LD侧泵固体激光器热效应分析.doc

LD侧泵固体激光器热透镜效应分析【摘要】：LD侧泵固体激光器的热透镜效应不容忽视，文中对LD侧泵固体激光器的热透镜效应进行了分析。同时，介绍了热透镜焦距传统的测量方法以及“非稳腔”法。本文在实验平台上利用“非稳腔”法测定了在某一驱动电流I下LD侧泵固体激光器热透镜焦距f，绘制了f-I、f-P曲线。最后，提出一些方案，尽可能的减小热透镜效应。【关键词】：LD侧泵、固体激光器、热透镜效应 1. 引言近年来,大功率、高效能二极管泵浦固体激光器一直是激光领域的前沿课题,由于二极管泵浦固体激光器效率高、寿命长、体积小、可靠性好,因此应用前景非常广阔。尽管因为二极管泵浦光与Nd:YAG晶体吸收光谱匹配良好,使二极管泵浦固体激光器中工作物质的热效应大为降低,但由于量子损耗的存在,造成它与灯泵浦固体激光器一样,不可避免的存在着热效应问题,尤其在大功率二极管泵浦固体激光器中热效应显得更为显著1。本文主要对二极管泵浦下，Nd:YAG晶体的热效应进行实验和分析。2. LD泵浦条件下的热透镜效应2.1热透镜介绍热透镜是由于激光器中的传输介质吸收了激光束，从而温度升高使得介质折射系数发生变化而形成的1。所生成的透镜（通常是发散式的）使得沿激光束轴线方向的照度发生变化。2.2 LD泵浦条件下的热透镜效应产生的原因和特点二极管泵浦固体激光器中工作物质产生的热量主要是由于工作物质吸收泵浦光再转化为激光的输出过程中,粒子非辐射跃迁过程所产生的热量,这种过程产生的热称为量子损耗。显然每产生一个光子,其相应产生的热为： Q=hv1-hv22 （2.1）其中h为普朗克常数,hv1、hv2分别为泵浦光频率、激光频率。当然，LD泵浦条件下工作物质的热效应相对于灯泵浦要轻微一些。因为在灯泵浦固体激光器中由于闪光灯发射的光谱较宽,工作物质除上述原因产生的热量以外,还会由于红外及紫外辐射吸收产生大量的热。但是,由于二极管发射的泵浦光方向性很强,空间分布比较集中,使工作物质中泵浦功率分布不均匀,有些区域功率密度很高,相应的产生的热功率也很大。所以二极管泵浦条件下工作物质的热效应情况就比较复杂3。二极管侧面泵浦条件下工作物质为Nd:YAG（YAG棒直径为3mm,长为67mm），聚光腔结构为图2.1所示。采用了单条的激光二极管阵列，每3个的激光二极管阵列串联排列在同一个金属模块上，共组成三个模块，这三个模块均匀分布在的周围，呈三边对称形。每一个金属模块共用一个液体冷却通道,冷却液沿激光二极管阵列的串联方向流通。图2.1 二极管抽运腔侧视示意图3. 热透镜焦距测量实验3.1 传统He-Ne光探测法2在测量热透镜焦距的实验方法中，最常用的就是He-Ne光探测法。其实验装置图如下图3.1所示。图3.1二极管侧面泵浦固体激光器热焦距的测量示意图He-Ne激光器先经过扩束,然后通过二极管侧面泵浦的Nd:YAG晶体，出射的光用一面接收屏来接收光斑。通过移动接收屏的前后位置来寻找焦点的位置。为了提高精度，我们采取多次测量取平均值的方法。3.2 “非稳腔”法测试原理和实验对于平平热透镜腔，由稳定性条件可知，腔型条件满足时，激光腔处于稳定区6。如果使镜面M1紧贴模块，从而保证了L1f,则要保证激光器工作在稳定区内，有激光输出，只需要满足L2f,且腔型不构成对称腔即可。我们可以利用这个原理来测量装置的热透镜焦距。我们利用上面所说的“非稳腔”法对现有的半导体侧向泵浦模块进行热焦距的测量，搭建实验装置如图3.2所示。实验中采用的LD侧向泵浦的Nd:YAG模块（YAG棒直径为3mm,长为67mm），采用循环水冷方式（冷却水温度20），M1为1064HR，M2为10%透过率的输出镜。实验中M1紧贴模块，移动M2镜至不同位置。实验中，我们选取了L2从500mm到900mm，每隔50mm的9个长度，对每一组合逐渐加大电流，观察输出功率随泵浦电流的变化，当增大泵浦电流到某一值时，激光停止输出，记录下此时的驱动电流及电压。对应于此泵浦功率的热焦距大小即为当时的L1值。图3.2 “非稳腔”法测LD泵浦固体激光器热焦距示意图卷尺功率接收器功率计透镜M2驱动电源激光模块水冷装置透镜M1 L d 图3.3 实验室“非稳腔”法测LD泵浦固体激光器热焦距示意图如上图所示：L为工作物质的长度，本实验用的激光模块L=67mm,d为激光模块出光孔与透镜M2之间的距离。由于空气中的折射率与工作物质的折射率不一致，故所测量的热透镜焦距应为： f= L/2n+d(3.1)测量数据记录如下： 距离d（mm）500550600650700750800850900驱动电流I(A)20.619.818.417.517.016.415.715.214.6驱动电压U(v)15.315.315.315.115.115.015.015.014.9表3.1实验室测量：f=L/2n+d n=1.57 L=67mm距离d（mm）500550600650700750800850900热焦距f（mm）521.34571.34621.34671.34721.34771.34821.34871.34921.34电流I(A)20.619.818.417.517.016.415.715.214.6表3.2泵浦功率P（W）=驱动电压U(v)* 驱动电流I(A)热焦距f（mm）521.34571.34621.34671.34721.34771.34821.34871.34921.34功率P（W）315.18302.52281.25264.25256.70246.00235.50228.00217.54表3.3由以上数据可得：图3.4 热焦距f与驱动电流I关系曲线由图3.4可知，热焦距f与驱动电流I的图像为一次函数。在图像中取点计算可得，该一次函数为： f= -66.7I+1895.4(3.2) 同时，由图像可以看出，随着热焦距的增大，其驱动电流逐渐减小。图3.5 热焦距f与驱动电功率P关系曲线由图3.5可知，热焦距f与驱动功率P的图像为一次函数。在图像中取点计算可得，该一次函数为： f= -3.77P+1709.6(3.2) 同时，由图像可以看出，随着热焦距的增大，其驱动功率逐渐减小。4. 减小热透镜效应的方法由于热透镜效应的存在,降低了光束质量并限制了谐振腔稳定运行的功率范围。为克服热透镜效应，已进行了大量研究，尝试了各种方案。对于常用的圆柱形的激光介质，目前较为成熟的方法有：（1）为了降低激光棒的整体温度，采用良好的水冷措施，即借助于流动的水带走泵浦源、激光棒及聚光器产生的大量热能，达到冷却的目的。若是对于光泵的模块，可在椭圆柱聚光器中的泵浦灯和激光棒外面的玻璃套管上镀膜，使之吸收泵浦灯发射出的有害光，从而减小热透镜效应5。（2）为了改善激光束的质量，在谐振腔内插入正透镜来补偿热透镜效应4，如图4.1所示。图4.1中L1为Nd:YAG棒的等效热透镜（正透镜），其焦距为f1；L2为一焦距等同于f2的补偿正透镜，可抵消等效热透镜的作用。然而由于热透镜焦距随P变化，此方案仅对特定的P有效。（3）解决热透镜效应、提高光束质量的最好方案是改善激光棒的几何形状5，即可采用板条式YAG激光器，结构如图4.2所示。板条式YAG激光器有很大的冷却表面，激光在板条状晶片内全反射曲折前进，光轴不再垂直于温度梯度方向，而且每条光线经受同样的变化，波前很少畸变。因此板条系统的热透镜效应比最佳棒状系统要小一个数量级，此时焦距与泵浦功率无关。采用这种装置可得到更高功率的固体激光器。图4.1正透镜补偿热透镜的示意图 图4.2 板条式Nd:YAG激光器原理图5.总结：本文对LD侧泵固体激光器的热透镜效应进行了分析。同时，介绍了热透镜焦距传统的测量方法以及“非稳腔”法。并在实验平台上利用“非稳腔”法测定了在某一驱动电流I下LD侧泵固体激光器热透镜焦距f，绘制了f-I、f-P曲线。由f-I、f-P曲线可知：随着热焦距的增大，其驱动电流I、驱动功率P均逐渐减小。由实验数据及图像，计算出了f-I曲线：f= -66.7I+1895.4；f-P曲线：f= -3.77P+1709.6。最后，文中提出一些方案，尽可能的减小热透镜效应，如：降低激光棒的整体温度、在谐振腔内插入正透镜、改善激光棒的几何形状等。6.下一步工作计划本文对在实验室测LD侧泵固体激光器的热焦距原理进行了简单的分析，但还不够深入。下一步，我将学习ABCD矩阵，从根本上理解“稳态”和“非稳态”，并计算出谐振腔的稳定性条件。思考本实验出现的想象：为什么当透镜M2在热焦距处的时候，激光会突然消失，其理论计算依据在哪里。7.参考文献1.姜东升，周寿桓，胡渝，刘盛纲，LD侧泵浦固体激光器的热效应分析和模拟研究，电子科技大学学报，1999年，第28卷，第4期；2.赵海霞，姜东升，赵 鸿，王建军，二极管侧面泵浦固体激光器热效应研究，华北光电技术研究所，北京，2001；3.张行愚，赵圣之，王青圃，张其第（山东大学光电系），B.Ozygus H.Weber(德国柏林技术大学光学研究所)，激光二极管抽运的激光器热