復合Nd∶YAG晶體大功率1064 nm固體激光器研究

郝 旺,李 祎,高蘭蘭

(長春理工大學,吉林 長春 130022)

1 引 言

在固體激光器激光晶體的工作過程中,由于量子虧損、下激光能級與基態之間能差轉化為熱量、激光猝滅等原因會產生大量的熱量,進而導致激光晶體內部溫度分布不均勻,產生熱透鏡、端面熱變形等效應。當泵浦功率輸入穩定時,晶體內部便會形成穩定的溫度場,引起晶體的熱透鏡效應,進而影響晶體折射率、限制激光器輸出功率,影響Nd∶YAG激光器的性能[1]。通過鍵合技術將Nd∶YAG晶體鍵合成為復合晶體,構成激光器的諧振腔,這種激光器具有高集成、高可靠性和峰值功率高,光斑質量好等優點[2-3]。

本文采用三種不同結構的Nd∶YAG晶體,通過Comsol仿真軟件對三種激光晶體在相同工作條件下的溫度分布進行模擬[4],結合實驗數據驗證理論模擬的正確性,研究結果表明復合晶體的散熱效果優于均勻摻雜Nd∶YAG晶體,激光器的輸出功率提高50%,光斑質量也更優化。理論和實驗結果表明,復合晶體在高質量大功率激光輸出方面更加有利[5]。

2 Comsol模擬Nd∶YAG晶體溫度分布

本研究使用的Nd∶YAG晶體有兩種結構,一種為均勻摻雜Nd3+離子的Nd∶YAG激光晶體(如圖1(a)所示),另一種為鍵合結構,即在均勻摻雜Nd3+離子的Nd∶YAG激光晶體兩端利用擴散結合的方式鍵合3 mm的YAG晶體(如圖1(b)所示)。由于YAG晶體對泵浦光無吸收,可以將復合晶體中的熱量從摻雜部分擴散到非摻雜部分,再由制冷裝置將熱量散發,因此比均勻摻雜晶體的散熱效果好很多,減少晶體的熱膨脹,降低大量積累的熱量對激光晶體折射率的影響[6]。為了對比這兩種晶體的散熱性能,對其在端面泵浦工作情況下,達到穩態時的溫度分布進行了模擬。

圖1 Nd∶YAG晶體結構

由熱動力學分析可得,整個長方體晶體處于穩態時的熱傳導方程為:

(1)

其中:

(2)

(3)

x、y、z分別為Nd∶YAG柱體的端面坐標和軸向坐標,激光晶體的坐標原點為晶體泵浦端面中心。

Q為由泵浦光轉化的熱量；ωp為泵浦光在晶體中傳輸的光束半徑；ηh為泵浦能量轉化為熱量的比例系數；pin為泵浦功率；α為Nd∶YAG對泵浦光的吸收系數；k為Nd∶YAG的熱導率。

方程中取ηh=35%,pin= 18 W,α=3.5 cm-1,ωp=200 μm,k=13 W·m-1·K-1,激光晶體與空氣接觸的兩個端面的熱交換系數取h=50 cm-2·K-1,與金屬底座接觸的側面熱交換系數取h=10000 cm-2·K-1,設Te(環境溫度)=20 ℃,金屬底座溫度取TC=18 ℃[7]。

3 模擬結果與實驗數據

通過Comsol仿真軟件的熱傳導模塊對兩種激光晶體在激光器工作達到穩態時的溫度分布進行模擬,得到的模擬結果如圖2和圖3所示。

通過Comsol仿真軟件模擬得到的結果如表1所示。

同時通過軟件模擬得到了兩種激光晶體在穩態工作時晶體內最高溫度點的位置坐標,如表2所示。

圖2 均勻摻雜晶體穩態時的溫度分布

圖3 鍵合3 mmYAG晶體的復合晶體穩態時的溫度分布

晶體種類最高溫度/℃最低溫度/℃均勻摻雜晶體97.120518.6928復合晶體(3mm)89.080618.0580

表2 兩種晶體在激光器達到穩態時晶體內最高溫度點坐標

實驗中,利用波長808 nm半導體激光器作為泵浦源,其最大輸出功率為18 W,分別以3 mm×3 mm×10 mm、3 mm×3 mm×16 mm兩種Nd∶YAG激光晶體為工作物質進行實驗,測量激光器達到穩態時1064 nm激光的輸出功率,得到圖4所示的功率輸出曲線。

圖4 兩種激光晶體的輸出功率曲線

從圖4中可以看出,兩端有3 mm鍵合純YAG的Nd∶YAG晶體在LD最大工作電流為42.5 A(輸出功率為18 W)時,1064 nm激光的最大輸出功率為9.3 W,均勻摻雜Nd∶YAG的輸出功率為6 W,如果繼續增加泵浦功率,均勻摻雜Nd∶YAG晶體的光斑不再是TEM00模,說明晶體內溫度場已經嚴重影響激光器的工作性能。而復合晶體輸出的均為基模。

4 拓展與探索

為了分析復合晶體的端面鍵合晶體對激光晶體在穩態工作時最高溫度的影響,進行了第三種復合結構晶體的模擬,即將端面鍵合晶體的長度設置為5 mm(晶體結構如圖5所示),利用Comsol仿真軟件的熱傳導模塊對其在激光器工作達到穩態時的溫度分布進行模擬,得到的模擬結果如圖6所示。

圖5 兩端分別有長5 mm的未摻雜YAG的復合晶體

圖6 鍵合5 mm YAG晶體的復合晶體穩態時的溫度分布

當延長復合晶體的端面鍵合晶體為5 mm時,激光器工作達到穩態時晶體的最高溫度為88.01 ℃,比端面鍵合晶體為3 mm的復合晶體的最高溫度下降1.07 ℃,最高溫度點的位置坐標為(0.02934,0.0091596,0.93665)(單位:mm),相比端面鍵合晶體為3 mm的復合晶體向泵浦端面方向(即z軸負半軸方向)移動0.09 mm。

5 結論與分析

對比圖2和圖3的溫度分布可以看出,均勻摻雜晶體的最高溫度達到97.12 ℃,最高溫度在晶體泵浦端的端面位置,此處對泵浦光的吸收最強,且與空氣接觸散熱效果差,故溫度最高；復合晶體(3 mm)的最高溫度達到89.08 ℃,與均勻摻雜晶體相比溫度下降大約8 ℃,雖然泵浦端面吸收的熱量也很多,但是在增加了YAG端帽后,散熱效果得到改善,最高溫度位置向晶體中心方向(即z軸正半軸方向)移動；復合晶體(5 mm)的最高溫度達到88.01 ℃,與復合晶體(3 mm)相比最高溫度下降大約1 ℃,晶體最高溫度點位置移動0.09 mm,說明在泵浦功率一定的情況下,增加純YAG端帽結構的長度,復合晶體的散熱效果更好,如果增大泵浦功率,這種優勢則更加明顯。

由實驗結果可得,復合晶體相較于均勻摻雜晶體,通過在泵浦端鍵合YAG晶體,有利于晶體的散熱,降低了激光晶體工作時的熱效應,使得激光器的輸出功率更高,光斑質量更優化；通過對兩種復合晶體的模擬結果的比較發現,增長鍵合YAG晶體的長度對降低激光晶體的最高溫度有一定的效果。在實際應用中,通過在Nd∶YAG晶體兩端鍵合YAG晶體,可以有效降低激光晶體的熱效應,提高激光器輸出功率,故復合晶體具有更大的優勢,更適合應用于大功率激光器。

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