水冷和半導體制冷片聯合控溫的固體激光器實驗裝置*

高軍翔，梁錫輝，李康業，龐振華

（廣州市光機電技術研究院//廣東省現代控制與光機電技術公共實驗室，廣東廣州 510663）

水冷和半導體制冷片聯合控溫的固體激光器實驗裝置*

高軍翔，梁錫輝，李康業，龐振華

（廣州市光機電技術研究院//廣東省現代控制與光機電技術公共實驗室，廣東廣州 510663）

光泵浦的固體激光器的工作介質在工作時溫度很高，會產生熱透鏡效應。這種熱透鏡效應會導致光-光轉換效率下降。為了使激光器的工作介質在工作時保持恒溫，研制了一種水冷和半導體制冷片聯用控溫的裝置，根據實驗數據可知，本裝置達到了良好的效果。

激光器；水冷；半導體制冷片

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的激光器，其具有較大的輸出功率和較緊湊的結構，從其誕生開始至今，一直備受關注，尤其隨著LDA泵浦固體激光技術的發展，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]。泵浦源為工作介質產生激光提供所必須能量的同時會產生大量的無用熱，在散熱不好的情況下，激光器的溫升很大，會使激光器轉換效率降低，輸出功率下降，激射波長偏移[2]。為使激光器持續穩定運轉，必須及時帶走這些無用熱，于是導致熱透鏡、應力、退偏、雙折射等不良效應[3]。

半導體制冷又稱為熱電制冷或溫差電制冷，它主要是珀爾帖效應在制冷技術方面的應用。并且隨著半導體技術的發展，受到了人們的廣泛關注，與傳統壓縮機制冷相比，它主要具有無磨損、壽命長、尺寸小、制冷時間快和控制精度高等優點[4-6]。但是半導體制冷效率的提高，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，重點解決好其散熱問題將對制冷效率的提高起到至關重要的作用[7]。

本文設計了一臺固體激光器實驗裝置，本實驗裝置由于要求可以測試固體激光晶體的一些性能，因此對控溫裝置的要求較高，因此，本裝置采用了水冷與半導體制冷方式片聯合的方式來控溫，從而達到了較好的控溫效果。

1 固體激光器實驗裝置的結構

1.1 激光器的整體結構

如圖1所示，系統的激光產生裝置采用平行平面腔、半導體激光單端泵浦的結構。本實驗裝置的泵浦源為獨立控溫的波長為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；控溫裝置為自主設計的水冷與半導體制冷片聯用的裝置。808 nm的激光經過光纖，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波長的激光。圖1中最右邊的準直激光器為調節激光裝置準直的He-Ne激光器。

圖1 固體激光器實驗裝置結構示意圖

1.2 控溫裝置的結構圖

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

圖2 固體激光器實驗裝置控溫裝置結構示意圖

1.2.1 半導體制冷片溫控裝置

PID控制器是按偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D） 進行控制的調節器。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超調量[4]。本文中使用的控制器正是基于PID原理的某廠家生產的智能溫度控制儀，其精度為0.1℃。

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

1.2.2 水冷溫控裝置

水冷技術是比較成熟的技術，本文中使用的水冷系統是某廠家生產的小型水冷機，其精度可達0.1℃。水冷銅質基座是根據半導體制冷片的大小，自主設計并制作的裝置。

2 固體激光器的溫控性能

為了評估固體激光器的溫控性能，本文以分鐘為單位記錄了25分鐘激光器的半導體控溫裝置的溫度和激光的功率，并且在激光輸出一個小時之后同樣記錄了半導體控溫裝置的溫度和激光的功率。具體做法是，使用9.8 W的波長為808 nm的激光作為激發源，激發Nd∶YAG晶體；水冷系統溫度設定為20℃，半導體制冷系統設定為20℃。首先，先調節激光器使其輸出1 064 nm波長的激光，出激光5分鐘后開始計時，記錄溫度，同時使用激光功率計測量功率（功率計的前端加入808 nm波長的濾光片，1 064 nm的激光透過率大約為70%）。表1為實驗數據值。

表1 半導體溫度控制器的顯示溫度與功率隨時間的變化

2.1 半導體控溫裝置溫度穩定性

如圖3所示，隨著時間的增加，控溫裝置的顯示溫度逐漸下降，直到8 min后，進入穩定狀態，并在22℃～23.5℃之間波動，同時激光器運行1 h后其溫度測量值為22.4。為了衡量溫度的波動率，利用公式：波動率=（最大溫度-最小溫度）/平均溫度。那么根據公式8 min后本文的激光實驗裝置的溫度波動率約為：4.4%。

2.2 激光器輸出功率的穩定性

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

圖3 半導體控溫裝置的顯示溫度隨時間變化的關系

圖4 激光輸出功率隨時間變化的關系

3 結論

從實驗可知，本文自主設計的水冷和半導體制冷片聯合控溫的固體激光器實驗裝置的性能良好，在調節好諧振腔，輸出1 064 nm波長的激光后，8 min基本上上就進入了穩定狀態，并且運行1 h后仍能保持良好的效果。根據本文使用的衡量公式，控溫裝置的波動率控制在約為4.4%的狀態，而輸出激光功率的波動率約為2.9%。

［1］韓雪冰，吳學彥，戴磊.基于專利分析的我國固體激光器領域現狀與發展對策研究［J］.現代情報，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計研究［J］.光學與光電技術，2013，11（5）：13-16.

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

［4］王威，王少軒.基于Cortex-M0的半導體制冷溫度控制系統設計［J］.機電工程技術，2011，40（4）：67-69.

［5］鄭弘.一種基于半導體制冷技術的冷暖控制器主機設計［J］.機電工程技術，2009，38（7）：91-93.

［6］張曉芳，鐘建新，楊穗.水冷式半導體冰箱制冷性能的研究［J］.工程設計學報，2012，19（2）：105-111.

［7］代偉.半導體制冷散熱強度對制冷性能的影響［J］.制冷與空調，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。研究領域：光學檢測和光學設計。已發表論文3篇。

(編輯：阮 毅)

*國家863項目（編號：2012AA040210）；國家863項目（編號：2013AA03A106）；廣州市應用基礎研究專項（編號：2013J4100122）

2014－05－28