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.華北光電技術研究所,北京 100015；2.中國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·

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

簡要論述了影響氙燈泵浦傳導冷卻YAG激光器可靠性的諸多因素,以可靠性理論為基礎,對YAG激光器的可靠性進行了分析,提出了可靠性設計措施,并對某YAG激光器的可靠性進行了預計以及試驗。

可靠性；激光器；分析；試驗

1 引 言

自從1960年梅曼發明了紅寶石激光器以來,隨著激光技術的日新月異,激光器在各個領域得到了迅猛的發展。激光系統的發展應用除了激光技術的推動因素以外激光器的可靠性的高低對推廣應用起到重要作用。國內也有一些研究機構[1-4]對各種類型的激光器進行了某些可靠性方面的評價,但缺乏總體的故障分析和具體的可靠性預計過程,本文著重討論了應用于某激光測距系統的小型傳導冷卻Nd∶YAG 激光器的設計和可靠性水平的提升方案,從可靠性設計的角度去分析和保證激光器的綜合性能的提升,滿足用戶的使用要求。對于激光器來講,影響其可靠性的主導因素是光學諧振腔的失調和光學元件的損傷問題。涉及的技術環節較多,需要通過對采購環節、外協加工的嚴格驗收以及實際嚴格的調試工藝來保證激光器的綜合性能。依據系統的失效模式分析和通過對過程的嚴格質量把關,實現了一種采用Cr∶YAG晶體作為被動Q開關、以Nd∶YAG晶體為激光工作介質、以角錐棱鏡作為光學諧振腔的免調試固體激光器,實現了輸出能量15 mJ、自然發散角小于3 mrad、重復頻率1 Hz、平均無故障時間1000 h以上的高性能小型傳導冷卻固體激光器,為該類產品在激光測距領域的推廣應用奠定了基礎。

2 燈泵Nd∶YAG激光器的故障分析

設備故障通常分為三類：

(1)設計粗劣,或者材料或部件選用不當

在進行激光器的方案設計時重點考慮激光器的穩定性問題。影響輸出穩定性的因素有：諧振腔的抗失諧能力,熱管理水平及機械結構的應力分布。

關于諧振腔設計方面,因為所有球面諧振腔的模式結構、發散角和衍射損耗都與諧振腔的g參數和反射鏡的傾斜失調度有關。 諧振腔的穩定性可以通過仿真模擬g參數的變化,將其選擇在g=0.5范圍,可以滿足熱不靈敏的條件,輸出功率的穩定性得到很好的保證。除此,在選用諧振腔全反鏡時盡量使用抗失諧能力強的光學元件(如：角錐棱鏡或直角棱鏡等特殊光學元件),構成棱鏡腔,從而最大程度的保證激光器的穩定、可靠運轉。

熱管理方面,主要是激光工作介質和泵浦光源的散熱能力的改善。如果激光工作介質的無用熱傳導不及時,嚴重時會導致激光工作介質的性能變差,諧振腔的穩區縮窄,模體積變小,輸出功率明顯下降或不出現激光振蕩。

機械結構的設計方面,重點考慮如何保證安裝基面的高低溫變形量小的問題,需要功過計算機CAD或ansys等軟件進行機械應力仿真分析,在此基礎上盡量采用高低溫機械變形小的鋁材,從而保證整個機械結構的穩定性。

選擇組成激光器的各種光學元件方面,首先要考慮抗激光損傷能力、其次按照不同的功能進行關鍵指標的把控。組成激光器的光學的數量和種類與采取的技術方案有密切關系,各種光學的損傷閾值各不相同,鍍膜的難度也各有所別。光學元件的內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重,因此,在具體的激光器設計當中,除了關注光學元件本身的體損傷閾值以外重點關注表面光學薄膜的抗激光損傷閾值的水平,堅持使用損傷閾值遠遠高于諧振腔內部光強的光學元件或通過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)質量控制不當,致使產品偏離設計技術規定

激光器作為相干輻射源,在很多光電系統當中扮演重要的角色,從質量控制的角度,需要對組成激光器的光機電部件進行嚴格的篩選和老化試驗,才能從根本上保證產品的優良性能。需要對影響激光器長期可靠性的工藝環節進行梳理,其中工作間的凈化度、機殼內部空間的潔凈度以及光學元件的清潔工藝尤為重要。于此同時,在選擇光學材料時盡量選擇均勻性好、吸收系數小的光學材料,盡量提高光加工的質量、提高表面光潔度及減少劃痕、疵點,以此提高光學元件內部的抗激光損傷閾值,提高可靠性。

(3)由環境作用或影響引起的劣化

在激光器中出現故障最多的案例是光學元件的污染和諧振腔的失諧。很多時候由于在工藝操作當中引入空氣中的塵埃、指印或其他雜質吸收等造成的表面污染,導致光學薄膜的激光損傷或諧振腔損耗增加,激光器無法正常工作。所以,體積尺寸允許的情況下對光路進行整體充氮密封,提高激光器倉體的內部潔凈度,減小污染引起的故障。具體的工藝操作當中,嚴禁帶入有油污或指紋的外協件或功能模塊,禁止使用具有揮發性的硅橡膠等膠類產品。

引起諧振腔失諧的主要因素是機械結構件在高低溫、沖擊振動環境下出現較大的變形量,超出諧振腔失調最大允許量,引起激光器輸出能量下降、光束質量的劣化。需要在整機機械設計方面進行優化設計以外更應該在機械件材料選擇、高低溫時效處理等方面加強質量控制。

3 燈泵Nd∶YAG激光器可靠性模型建立和可靠性預計

對于燈泵無水冷Nd∶YAG激光器來講,影響其可靠性的因素主要有以下兩個部分：激光器機頭和激光電源。激光器機頭包括激光棒、光學鏡片、Q開關、聚光腔等單元組成,其失效模式基本以光學元件污染和諧振腔失諧為主。激光電源包括充電裝置、脈沖成形網絡和閃光燈觸發電路,其失效模式以氙燈無法觸發為主。

具體的激光器實驗光路如圖1所示。

圖1 氙燈泵浦Nd∶YAG激光器

激光工作介質采用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波長的反射膜(透過率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,鍍銀層專門進行了防氧化措施,能夠保證聚光腔在惡劣的環境條件下不容易出現氧化發烏的現象,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、沖擊振動環境下不出現效率下降的問題。調Q系統采用了可靠性更高的Cr∶YAG被動調Q方式,因Cr∶YAG的抗激光損傷能力較強,保證了激光器可靠性的提升。通過該設計,能夠穩定輸出15 mJ的輸出能量,光束角小于3 mrad的1 μm激光。

因為組成激光器的各個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模型[5],即各個單元的串聯組合：

λNd∶YAG=πEπcλ激光介質+πEπcπOSλ光學耦合+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激光介質是激光介質失效率。λ泵浦是泵浦機構的失效率,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開關等,與光學污染、光學元件內部損傷有關。λ電源是激光器電源的失效率;πE是環境應用因素；πC是耦合清潔度因素；πOS是實際光學表面應用因素,與實際光路有關；π重復是脈沖重復頻率因素；π冷卻是閃光燈周圍各種冷卻介質的冷卻因素。具體的取值如表1所示。

表1 各單元的基本失效率和對應因素的數據表

將表1的數據代入公式(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

平均無故障時間MTBF為：

4 結 論

本文對燈泵Nd∶YAG激光器的常見故障模式進行了詳細的分析,并提出了很多對應的解決措施,并在實際的產品設計當中進行了推廣應用,同時用典型的美軍軍用手冊里的可靠性預計方法進行了激光器的可靠性水平的預計。與到安保設備的200臺激光器[6](經過了3年室外寒暑條件下穩定可靠運轉)的可靠性數據(MTBF約1000 h)對比后發現現有設備的可靠性明顯超出預計水平,表明使用的可靠性模型還有很多更加細化的地方,需要積累更多的最小單元(光學元件)的可靠性數據,從而更加準確地預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，主要從事光電系統方面的工程應用。

2015-03-29;

2015-05-03

TN248.1

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.11.011