結(jié)構(gòu)，二向泵浦引起的溫度分布與傳熱結(jié)構(gòu)下的溫度分布情況重合度較高，晶體截面內(nèi)溫差變化較小，光軸漂移量變化差異也相對較小。這樣相對三向均勻泵浦的情況而言，二向泵浦時由于疊加了泵浦引起的非均勻溫度分布，傳熱截面內(nèi)溫差改變，相應(yīng)的光軸漂移量也隨之改變。

5 結(jié) 論

由于受到泵浦光不均勻分布和晶體散熱系統(tǒng)的共同影響，晶體內(nèi)溫度分布不均勻，形成溫度梯度，引發(fā)晶體非均勻的熱透鏡效應(yīng)，直接影響了激光輸出的指向穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)中所發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象是采用這一種散熱結(jié)構(gòu)激光器所共有的，通過對這類激光器的工作機(jī)理的研究可以得出以下結(jié)論：

（1）激光晶體的傳熱結(jié)構(gòu)及泵浦結(jié)構(gòu)引起的激光晶體內(nèi)部的溫度分布對光軸漂移量的影響至關(guān)重要。

（2）激光晶體存在溫度梯度的非對稱變化即所謂激光晶體的熱透鏡畸變是引起光軸漂移的關(guān)鍵因素，在激光器設(shè)計(jì)過程中需要盡可能保證激光晶體截面內(nèi)溫度分布相對光軸對稱，使光軸漂移量最小。

本文對激光器光軸漂移的原因進(jìn)行了分析，對比了不同傳熱結(jié)構(gòu)對輸出激光光軸漂移量的影響，定性分析了非均勻泵浦結(jié)構(gòu)對光軸漂移量的影響。分析結(jié)果對脈沖固體激光器的設(shè)計(jì)有著一定的參考意義。按照以上分析結(jié)論已經(jīng)進(jìn)行了多臺套激光器調(diào)試，效果明顯，并成功應(yīng)用于其光電平臺。