復(fù)合Nd∶YAG晶體固體激光器熱效應(yīng)研究

李萌萌,楊 飛,趙上龍,高蘭蘭

(長(zhǎng)春理工大學(xué)理學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130000)

1 引 言

1960年,工程師梅曼使用紅寶石制作出第一臺(tái)激光器[1],此后激光器件及其技術(shù)得到快速發(fā)展,Nd∶YAG激光器、鈦藍(lán)寶石激光器等應(yīng)運(yùn)而生,固體激光器進(jìn)入了一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期[2]。隨著人們對(duì)大功率固體激光器的深入研究,固體激光器中激光晶體的熱效應(yīng)——這一限制提高激光器輸出功率和光束輸出質(zhì)量的主要障礙,成為熱門的研究方向[3]。在固體激光器運(yùn)行時(shí),由于量子虧損、下激光能級(jí)與基態(tài)之間能差轉(zhuǎn)化為熱量、激光猝滅等原因會(huì)產(chǎn)生大量的熱量,進(jìn)而導(dǎo)致激光晶體內(nèi)部溫度分布不均勻,引起晶體的熱透鏡效應(yīng)[4-8]。而利用鍵合技術(shù)將YAG晶體與Nd∶YAG晶體鍵合構(gòu)成復(fù)合晶體,作為激光器的工作物質(zhì),可以有效減少激光晶體的熱效應(yīng),使用復(fù)合晶體的激光器具有可靠性高、峰值功率高光斑質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)[9-12]。

本文采用四種不同結(jié)構(gòu)的復(fù)合Nd∶YAG晶體,其中首次提出了側(cè)面鍵合YAG晶體和端面&側(cè)面鍵合YAG晶體的復(fù)合晶體結(jié)構(gòu),并通過(guò)Comsol有限元分析仿真軟件對(duì)四種激光晶體在相同工作條件下達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度場(chǎng)分布進(jìn)行模擬仿真[13-15],得到不同泵浦功率下的激光晶體內(nèi)部的溫度分布,并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模擬仿真的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明,在理想的冷卻條件下,在Nd∶YAG晶體端面鍵合YAG晶體可以有效減少晶體的熱效應(yīng)；側(cè)面導(dǎo)熱系數(shù)比較小時(shí),側(cè)面及端面雙重鍵合結(jié)構(gòu)是降低晶體熱效應(yīng)的有效方法。

2 晶體溫度分布模型建立

本研究中使用的Nd∶YAG晶體有四種結(jié)構(gòu),一種為傳統(tǒng)晶體,即內(nèi)部均勻摻雜Nd3+離子的Nd∶YAG激光晶體(如圖1(a)所示)；另外三種為復(fù)合晶體,即在均勻摻雜Nd3+離子的Nd∶YAG激光晶體兩端或側(cè)面利用擴(kuò)散鍵合的方式鍵合不摻雜的YAG晶體(如圖1(b)、(c)、(d)所示)。四種晶體結(jié)構(gòu)如下:(1)3 mm×3 mm×10 mm均勻摻雜Nd∶YAG晶體；(2)兩個(gè)端面分別鍵合3 mm長(zhǎng)YAG晶體的3 mm×3 mm×10 mm Nd∶YAG復(fù)合晶體；(3)側(cè)面鍵合厚度1 mm的YAG晶體5 mm×5 mm×10 mm復(fù)合Nd∶YAG晶體；(4)四個(gè)側(cè)面分別鍵合厚度1 mm的YAG晶體,兩個(gè)端面分別鍵合3 mm長(zhǎng)的YAG晶體的5 mm×5 mm×10 mm Nd∶YAG晶體。因?yàn)椴粨诫s的YAG晶體對(duì)泵浦光無(wú)吸收,有利于將晶體中的熱量從摻雜部分?jǐn)U散至非摻雜部分,再通過(guò)冷卻裝置將熱量散發(fā),復(fù)合晶體的散熱效果要優(yōu)于傳統(tǒng)晶體。此外,由于復(fù)合晶體的內(nèi)部最高溫度點(diǎn)位于晶體內(nèi)部,而非傳統(tǒng)晶體的端面,對(duì)晶體端面鍍膜的破壞也得到有效的降低。為了比較四種結(jié)構(gòu)的Nd∶YAG晶體的散熱性能,在端面泵浦的條件下,對(duì)其工作達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的內(nèi)部溫度分布進(jìn)行模擬仿真。

圖1 Nd∶YAG晶體結(jié)構(gòu)

通過(guò)熱動(dòng)力學(xué)分析可知,整個(gè)晶體處于穩(wěn)態(tài)時(shí)的熱傳導(dǎo)方程為:

(1)

泵浦光轉(zhuǎn)化的熱量為:

exp(-α·z)

(2)

其中,x,y,z分別為Nd∶YAG晶體的端面坐標(biāo)和軸向坐標(biāo),晶體的坐標(biāo)原點(diǎn)位于泵浦端晶體鍵合面中心;ωp為泵浦光在晶體中傳輸?shù)墓馐霃?；ηh為泵浦能量轉(zhuǎn)化為熱量的比例系數(shù)；pin為泵浦功率；α為Nd∶YAG對(duì)泵浦光的吸收系數(shù)；k為Nd∶YAG的熱導(dǎo)率。

上述方程中取ηh=35 %,α=3.5 cm-1,ωp=200 μm,k=13 Wm-1K-1,Nd∶YAG晶體與空氣接觸的端面的熱交換系數(shù)取h=50·cm-2·K-1,與金屬底座接觸的側(cè)面熱交換系數(shù)取h=10000 cm-2·K-1,設(shè)Te(環(huán)境溫度)=20 ℃,金屬底座溫度取TC=18 ℃,泵浦功率分別取pin=30W和pin=18 W[16-20]。

3 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

使用Comsol有限元仿真軟件中的熱傳導(dǎo)模塊對(duì)四種激光晶體在激光器中達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度場(chǎng)分布進(jìn)行模擬。

當(dāng)泵浦功率pin=30 W時(shí),獲得的模擬結(jié)果如圖2～圖5所示。

當(dāng)激光器工作達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí),晶體內(nèi)部的最高溫度和最低溫度如表1所示。

當(dāng)把泵浦功率降低至pin=18 W時(shí),激光器工作達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí),晶體內(nèi)部的最高溫度和最低溫度如表2所示。

圖2 晶體溫度分布

圖3 晶體(2)穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度分布

圖4 晶體(3)穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度分布

圖5 晶體(4)穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度分布

表1 四種晶體泵浦功率pin=30 W時(shí)晶體內(nèi)最高、低溫度

表2 四種晶體在泵浦功率pin=18 W時(shí)晶體內(nèi)最高、低溫度

同時(shí)由Comsol模擬結(jié)果得到四種激光晶體在泵浦功率分別為18 W和30 W時(shí),達(dá)到穩(wěn)態(tài)工作時(shí)晶體內(nèi)部的最高溫度點(diǎn)Z軸坐標(biāo),如表3所示。

表3 四種晶體在激光器達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)晶體內(nèi)最高溫度點(diǎn)坐標(biāo)

通過(guò)對(duì)比表1和表2的晶體最高溫度可知,側(cè)面鍵合晶體(3)的最高溫度最高,在泵浦功率為30 W和18 W時(shí),分別達(dá)到157.507 ℃和102.498 ℃,說(shuō)明側(cè)面鍵合在一定情況下會(huì)阻礙激光晶體的散熱。兩種泵浦功率情況下,最高溫度最低的均是端面鍵合晶體。說(shuō)明端面鍵合是改善晶體散熱的有效方法。對(duì)比端面鍵合,側(cè)面鍵合和端面&側(cè)面鍵合三種晶體結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)端面&側(cè)面鍵合晶體的最高溫度介于端面鍵合及側(cè)面鍵合之間,且更接近于端面鍵合晶體,原因是端面鍵合的有效性被側(cè)面鍵合的阻礙所平衡,因此雖然第四種晶體在摻雜晶體外側(cè)都鍵合了YAG晶體,但是散熱效果并不理想。

從表3可以看出,均勻摻雜和側(cè)面摻雜的晶體最高溫度點(diǎn)位于晶體泵浦端的端面,由于該位置對(duì)泵浦光的吸收最強(qiáng),并且與空氣接觸散熱較差,故溫度最高。我們采用波長(zhǎng)為808 nm的半導(dǎo)體激光器作為泵浦源,泵浦功率為18 W,分別以四種Nd∶YAG激光晶體為工作物質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),測(cè)量固體激光器達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)波長(zhǎng)為1064 nm激光的輸出功率,得到圖6所示的激光器輸出功率曲線。

圖6 四種激光晶體在泵浦功率為18 W時(shí)的功率曲線

由圖6可知在LD最大工作電流為40 A(輸出功率為18 W)時(shí),分別使用四種晶體的1064 nm激光的最大輸出功率分別為6 W、9.3 W、11.2 W和12.1 W,若進(jìn)一步提高泵浦功率,均勻摻雜的晶體(1)輸出激光光斑已不是TEM00模,由此可知晶體內(nèi)熱效應(yīng)產(chǎn)生的溫度場(chǎng)已經(jīng)影響到激光器的輸出光束質(zhì)量。與此同時(shí),三種復(fù)合晶體輸出的激光仍為基模。從圖6可以看出,鍵合結(jié)構(gòu)可以有效改善激光晶體的散熱,提高激光器的輸出功率。在三種復(fù)合晶體中,端面&側(cè)面鍵合的晶體(4)輸出功率最高,在泵浦功率為18 W時(shí),激光器的最大輸出功率為12.1 W,轉(zhuǎn)化效率為67.2 %。曲線要明顯優(yōu)于另外兩種結(jié)構(gòu)的復(fù)合晶體；在LD工作電流為40 A時(shí),相較于側(cè)面鍵合晶體(3),端面&側(cè)面鍵合晶體(4)的輸出功率要提高5 %。實(shí)驗(yàn)中,端面&側(cè)面鍵合晶體的輸出功率優(yōu)于僅端面鍵合和側(cè)面鍵合的情況,與理論模擬不完全符合,可能的原因是由于晶體通光長(zhǎng)度比較長(zhǎng),在激光晶體與晶體座裝調(diào)過(guò)程中,晶體側(cè)面與晶體座直接接觸,沒有使用軟金屬銦箔,導(dǎo)致接觸不緊密,影響到散熱效果的原因。

4 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)分析

由于在激光器實(shí)際工作時(shí)冷卻方式不同,或者激光晶體與冷卻裝置接觸不緊密等原因,激光晶體的散熱情況會(huì)有很大的不同。為了研究該因素對(duì)于上述四種激光晶體的溫度場(chǎng)分布的影響,并驗(yàn)證對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的判斷,我們?cè)诒闷止β蕿?0 W時(shí),將激光晶體側(cè)面換熱系數(shù)降低至h=2000 cm-2·K-1,通過(guò)Comsol模擬計(jì)算出四種激光晶體在穩(wěn)態(tài)時(shí)內(nèi)部的最高溫度和最低溫度。模擬結(jié)果如表4所示。

表4 換熱系數(shù)調(diào)整后四種晶體內(nèi)最高、低溫度

通過(guò)將表1與表4的數(shù)據(jù)對(duì)比可知,傳統(tǒng)晶體的散熱效果仍然最差,最高溫升最大,側(cè)面鍵合YAG晶體的晶體(3)次之；相較于換熱系數(shù)h=10000 cm-2·K-1,當(dāng)換熱系數(shù)降低至h=2000 cm-2·K-1時(shí),端面&側(cè)面鍵合YAG晶體的晶體(4)散熱效果要明顯優(yōu)于只有端面鍵合YAG晶體的晶體(2)。說(shuō)明在換熱系數(shù)比較小,或?qū)嵝阅鼙容^差的情況下,側(cè)面鍵合可以有效提高晶體的導(dǎo)熱性能。與我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。

5 結(jié) 論

本論文通過(guò)使用Comsol有限元仿真軟件中的熱傳導(dǎo)模塊對(duì)四種激光晶體在激光器中達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度場(chǎng)分布進(jìn)行模擬,得出鍵合晶體是有效改善激光晶體散熱,提高光束質(zhì)量的有效方法。鍵合晶體的結(jié)構(gòu)與激光晶體的冷卻方式或晶體側(cè)面的換熱系數(shù)有關(guān),當(dāng)換熱系數(shù)較大為h=10000 cm-2·K-1時(shí),泵浦功率為Pin=30 W的情況下,比較四種晶體結(jié)構(gòu)的最高溫度。側(cè)面鍵合的晶體最高溫度最高為157.507 ℃,比均勻摻雜未鍵合的的晶體最高溫度153.518 ℃高,端面鍵合的激光晶體的最高溫度最低為114.309 ℃。說(shuō)明側(cè)面鍵合在一定情況下會(huì)阻礙激光晶體的散熱,與側(cè)面鍵合相比,端面鍵合是提高晶體散熱性能的最有效的方法。同時(shí),當(dāng)換熱系數(shù)為h=2000 cm-2·K-1,泵浦功率為30 W時(shí),比較四種晶體結(jié)構(gòu)的最高溫度。均勻摻雜的晶體最高溫度最高為212.014 ℃,端面&側(cè)面鍵合晶體的最高溫度最低為134.410 ℃。在實(shí)驗(yàn)方面,采用LDA作為泵浦源,在泵浦功率為18 W時(shí),得到側(cè)面與端面雙重鍵合的Nd∶YAG的1064 nm輸出功率最高,為12.1 W,轉(zhuǎn)換效率為67.2 %,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論模擬結(jié)果相符合。可以得出對(duì)于冷卻效果不是很好的激光器,端面&側(cè)面鍵合結(jié)構(gòu)更有利于降低激光晶體內(nèi)部的熱效應(yīng)。且隨著泵浦功率的增加,復(fù)合晶體輸出的激光光斑仍舊保持基模狀態(tài),而均勻摻雜的晶體輸出激光光斑則不再是基模狀態(tài)。此研究對(duì)于以后的復(fù)合結(jié)構(gòu)激光晶體的設(shè)計(jì)加工具有一定的指導(dǎo)意義。

致 謝:感謝福州聚光光電技術(shù)有限公司提供的晶體支持。