抑制二極管泵浦激光器光軸漂移的實驗研究

李久喜，王鵬飛，謝 爽

（華北光電技術研究所，北京100015）

1 引 言

對于多數激光應用，激光器的光束參數如功率、能量、發散角、光斑尺寸、相干性和偏振等是表征激光器性能的重要參數，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一樣，也是衡量激光器性能的重要參數。激光二極管（LD）的輻射光譜和固體激光介質的吸收光譜能夠很好地匹配，使二極管泵浦固體激光介質的熱效應大大降低。但對于高功率運轉的二極管泵浦固體激光器來說，介質會吸收一部分泵浦光能量而發熱，同時又因外部冷卻散熱，在介質內形成一定的溫度梯度［4］。這種非均勻溫度場及相應的熱透鏡作用，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Q激光器脈沖工作狀態下影響光軸漂移的因素進行了分析，給出了一些有實踐意義的結論，對光軸漂移有較高指標要求的固體激光器設計起到了一定的參考作用。

2 實驗裝置及初步實驗結果

系統結構如圖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熱材料將晶體產生的熱量導出。晶體熱沉前后兩側各由一組激光二極管模塊進行泵浦。二極管泵浦模塊采用應用較為廣泛的面陣列三向側面泵浦，每個LD面陣列由6個Bar組成，泵浦結構共計36 Bar。二極管熱沉由半導體制冷器（TEC）進行溫度控制，并把溫度控制在二極管的最佳工作溫度40℃。半導體制冷器熱端和散熱片相接，強制風冷散熱。激光工作頻率可以在4～22 Hz之間調節，每個循環工作周期為20 s。

圖1 泵浦及晶體夾持結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of pumping and clamping structure

實驗中激光晶體周圍均勻包裹銦箔并與熱沉良好接觸，通過調整激光諧振腔鏡及晶體經過精確光軸對準后使輸出能量在設定的工作頻率和二極管供電電流下達到最大值，用Spiricon LBA-PC光束分析儀在兩米反射鏡的焦點處觀察激光的光軸穩定性，測試方法按照相關標準執行［5］。發現激光器在限定的工作時間內，光束光軸發生了較大的漂移，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用要求。

圖2 激光光軸發生漂移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

在重復脈沖泵浦激光器中，激光晶體的光學畸變是由晶體對泵浦光的吸收，引發晶體內部不均勻的熱耗和冷卻造成的熱梯度累積效應引起的［6］。由于晶體邊界溫度的不均勻，引起激光介質的非軸對稱徑向散熱的波動，從而在介質內部產生處于不斷變化的熱透鏡，引發晶體的熱透鏡效應也呈現非軸對稱趨勢，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側面泵浦固體激光棒熱透鏡焦距 f的計算式為［7］：

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

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與溫度的關系，令，有：

其中，a=-2.59×10-6K-1，b=2.61×10-8K-2，c=6.02×10-11K-3。可見，當晶體截面不同位置處如果存在溫度差異時，相應的熱導率和折射率溫度系數也會發生變化，導致其所在位置熱透鏡焦距發生改變。

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面泵浦結構，激光晶體截面內熒光分布如圖3所示，可以看出晶體橫截面內熒光分布相對晶體軸線對稱，則晶體內部的產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構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，由于晶體熱沉結構為單方向傳導散熱，在晶體熱沉上會出現溫度梯度，導致影響晶體內部的溫度分布。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，當晶體軸線上下兩側的光線所處位置溫度不同時，會導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過熱透鏡后將與光軸相交于不同的點，且兩條光線的交點偏離光軸，形成光軸漂移，如圖4所示。文獻［9］也指出不對稱的散熱導致晶體與熱沉接觸面上下兩側不對稱的溫度分布，晶體出現熱透鏡的畸變，晶體的熱透鏡效應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，且偏移了光軸，從而導致了光軸漂移。

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構下晶體截面內的溫度分布，利用有限元分析軟件CFDesign對激光晶體的散熱結構進行了數值仿真模擬。計算模型中設置環境溫度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生改變時晶體內部的溫度分布情況，模擬結果如圖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熱率材料銦箔，下半部墊入低熱導率的四氟薄片，激光穩定工作時的溫度分布情況。銦箔導熱系數為81.6 W/（m·K）。以期減小激光晶體熱透鏡效應的畸變。

第二種為激光晶體與上下兩側的夾持熱沉的接觸面內全都填充銦箔進行導熱。

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

第四種填充導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熱材料，存在空氣間隙時激光穩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

由模擬結果可以看出，在激光工作狀態下，由于晶體整體冷卻結構為單側冷卻，晶體傳遞給上半部熱沉的熱量需要通過下半部熱沉導出，激光晶體接觸面處不同導熱材料由于熱導率不同，傳熱速度也有差別，傳熱速度較快一側晶體溫度較低。在第一種情況下，激光晶體夾持處，上下兩側的溫度接近相等。在第二、第三種情況下，上下兩側分別出現10℃、20℃的溫差。第四種情況下的溫差為-13℃，之所以出現負值，是因為由于晶體下半部分無導熱材料，此處溫度高于上半部分溫度。

在以上四種晶體的散熱結構下，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，分析晶體散熱結構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構下，在20 Hz工作頻率下的光軸漂移方向，如圖7所示。

仔細觀察可以看出：

1）經過溫度平衡的YAG晶體在三方向均勻泵浦的結構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、指示等實際應用需求。

圖6 三向泵浦結構下的光軸漂移量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構下，未經溫度平衡的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）由于四種傳熱結構在x方向上傳熱結構相對光軸近似對稱，此方向的光軸漂移量均較小。在y方向上，當晶體內部溫度梯度發生改變時，光軸漂移方向也發生改變。

4 泵浦幾何和傳熱結構引起的熱透鏡畸變對光軸漂移的影響分析

進一步實驗分析泵浦不均勻的情況對光軸的影響。在三向泵浦結構當中，晶體光軸方向截面內溫度相對光軸呈軸對稱分布［10］。在上述實驗裝置中，將二極管面陣列三方向泵浦的最上面一側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構下具有相同的熱功耗。雙向泵浦結構下的熒光分布如圖8所示。可以看出，雙向泵浦結構下的熒光分布相對三向泵浦而言泵浦均勻性變差，熒光最強的位置并不在晶體軸線上，而是向泵浦LD一側偏移（熒光分布圖中實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部泵浦光的空間分布，熒光較強的區域內晶體吸收泵浦光能量較多，相應的在晶體該區域內泵浦光能量更為集中［11］。當熒光分布較差且吸收能量最多的區域偏離激光晶體中心時，晶體內部同樣會出現不對稱的溫度分布，形成熱透鏡的畸變。

可見晶體內部溫度分布不均勻的原因應來自于兩個方面：晶體周圍散熱不均勻和泵浦光分布不均勻。這里實驗對比分析了熒光分布與傳熱結構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。

采用雙方向泵浦結構，再次得到不同晶體散熱結構下的光軸漂移量的數據，并與三向泵浦結構下的光軸漂移量進行了對比，如圖9所示。

圖9 兩種泵浦結構、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

由于雙向泵浦結構的傳熱模型更為復雜，此處未進行不同傳熱結構下的溫度分布模擬，只對實驗結果進行定性的解釋。二向泵浦的晶體發熱區域更靠近晶體下半側熱沉，可以認為在傳熱結構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值。對于第二、第三種傳熱結構，晶體傳熱截面內的溫差由于疊加了負的溫度梯度后，溫差減小，光軸漂移量減小；對于第一、第四種傳熱結構，二向泵浦引起的溫度分布與傳熱結構下的溫度分布情況重合度較高，晶體截面內溫差變化較小，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，傳熱截面內溫差改變，相應的光軸漂移量也隨之改變。

5 結 論

由于受到泵浦光不均勻分布和晶體散熱系統的共同影響，晶體內溫度分布不均勻，形成溫度梯度，引發晶體非均勻的熱透鏡效應，直接影響了激光輸出的指向穩定性。實驗中所發現的現象是采用這一種散熱結構激光器所共有的，通過對這類激光器的工作機理的研究可以得出以下結論：

（1）激光晶體的傳熱結構及泵浦結構引起的激光晶體內部的溫度分布對光軸漂移量的影響至關重要。

（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鍵因素，在激光器設計過程中需要盡可能保證激光晶體截面內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行了分析，對比了不同傳熱結構對輸出激光光軸漂移量的影響，定性分析了非均勻泵浦結構對光軸漂移量的影響。分析結果對脈沖固體激光器的設計有著一定的參考意義。按照以上分析結論已經進行了多臺套激光器調試，效果明顯，并成功應用于其光電平臺。