（光学工程专业论文）dpl中晶体微通道热沉的研究.pdf

摘要 摘要 本文讨论了有效控n - - 极管泵浦固体激光器晶体的工作温度的方法。目前， 从理论上探索了一种新型的散热体微通道热沉。文中研究了微通道散热理论 及热流耦合理论，并将其应用到激光器晶体上。针对二极管泵浦固体激光器散热 的要求，并且考虑到二极管泵浦固体激光器晶体的形状为圆柱形，设计了一种固 体激光器冷却器的微通道结构一串接扇形喷射式微通道固体激光器冷却结构。 该微通道的设计是在本实验室激光器结构条件下、依据激光晶体内部空间分 布、在泵浦源的泵浦光按高斯分布、泵浦功率为l o w 、采用n d ：y a g 晶体、晶体外 侧和本文设计的微通道热沉紧贴，并且假定在所有接触点晶体外侧温度和热沉内 侧温度相等、整体表面上非均匀等条件下来进行的。对于端面泵浦激光器中，泵 浦源通过侧面进行散热，为了提高光束质量，可取较小的半径，但同时造成了要 在小的面积要进行高热耗散热，于是，就要进行高散热密度问题的研究。在此结 构中，晶体表面积较小。那么也就意味着微通道热沉接触面很小。而在小接触面 上实现有效的微通道散热是一个技术难题。本节提出了一个合适的结构能有 效的实现小散热面积的微通道结构。 这种设计方案可以避免由于焊接使晶体因温度过高而导致崩裂的问题。同时， 微通道热沉又能够带走激光晶体的大部分热量。理论分析证明该器件既实现了有 效散热，又降低了工艺难度，提高了对激光晶体温度的控制效率。 关键字：热流耦合微通道热沉晶体温度热量 a b s t r a c t a bs t r a c t i n t h i sd i s s e r t a t i o n ，o n em e t h o dw h i c hc a nc o n t r o lt h es o l i d - s t a t el a s e rc r y s t a l t e m p e r a t u r ee f f e c t i v e l y i sd i s c u s s e d a n dan e wk i n do fc o o l i n gb o d yc a l l e d m i c r o c h a n n e lh e a ts i n ki sp r o p o s e dt h e o r e t i c a l l ya tp r e s e n tt i m e t h et h e o r yo f m i c r o c h a n n e lh e a td i s s i p a t i o na n dt h e r m a lc o u p l i n gt h e o r ya r es t u d i e da n da p p l i e di n t o t h el a s e rc r y s t a l ，i nt h i sd i s s e r t a t i o n c o n s i d e r i n gt ot h eh e a td i s s i p a t i o no ft h ed i o d e p u m p e ds o l i dl a s e rc r y s t a l ，a n di t sc y l i n d r i c a ls h a p e ，o n em i c r o - c h a n n e ls t r u c t u r eo ft h e s o l i ds t a t el a s e rc o o l e rn a m e dc o m b i n e df a n s h a p e dj e tm i c r o c h a n n e l ss o l i dl a s e r c o o l i n gs t r u c t u r ei sd e s i g n e d t h em i c r o - c h a n n e li sd e s i g n e di nt h e s ec o n d i t i o n s ，s u c ha st h ec r y s t a l sw i t h i nt h e s p a t i a ld i s t r i b u t i o n ，t h ep u m pl i g h t i nt h ep u m ps o u r c e a c c o r d i n gt o g a u s s i a n d i s t r i b u t i o n ，p u m pp o w e rlo w , c r y s t a lw i t hn d ：y a g , t h eo u t s i d eo ft h ec r y s t a lw a s c o n n e c t e dw i t ht h em i c r o - c h a n n e lh e a t s i n kd e s i g n e di n t h i sd i s s e r t a t i o n ，a l lo ft h e t e m p e r a t u r eo ft h ec o n t a c tp o i n t sw h i c ha r ed i s t r i b u t e do nt h eo u t s i d eo ft h ec r y s t a la n d t h ei n t e r i o ro ft h eh e a ts i n ka r ee q u a l s ，a n dt h ew h o l eo ft h ec r y s t a ls u r f a c ei s n o n u n i f o r m ，e t c f o rt h ee n d - p u m p e dl a s e r , u s e l e s sh e a t i n gi se l i m i n a t e dt h r o u g ht h e l a t e r a lp l a n eo ft h ec r y s t a l i no r d e rt oi m p r o v eb e a mq u a l i t y , r e l a t i v es m a l l e rr a d i u s w h i c h w o u l dc a u s eo n ep r o b l e mt h a th i g hh e a t i n gc o n s u m p t i o nh a st ob ee l i m i n a t e d w i t h i nas m a l la r e ai sa d o p t e d t h u sr e s e a r c ho nd e n s i t yo fh i g hh e a te l i m i n a t i o ns h o u l d b ep a i dm o r ea t t e n t i o n i nt e r m so ft h i sk i n do fs t r u c t u r e ，c r y s t a ls u p e r f i c i a la r e ai sa l i t t l eb i ts m a l l ，n a m e l yt h a tm i c r o - c h a n n e lh e a ts i n ki n t e r a c t i o na r e ai sl i k e w i s e i ti s q u i t ed i f f i c u l tt oa c c o m p l i s hm i c r o c h a n n e lh e a te l i m i n a t i o ni nas m a l li n t e r a c t i o na r e a i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，o n ea p p r o p r i a t es t r u c t u r ew h i c hc a ns o l v et h ed i f f i c u l t ym e n t i o n e d a b o v en a m e dm i c r o - c h a n n e ls t r u c t u r ei sp r o p o s e d o nb a s i so ft h i sk i n do fs t r u c t u r e ，t h e r ei sn op o s s i b i l i t yo fc r a c kd u et oh i g h t e m p e r a t u r ec r y s t a la f t e rw e l d i n g s y n c h r o n o u s l y , m o s to ft h eh e a tc o u l db et a k e no f fb y t h em i c r o - c h a n n e lh e a ts i n k t h e o r e t i c a la n a l y s i sh a sd e m o n s t r a t e dt h ee f f e c t i v e n e s so f h e a te l i m i n a t i o n ，s i m p l i f i c a t i o no fp r o c e s sa n de f f i c i e n c yf o rc o n t r o l l i n gt e m p e r a t u r eo f l a s e rc r y s t a l k e yw o r d s ：h e a tc o u p l i n g h e a ts i n ko fm i c r o - c h a n n e l t e m p e r a t u r eo f c r y s t a l h e a t 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特蔓3 , 3 d n 以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：，莲圣後 日期趔旦：曼：2 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业 离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学 校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在 解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。 本人签名：壶莶整 导师签名： 彗骷 日期丝21 1 曼仝 日期丝【型：弓。“ 第一章绪论 第一章绪论 1 1 激光二级管泵浦固体激光器的简介 1 1 1 激光二极管泵浦固体激光器的发展历程 1 9 6 0 年r n e w m a n 首次提出了激光二级管泵浦固体激光器( d i o d ep u m p e d s o l i ds t a t el a s e r ) 即全固态激光器的思想。1 9 6 4 年，美国m i t 林肯实验室的k e y e s 和q u i s t 成功的实现了这一想法，研制了第一台二级管泵浦的固体激光器，其采用 的激光工作物质为g a f 2 ：o + 3 。1 9 7 2 年，由d a n i e l m e y e r 和q s t e r m a y e r 最终实现了 在室温条件下运转的二级管泵浦的n d ：y a g 激光器。8 0 年代，由于d p l 的性能与 输出激光功率较低，无法与灯泵浦及其他方式泵浦的激光器相比。除低功率在通 讯、信息存储等方面的应用以外，基本没有大的发展。9 0 年代以来，随着l d 的飞 速发展，对d p l 的研究更上了一层新的台阶，使其性能在某些方面更优于传统灯 泵浦的固体激光器，从而得到快速的发展和应用。 目前成功研制出平均功率超过万瓦的研究机构已有多家。采用的技术方案主 要有高功率l d 列阵侧泵激光棒，多棒串接方式、l d 列阵侧泵板条方式、l d 列阵 端泵盘片方式和高功率光纤激光器四种1 1 , 2 j 。侧面泵浦激光棒是传统的固体激光器 构型，通过多个激光头串接可获得高功率激光连续输出。这种方法结构简单、性 能稳定、易维护、成本低、效率高。侧面泵浦板条构型克服了晶体棒的缺点及局 限性。其厚度可与泵浦吸收长度相匹配，并通过“之”字形光路有效补偿厚度方 向的热畸变。宽度方向尺寸根据激光输出功率要求设计，并采用边缘绝热技术控 制该方向的热流，减小温度梯度，从而可以实现高光束质量激光输出。盘片激光 器是指激光介质具有大的口径厚度比( 1 0 5 0 ：1 ) ，采用面泵浦、面冷却的激光 器。在均匀泵浦和冷却的情况下，能够有效地控制激光介质径向温度梯度，介质 的热流近似为垂直于薄片表面的一维情况，从而减小了热透镜效应，确保了激光 高光束质量输出。同时由于具有较大的通光孔径，减小了其他结构形式固体激光 通常所具有的衍射效应和光束截断损失。同时保持了良好的光束质量。因此，盘 片激光器十分适合高亮、高平均功率激光的发展需要。光纤激光器作为一种新型 的全固态激光器，近年来发展迅速。1 9 8 9 年，美国宝丽来公司( p o l a r o i d c o ) 和 英国南安普敦大学( s o u t h a m p t o nu n i ) 共同完成了双包层结构的光纤设计与研制， 使高功率光纤激光器技术取得了重大突破，开辟了光纤激光器的发展之路。 l d 泵浦固体激光器的方式主要有端面泵浦和侧面泵浦两种。端面泵浦容易 实现泵浦光和激光模式的匹配，因而效率高，光束质量好，是小功率器件的常用 泵浦方式：在要求较大输出功率的激光器中，为了将更多的泵浦光耦合进晶体中， 2 d p l 中品体微通道热沉的研究 获得较高的增益，往往采用侧面泵浦方式。与传统的闪光灯泵浦固体激光器相比， d p l 具有效率高、频率稳定、谱线窄、寿命长、热效应小、器件结构紧凑、输出功 率高、光束质量好、使用方便等优点1 3 j 。同时，l d 泵浦固体激光器还带动了一系 列新型器件的研究和发展，如热容固体激光器、光纤激光器、薄板条激光器、阵 列激光器等。d p l 的这些优点使其在科学研究、材料加工、医疗卫生、军事国防 等方面发挥了巨大的作用【4 1 。 1 1 2 国内外d p l 激光器的研究水平 当前，高功率d p l 激光器的研究方向主要在以下几个方面：( 1 ) 用耦合光学系 统提高激光二极管的亮度。( 2 ) m o p a 多程放大技术应用于激光系统。( 3 ) s b s 相 位共扼技术改善光束质量。( 4 ) 开发了多种布局构型的多程放大器，其结构更加紧 凑合理，效率更高。 在国外，由于d p l 在军事和工业上的巨大应用潜力，高功率d p l 激光器的研 制得到发达国家政府的大力支持。d p l 激光器的输出平均功率己达到数千瓦水平， 并逐渐向结构紧凑、小型化方向发展。如美国t r w 公司研制的千瓦级n d ：y a gd p l 激光裂5 。、l l n l 公司正在研制的二极管泵浦y b ：y a g 激光器。日本大阪大学研制的 高功率d p l 系统【6 j 和原子能研究所1 7 j 研制的d p l 系统，前者用于i c f 电厂驱动器 的概念设计，后者可用作m o p a 泵浦源。表1 1 列出了当前国外高功率d p l 激光器 已达到的技术水平。 连续工作的高功率d p l 激光器的发展已取得重大进展。日本r & d 光子工程研 究所自1 9 9 7 年便致力于研制高功率d p l 激光处理系统。其目标是研制输出功率高 于1 0 k w ，效率大于2 0 ，激光头尺寸小于0 0 5 m 3 的d p l 激光器。最近，已成功研 制了棒状和板条结构激光振荡器，得到输出功率3 3 k w 的激光输出。 表1 1 国外高功率d p l 激光器已达到的技术水平【8 】 筚岔 美国美国日本法国 参八 t r wl l n la e i ut h o m s o n 平均功率l k w2 5 k w2 k w 1 2 5 k w 光束质量 1 2 52 5 t e m 。 t e m 一 m 二 重复频率 l o o h z2 5 l m z2 0 0 h zl h z 1 0 l 沮z 激光武器照机载激光武报警靶目标 用途大气探测 明器 器 照明 在国内，因受高功率l d 的限制，研制的d p l 与国外的差距较大。如西南技 第一章绪论 术物理研究所的巩马理等人，用l d 泵浦巾4 m m 的n d ：y a g 晶体棒，在5 0 h z 重复 频率条件下，获得3 9 5 m j 的多模激光输出，效率达3 9 5 。中物院流体物理研究 所1 9 9 6 年已经研制了一台激光二极管侧泵浦单横模1 0 0 h z 重复频率电光调q n d ：y a g 激光器，获得了单脉冲能量2 3 7 m j 、脉宽小于7 n s 、光束质量因子m 2 = 1 1 的激光输出。1 9 9 8 年，研制了一台面阵激光二极管侧泵浦的双板条d p l 激光器。 面阵l d 经梯形波导板耦合系统( 耦合效率高达9 0 ) 进入n d ：y a g 板条。激光器谐 振腔为凸凹腔，输出镜采用曲率半径为3 m 的可变反射率超高斯凸面镜，在1 0 0 h z 重复频率下，获得单脉冲能盘1 8 2 3 m j 、脉宽1 5 2 5 n s 、光束质且m 2 1 5 的具有平 顶分布的超高斯光束。1 9 9 8 年还开展了1 k h z 高重复频率下的q 开关激光器研制， 得到了脉宽小于1 0 n s 、单脉冲能量为0 7 1 2 m j 的激光输出。目前，正在开展主振 荡器一功率放大器( m o p a ) 结构d p l 激光系统的研刭9 1 。 1 2 激光二级管泵浦固体激光器的热效应问题及散热情况 d p l 的热效应分为l d 热效应、激光介质晶体热效应以及光学元件的热效应。 d p l 输入晶体的泵浦能量仅有部分转化为激光输出，其余大部分转化为热损耗。 从理论上讲，产热原因有：( 1 ) 泵浦能带的非辐射跃迁；( 2 ) 工作物质的内部损 耗；( 3 ) 非匹配波长的能量吸收。在所有的固体激光系统中，激光晶体一方面吸 收泵浦辐射发热，另一方面激光晶体受到外界的冷却，使激光介质内部形成非均 匀的温度分布，进而在介质内形成热应变和热应力分布。热应力导致介质的折射 率发生变化，从而引起热致双折射效应。随着l d 抽运功率的提高，激光介质热效 应问题成为限制d p l 向高功率高质量光束发展的一个重要的制约因素。尤其在高 功率d p l 中，晶体的热效应是激光系统设计时首先要考虑的因素。 在二级管泵浦固体激光器中，激光器的散热好坏对激光光束质量、激光效率、 工作可靠性等方面有很大的影响。可以说散热技术已经是制约二级管泵浦固体激 光器在工程中大量使用的瓶颈之一。随着二级管泵浦功率的增加，晶体热效应越 来越显著。如何抑制晶体的热效应以保证激光器的正常工作、提高激光器性能已 成为研制大功率激光二级管泵浦固体激光器面临的主要问题。归纳起来，可进行 如下三方面的探索：( 1 ) 尽可能减少进入工作介质的无用热，应该说这是最根本 的办法；( 2 ) 如果不能完全阻止在工作介质中造成无用热，那么如何用最有效、 不良影响最小的方法导出无用热；( 3 ) 最后，上述措施都未能避免的有害热影响 将造成激光光束质量、输出功率下降，甚至工作介质破坏，如何减少、补偿这些 不良影响就是需要解决的问题o j 。 4 d p l 中晶体微通道热沉的研究 1 3 微通道散热器研究意义及现状 1 3 1 微通道散热器研究意义 近年来，电子科技发展迅猛。多功能、大功率、小型化成为电子设备的发展 方向。电子设备的组装密度越来越高，高密度组装技术被广泛应用在袖珍全球定 位系统接收机、掌上型电脑、功率器件( ! t r l i g b t ) 、航天飞行器、军用机载计算机 等各类电子设备中。 高密度组装技术的广泛应用使得电子设备散热问题越来越突出，由高密度组 装产生的高热流密度成为影响电子设备可靠性的主要原因之一。例如，计算机芯 片需要集成数以百万计的元器件，芯片表面的热流密度高达5 1 0 3 w m 2 ，而元器 件的失效率随器件的温升呈指数规律上升。器件在( 7 0 - - 8 0 ) 温度水平上温度 每增加1 ，其可靠性将下降5 【l 。因此高密度组装环境下电子设备的散热问题成 为电子机械领域的研究热点。 电子设备发展日新月异，以手机为例，在过去的1 0 年内手机功率密度提高了 近l o 倍。电子设备的这种发展趋势对热设计提出了极高要求，并且这种需求在不 断增长。传统散热方式己经越来越不能适应这种需求，在很多情况下传统热设计 技术实际上己经无能为力，导致电子设备可靠性下降。为此，需要一些新型的散 热结构或材料来解决高热流密度电子设备中的散热问题。 微通道散热器的特点是：( 1 ) 结构简单。微通道散热器主要采用矩形、三角形、 圆形肋片结构，通道结构简单，采用线切割或化学腐蚀加工，加工方便；( 2 ) 体积 小。微通道微散热器的体积小，可以直接作用于毫米甚至微米级的热源位置；( 3 ) 具有很高的换热效率微通道散热器由于通道的尺寸效应，热阻很低，同时又可以 直接作用于热源位置，团此换热效率很高。如果采用微通道液体强迫对流形式， 则可达到更好的散热效果；( 4 ) 流体状态主要呈层流，对动力系统的要求低，一般 仅为几十毫米水头的水柱压降；( 5 ) 能够在恶劣的工作环境下工作。 与传统散热技术相比，微通道散热技术具有极大优势，可以广泛应用于各种 高密度组装的电子设备冷却，因此成为目前国内外学者的研究热点。 1 3 2 微通道散热器研究现状 微通道散热器的研究主要集中在微通道结构的设计，研究内容包括：通道形 状、通道与肋片的宽高比、通道层数、影响微通道流体压降的因素、微通道散热 器的换热能力等。 微通道液体冷却报道最早见诸于八十年代初美国学者t u c k e r m a n 和p e a s e 的文 献【1 2 , 1 3 】。他们研制了一种硅基材料水冷肋片式微通道热沉，通道宽和通道壁厚均为 第一章绪论 5 0 y m ，通道高宽比约为1 0 。实验结果表明当冷却水流量为l o c m 3 s ，温升为7 1 时， 冷却热流高达7 9 0w c m 2 。该冷却能力大大超过目前已有的常规冷却手段所能达到 的水平。微通道热沉的出现适应了大功率高热流密度的冷却要求。美国l l n l 、t r w 及s d l 等公司先后研制了基于湍流原理的冲击式微通道热沉和基于层流原理的硅 微通道热沉【1 4 , 1 5 。美国l l n l 实验室研制的整体式硅微通道热沉的通道宽度为 2 8i t m ，有文献报道使用该热沉冷却的二极管激光器最高输出功率可达1 4 6 k w 晒l 。 近年来，铜微通道热沉也开始得到应用 1 4 , 1 7 】。由于铜的导热性远优于硅，用铜微通 道热沉替代硅微通道热沉可有效提高散热冷却效果，还可以克服硅微通道热沉研 制工艺复杂，成本高、运行维护困难的缺点，对于降低二极管激光器成本及实用化 有重要作用。铜微通道热沉封装的高平均功率二极管激光器是当今发展的一个趋 势。 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所刘云【l8 j 等人利用深层光刻分离曝 光技术制备了无氧铜微通道层，微通道深度为3 0 0 y m ，宽度为4 0 0 l u m ，叶片宽度约 为3 0 0 t m ，封装后热沉的整体尺寸为长1 5 m m 、宽1 2 m m 、厚2 2 m m 。 尽管国内外学者对微通道液体冷却的实验研究较多，但是通道尺寸多样，小到 几十微米，大到几百微米，实验结果重复性及可比性差。微通道冷却中的热边界条 件，冷却液种类、流速、温度等参数对冷却效果的影响很大，如何优化系统运行参 数、减小通道阻力以有效降低激光器热应力、提高其性能和稳定性是急需解决的 问题。 目前对微通道热沉传热理论的相关研究均是基于“大 通道的结论可适用于 微尺寸通道的假定1 1 3 1 。事实上，微通道内液体流动传热涉及的因素复杂，当通道尺 寸小到一定程度时，受尺度效应影响，微通道内的流动与传热规律可能违背经典结 果【】9 】。迫切需要探索和发展微尺度下流动与传热过程的新概念、新理论、新的实 验技术与研究方法。 1 4 本文研究的重点 自从固体激光器问世以来，如何控制固体激光器工作物质的工作温度一直是 一个重要的问题。为此，一些制冷方法相继产生：固体传导冷却、液体吸收冷却 和风冷却。而目前使用最广泛的便是水冷和风冷。这里从理论上探索了一种新型 的导热体一微通道制冷板。它有以下优点：因流经微通道制冷器吸热面积的成倍 扩大，增强了流体吸热能力，可以用在大功率或超大功率激光器上而对工作物质 无任何污染；由于微通道板是紧贴在工作物质上工作的，可根据工作物质的不同 而相应的改变微通道制冷板的形状，以满足不同的需要。 热效应是由热耗和散热所共同引起的。通常可以通过改变晶体形状来解决， 6 d p l 中晶体微通道热沉的研究 晶体的形状有板条、圆柱状，管状，盘片状，光纤等；也可以通过边缘散热来解 决。但是靠近晶体处温度降不下来，因此一般很难降低热沉温差，使接触晶体的 热沉表面温度降到最低，从而获得最佳的散热效果。本文重点研究一种已达到最 佳散热效果的微通道热沉。 本文中，首先根据微通道热沉中所涉及的热力学和传热学基础理论，分析激 光晶体的散热问题，然后在此基础上模拟了微通道热沉用于晶体散热的情况，最 后设计出微通道热沉的模型，获得散热结果。根据二极管激光器模块式微通道冷 却器研制的情况，考虑到固体激光器晶体的形状为圆柱形，我们可以设计出固体 激光器冷却结构的微通道结构串接扇形喷射式微通道固体激光器冷却结构。 第二章二极管泵浦嗣体激光器的散热研究 7 第二章二级管泵浦固体激光器的散热研究 热效应是由热耗和散热所共同引起的。通常可以通过改变晶体形状来解决， 晶体的形状有板条、圆柱状，管状，盘片状，光纤等；也可以通过边缘散热来解 决。 高平均功率d p l 的一个很重要的问题是激光介质的光泵浦热效应。激光介质 吸收泵浦辐射而产生的热，以及由冷却过程造成的热流结合起来构成了激光介质 的多种热效应。随着泵浦功率的增加，热效应也相应的加剧，使d p l 的阈值增大、 效率降低、并导致折射率分布不均，从而产生光学畸变，光学质量会严重下降。 如何抑制晶体热效应以保证激光器的正常工作、提高性能成为研制大功率d p l 面 临的主要问题。所以，对高功率d p l 散热问题的研究是一项非常重要和有意义的 工作【2 0 】。 2 1 工作物质产生热的原因 在激光器的工作过程中，输入的能量仅有部分转变为实际的光能输出，其余 大部分能量都转变成了热能。 d p l 的工作物质产生热的原因主要有几下几个方面：( 1 ) 泵浦带和激光上能 级并不完全匹配，它们之间的光子能差会造成所谓的量子亏损发热；同理，下激 光能级与基能态之间的能差也会转化成热能；( 2 ) 激光跃迁内的荧光过程量子效 率小于l ，会由于猝灭机制而产生热能；( 3 ) l d 的温度变化影响了泵浦光的谱线 中心。 2 2 热效应的影响因素 影响激光热效应的因素有很多，主要因素有三个：泵浦光源、工作物质几何形 状、泵浦( 工作) 方式以及冷却方式。 2 2 1 泵浦光源的影响 目前比较常用的泵浦源是闪光灯、连续泵浦灯和激光二级管。本文只对激光 二级管作为泵浦源的优点做几点说明：( 1 ) 光一光转换效率高。有的可以达到5 0 以上，比灯泵浦高出了一个数量级；( 2 ) 激光系统的体积小。激光二极管体积 小、重量轻、结构紧凑；( 3 ) 产热量小、光束质量好。采用激光二极管泵浦消除 了位于激活粒子吸收带之外的泵浦光对基质的加热，减小了激光介质热效应；而 8 d p l 中晶体微通道热沉的研究 且泵浦光的能量稳定性好，改善了光束质量；( 4 ) 性能好、寿命长。激光二极管 性能可靠，寿命大大长于泵浦灯，达1 5 0 0 0 小时。二极管泵浦固体激光器为全固 化器件，是迄今为止唯一无需维护的激光器，尤其适合大规模生产线。 l d 端面泵浦n d ：y a g 激光器结构如图2 1 所示 一目印 光纤传输系统 晶体冷却系统输出镜阴。降门硎尔钒硼口田幌 图2 1l d 端面泵浦n d ：y a g 激光器结构示意图 2 2 2 工作物质几何形状的影响 根据以上分析，泵浦过程中产生的热被激光介质l 吸收，造成了激光材料温度的 上升。但是激光材料中的温度分布，与工作物质本身的几何形状也有关系。下面 以连续工作方式为例，来分析采用恒温水冷却方式、处于连续工作状态时，棒状 和板条激光器中的温度分布： ( 一) 棒状固体激光器的温度分布 对棒状固体激光器，用棒半径r 归一化的一维稳态热传导方程为： d 2 t 丁( r ) + 一1 d t ( r ) + r 2 _ _ q o ：0 (21)d r 2rd rk 辐射边界条件： 了o t ( r ) i ，- 。= 一警( m u ) i ，：。 ( 2 2 ) 式中，q = r l n y p p f ( ，) 为单位时间注入单位体积介质内的热量；为热产生效 率；乞是泵浦功率；v 是介质体积；厂) 是与泵浦光径向分布有关的配分函数， 均匀泵浦时厂( r ) = l ；k 是热导率；扎是表面热传导系数；瓦是冷却剂温度。 假设泵浦均匀，则厂o ) = l ，( 2 1 ) 式的解为 m m r 4 2 k q ( 1 - r 2 + 砻 ( 2 3 ) r ( ，) 也可以用表面温度丁( 1 ) 或者中心温度r ( o ) 表示为 第二章二极管泵浦同体激光器的散热研究 9 m m ( 1 ) + 等”一川旷等，2 ( 2 4 ) 由以上两式可见，当r ( c ) 不变时，棒内温度丁p ) 沿着径向呈抛物线分布，中心 处7 ( o ) 最高，棒表面7 1 ( 1 ) 处最低，在r = c o n s t 处，温度相同，等温面为同轴柱面。 ( 二) 板条固体激光器的温度分布 设板条状固体激光介质的宽、厚、长分别为a ，b ，1 。对于尺寸为a * b * l 的激光 介质，设直角坐标系选取使x ，y ，z 分别沿宽、厚、长的方向，在一维无限长和x 方向绝热边界条件下，用b 2 归一化的一维稳态热传导方程为： d 2 t ( - y ) + b 2 _ _ q q ：o( 2 5 ) d y 4 k 边界条件： 、o r 加( y ) 一驯岸。= 千等陬y ) 一t a i 庳。 ( 2 6 ) 则涪厚度y 方向的稳态温度分布为： 聃瓦= 篑+ q 苓b 庀* ( 1 _ y 2 ) ( 2 7 ) 上式表明，在一维模型下，板条介质的稳态温度分布仅与y 有关，且沿厚度方 向丁) 呈抛物线对称分布，在中心y = o 处温度最高， 黔乃+ 笔+ 譬 汜8 ， 在表面y = 1 处温度最低，为 母爱 汜9 ， 如果泵浦光分布均匀，假设圆柱状激光棒为无限长，棒表面冷却均匀，则激光 棒中的热流限于径向。不计端面效应和冷却液周围温度的微小变化，圆柱棒的温 度分布成径向，是抛物线型的，棒中心温度最高。这时，随着泵浦功率的增加， 各种热效应随之急剧增加。而对于板条固体激光器，在一维模型假设下，稳态温 度分布仅与厚度方向有关，沿厚度方向呈抛物线对称分布。在板的端面部分和边 缘区域，由于折射率椭球在应力作用下，主轴发生偏离，由此产生双折射效应。 1 0 d p l 中晶体微通道热沉的研究 因而，将对偏振光产生退偏现象。 2 2 3 工作方式的影响 激光材料中特定的温度分布，很大程度上取决于泵浦方式，由于激光脉冲在 每个泵浦脉冲结束时发射；对于连续泵浦激光器，激光束为连续输出。因此在不 同的泵浦方式对应不同的工作方式。连续工作或高重复频率脉冲泵浦下，工作物 质不断发热和不断冷却，形成稳定的温度场分布；而脉冲泵浦系统中，热效应只 出现在泵浦脉冲期间或其后一瞬间。 在单脉冲泵浦下，激光棒内的温度分布是一个随时间变化的瞬态过程。在泵 浦加热阶段，假设棒对泵浦光均匀吸收，而激光棒温度上升速率远大于冷却散热 温度，因此棒内温度均匀快速升高，在光泵浦结束的瞬间达到最大值，这个过程 一般为毫秒或微秒量级。 2 3d p l 介质的热效应 高热负荷固体激光介质作为大功率d p l 的关键部件，在受到高功率抽运光作 用时，内部将产生不均匀内热源，会导致严重的热效应，其直接结果是激光功率 下降、光束质量降低、甚至使激光晶体炸裂。 一般来讲，激光介质的热效应包括：( 1 ) 激光介质内的温度梯度产生的热应 力；( 2 ) 由热应力引起的热应力双折射；( 3 ) 热透镜效应【2 l 】。d p l 的晶体热效应 中以热透镜效应对激光器的影响最显著，这里着重分析了端面泵浦棒状晶体的热 透镜效应。 2 3 1 晶体内的温度分布 晶体内温度的三维分布产生晶体热效应，因此研究热效应应从确定晶体内温 度分布入手。下面首先分析在小功率高斯光束端面泵浦时n d ：y a g 晶体棒内温度 的三维分布。 为便于计算，在此先确定一些条件： 1 、激光晶体为柱形、轴对称、各向同性。 2 、晶体采用侧向热沉，其温度保持恒定，由此可认为晶体侧面温度保持不变。 3 、由于晶体热沉的导热系数远远大于晶体，使得晶体轴向热流远小于径向热流， 故可认为在晶体中只存在径向热流。 4 、认为泵浦光束强度分布为高斯分布。 5 、晶体的热导率、热膨胀系数和吸收系数等一类材料参数与温度有关，小功率泵 浦时晶体内温度变化较小，故认为晶体参数保持不变。 第二章二极管泵浦同体激光器的散热研究 il 6 、由于晶体端面与空气对流散热及辐射散热都很小，忽略端面散热。 7 、忽略晶体端面变形对泵浦光的影响。 由热传导理论可知，在稳态条件下满足下式 v h ( r ，z ) = q ( r ，z ) ( 2 1 0 ) 其中h 为热流；q ( r ，z ) = d p ( r ，z ) a v 是晶体内每单位体积热源功率。 在晶体内热流与相应温度分布的关系为： h ( r ，z ) = 一k 。v t ( r ，z ) ( 2 1 1 ) 其中砖为晶体的热传导率。 由( 2 1 0 ) 和己知条件可知，在由半径为r 和无限小厚度az 构成的圆柱形晶体 区域中，流出圆柱侧面的热流总功率应等于此区域内热源总功率，即： 2 万，a z h = 广【学2 删出 ( 2 1 2 ) 晶体内热源由晶体对泵浦光的吸收而产生，故有： q ( r , z ) = 1 d p ( 厂r , z ) = 卢厶( ，z ) ( 2 1 3 ) 式中卢为晶体材料对泵浦光的吸收系数与热耗转换系数的乘积；厶( ，z ) 为晶体内 ( ，z ) 处泵浦光强度，其表达式为 厶( 厂，z ) = l o be x p ( - 2 r 2 卢；) e x p ( 一o c z ) ( 2 1 4 ) 其中o h 为轴向入射的泵浦光强度：w 口为泵浦光束中按l p 2 定义的光束宽度。 又l 与入射泵浦光功率的关系为 乙= 2 最( p 2 ) ( 2 1 5 ) 将( 2 1 4 ) 式、( 2 1 5 ) 式代入( 2 1 3 ) 式，得热源函数表达式： q ( r ，z ) = 2 a r i p ，e x p ( - 2 r 2 卢；) e x p ( 川z ) 腼； ( 2 1 6 ) 式中，a 为激光晶体对泵浦功率的吸收系数，7 是由荧光量子效率和内跃迁损耗决 定的热转换系数；圪表示入射功率。 把上式热源函数代入( 2 1 2 ) 和( 2 1 3 ) ，并积分得 蚶力= 尝) e x p ( - 口z ) ( 1 - e x p ( - 2 r 2 v a z p ) ， ( 2 1 7 ) 1 2 d p l 中晶体微通道热沉的研究 此处令圪玑= 厶，为入射泵浦光功率的致热部分。 将( 2 1 7 ) 式代入( 2 11 ) 式，得稳态情况下温差的积分表达式： 州即，= 可a p , , e x p ( - a z ) rc 学沙。 汜 其中温差以介质边缘为参考点 a t ( r ，z ) = t ( r ，z ) 一t ( r b ，z ) 对晶体边界积分，得温差表达式为： ( 2 1 9 ) 川邵，= 警n 旁巨c 争置c 虿2 1 2 ， 汜2 。， 其中巨愕 为一指数积分函数，大多数情况下可忽略。 为便于后文的分析计算，把式( 2 1 8 ) 的指数用幂级数展开得 p - 2 ，似= 卜专专一筹+ 一 巧；珂；3 珂； 我们取前两项代入温差公式( 2 1 8 ) 得到 a t b ( r ，z ) = c r r = 2 7 r 疋 巧； ( 2 2 1 ) 上面温差是采用介质边界温度为参考，若用介质中心为参考，得到温差为 a t 。( r ，z ) = 巧一乙= 2 7 r k 巧； ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 从上述公式可以得到，端泵d p l 介质的温差跟致热功率成正比，跟泵浦光束腰半 径的平方成反比，还跟介质材料有关。 2 3 2 温度梯度产生的热透镜效应 在d p l 泵浦功率不大时，晶体热应力与热致形变效应不很明显，由a n d r 引 起的折射率随温度变化是引起热透镜效应的主要因素，因此下面的推导中就可以 d n d t 来计算幽，z ) 的大小。 第二章二极管泵浦同体激光器的散热研究 1 3 = 祭飞厂 图2 2 透镜的相位变化不意图 如图2 2 ，几何透镜的相位变化推导如下：设f 为等效热透镜焦距，光束通过 透镜后，聚焦于焦点f ，即光束各点在焦点f 处有相同的相位。令在薄透镜位置r 半径处的光程相对于透镜中心处的光程相差为，其大小为 = 厨小( 厂弓 - ，= 寺 2 4 ， 其中，公式中对开方项进行关于r 幂级数展开，并取级数前两项。由此，与透镜 焦距相关的相位变化为： ，= 妒( ，) 一妒( o ) = k r 2 2 f ( 2 2 5 ) 其中，k 为震荡光的波数，即k = 2 万允。 r 处总相位移( 厂) 是震荡光单程通过晶体的积累： 咖( ，) = f k a n ( r , z ) d z ( 2 2 6 ) 其中l 为晶体棒长；血，z ) 为距晶体轴心r 处热致折射率变化，定义为： 以( ，z ) = n ( r ，z ) - n ( o ，z ) ( 2 2 7 ) 折射率变化与温差的关系为： 嘶一书( r 矿邢 z ) 】等= 矧r ，z ) 嘉 ( 2 2 8 ) d d r 表示介质折射率随温度的变化率，若该值为正值，则该材料产生的热透镜为 正透镜，反之为负透镜。 把( 2 2 7 ) 式乙( r ，z ) 的表达式代入( 2 2 8 ) 和( 2 2 6 ) ，并对z 积分，与热 透镜相关的相位变化可表示为： 1 4 d p l 中晶体微通道热沉的研究 咖= 等【l e x p ( 一口，) 】厂2 ( 2 2 9 ) 晶体侧面热沉致冷，假设晶体边界的温度一样，这样晶体边界的折射率相同， 即： ，? ( 吃，0 ) = 疗( ，z i ) = 刀( ，z z ) = ，? ( ，z j ) ( 2 3 0 ) 但不同轴向位置的介质中心折射率是不一样的，所以 a n ( r ，z ) = n ( r ，z ) - n ( o ，z ) ( 2 3 1 ) 式中参考点n ( 0 ，z ) 的折射率随轴向位置而变，但这不影响热透镜的计算，热 透镜与径向的折射率差有关，与轴向的折射率差无关。例如，轴向位置z 。处的所 有半径处的折射率都为n 。，轴向位置z ：处的所有半径处的折射率都为n 。，此时折 射率径向均匀分布，光束沿轴向通过时无透镜效应。所以下文的折射率差和温差 都采用介质中心为参考点，如公式( 2 3 1 ) 所示。 联合式( 2 2 9 ) 和( 2 2 5 ) ，得温度梯度产生的热透镜表达式 彳= p p 而万州t ) ，( 式中致热功率厶可以表示为： ( 2 3 2 ) 厶= 圪( 1 一叩) = e o t o ( 1 - 1 7 ) ( 2 3 3 ) 其中，咒为l d 的总泵浦功率；圪为输入晶体的泵浦功率；r o 为耦合系统的透过 率，町为激光器的总斜率效率。 从( 2 3 2 ) 式可看出热透镜焦距与晶体半径无关；与晶体长度有关，晶体越 短，热透镜焦距越大。 2 3 3 热应力双折射产生的热透镜效应 工作物质中温度的不均匀分布会产生热应力，进而通过光弹效应使折射率发 生变化，使原来各向同性材料变为各向异性，导致双折射，或者使各向异性材料 原有的双折射特性发生变化，这就是应力双折射。 我们分析端面泵浦d p l 温差公式( 2 2 2 ) 得到 t ( r ，z ) - r ( o ，z ) = ( 丁( ，z ) 一r ( ，z ) ) + ( r ( ，z ) 一t ( o ，z ) ) 础( ，矿州啦) = 警若 3 4 即2 第二章二极管泵浦固体激光器的散热研究 1 5 附力叫 ，+ 气掣警 汜3 5 ) 这与灯泵均匀泵浦介质情况下的温差分布公式 丁加弛力+ 景埘) 的形式一样，得 ，、2 ah e x p ( 一a z ) p = 一一， 儿p 所以灯泵浦热应变光弹引起的折射率变化 觚唬= 嘶) ， 妒= 一互17 1 。3 警c 2 在端面泵浦d p l 中，得 撕卜撕) ， 矿1 11 。3 * 半r