泵浦Nd：YAG激光器

0 LDLD 侧面泵浦侧面泵浦 NdNd：YAGYAG 激光器的研究激光器的研究 摘摘 要要 介绍了 YAG 晶体的性质以及与其他类似晶体的比较，介绍了固体激光器泵浦的两 种方式:端面泵浦和侧面泵浦，并主要分析了侧面泵浦的优点。设计和分析了一种侧面 泵浦结构的固体激光器，通过选取合适激光晶体（Nd：YAG 晶体），进行侧面泵浦。在 泵浦光反向冷却套侧壁镀高反射金膜，使激光棒侧向均匀泵浦，实现低阶膜输出。对 激光二极管侧面泵浦 NdYAG 激光器的热效应进行了分析，通过热传导方程的推导和 分析，得出 YAG 晶体内的温度分布情况，以及对各种可能的结果进行了数值模拟和分 析，得到了一些影响 YAG 晶体内的温度分布的因素。 关键词：固体激光器；LD 侧面泵浦；Nd：YAG 晶体；热效应 1 TheThe StudyStudy onon LDLD Side-pumpedSide-pumped NdNd：YAGYAG LaserLaser AbstractAbstract Described the nature of the YAG crystal and other similar comparison of crystal, introduced a solid-state laser pumped in two ways: end-pumped and side-pumped. And the main analysis of the advantages is on side-pumped. Design and analyse a side-pumped solid- state laser. By choosing a suitable laser crystal (Nd: YAG crystal), For side-pumped. In the reverse cooling pump sets highly reflective gold-plated wall membrane, So that the lateral uniformity of the laser rod pumped to achieve low film output. Of the laser diode side- pumped Nd: YAG laser thermal effects are analyzed. Heat conduction equation through the derivation and analysis within the YAG crystal temperature distribution, As well as the range of possible outcomes of a numerical simulation and analysis, have been some impact on the temperature inside the YAG crystal is a factor. KeyKey wordswords：solid state laser ; LD side-pump; Nd：YAG crystal；Thermal effect 2 目录 摘摘 要要 .2 2 ABSTRACTABSTRACT .3 3 1 1 绪论绪论 .6 6 2 2 激光器激光器 .7 7 2.1 激光器简介.7 2.1.1 什么是激光器.7 2.1.2 激光器工作原理.7 2.1.3 激光工作物质.7 2.1.4 激励(泵浦)系统.8 2.1.5 光学共振腔.8 22 固体激光器.8 2.2.1 什么是固体激光器.8 2.2.2 Nd:YAG 晶体 .9 2.2.3 ND：YAG 激光器 .10 2.3 LD 泵浦固体激光器 .10 2.3.1 LD 泵浦固体激光器的优点 .10 2.3.2 侧面泵浦.11 2.3.3 LD 泵浦固体激光器的发展状况 .12 3 3 LDLD 侧面泵浦侧面泵浦 NDND：YAGYAG 激光器激光器.1313 3.1 LD 侧面泵浦 ND:YAG 激光器的设计与分析 .13 3.1.1 阵列管泵浦源结构分析.13 3.1.2 激光晶体棒选取.13 3.1.3 聚光结构设计.14 3.2 模拟分析与推导.15 3.2.1 泵浦高斯光强修正.15 3.2.2 热传导方程与温度场.16 3.2.3 激光棒内的温度分布.16 3.2.4 激光棒内的热应力和热应力双折射.17 3.3 讨论.20 4 4 总结总结 .2121 致谢致谢 .2121 参考文献参考文献 .2222 3 1 1 绪论绪论 世界上第一个激光器的成功演示距今已经 40 多年了。这 40 多年来，激光可惜 技术以其强大的生命力谱写了以不典型额学科交叉的创造发明史。激光的应用已经 普及科技、经济、军事和社会发展的许多领域，远远超过了当初人们原有的设想。 如今，激光技术在生活中已经变得尤为重要。因此，对激光器的研究变得十分重要。 在各类激光器中，固体激光器是其中种类最多、应用最为广泛的，而且也是最为复 杂的。因此，对固体激光器的研究显得尤为重要。固体激光器通常是指以绝缘晶体 或玻璃作为工作物质的激光器。少量的过渡金属离子或稀土离子掺入晶体或玻璃， 经光泵激励后哦产生受激辐射作用。固体激光器普遍采用光激励方式将处于基态的 粒子抽运到激发态，以形成集居数反转状态。光激励又可分为气体放电灯激励和半 导体激光器激励两种方式。本文将会讨论半导体激光器激励这种方式。固体激光器 有红宝石激光器，钛激光器，钕激光器等。目前应用较多的是红宝石激光器以及钕 激光器，本文主要讨论后者。钕激光器是以三价钕离子作为激活粒子的激光器，也 是由于最广泛的激光器。其中有一种以 Nd3+离子部分取代 Y3AL5O12晶体中 Y3+离子 的激光工作物质称为掺钕钇铝石榴石激光器（简称 Nd：YAG） 。也就是本文讨论的重 点：Nd：YAG 激光器。与传统灯泵浦的固体激光器相比,大功率高效率的激光二极管 泵浦的固体激光器体积小、寿命长、可靠性好 ,并且广泛应用在激光医疗、通讯等 领域。为了获得更大功率激光输出,通常采用二极管阵列侧面泵浦工作物质的方式。 此时泵浦功率较强,大量的泵浦功率转化为热功率,而直接导致激光晶体横截面内的 温度呈不均匀分布,进而导致热应力、热应力双折射、激光晶体端面变形等多种热效 应。尤其是激光器高功率运转时,激光晶体的热效应是激光系统设计、优化时首要考 虑的因素之一 。激光晶体 NDYAG 内的温度、热应力、热应力双折射和热焦距的变 化规律,为采取措施补偿热效应奠定了基础。 本文主要讨论 Nd：YAG 激光器，对 Nd：YAG 激光器的侧面泵浦做重要研究，对 Nd：YAG 激光器的工作物质和工作原理进行研究和讨论，得到一些 Nd：YAG 激光器的 性质和优缺点。研究的目的在于能够更清楚的了解和认识这种激光器的优点和长处， 方便以后的运用。 4 2 2 激光器激光器 2.12.1 激光器简介激光器简介 2.1.12.1.1 什么是激光器什么是激光器 激光器是能发射激光的装置。1954 年制成了第一台微波量子放大器，获得了高 度相干的微波束。1958 年 A.L.肖洛和 C.H.汤斯把微波量子放大器原理推广应用到光 频范围，并指出了产生激光的方法。1960 年 T.H.梅曼等人制成了第一台红宝石激光 器。1961 年 A.贾文等人制成了氦氖激光器。1962 年 R.N.霍耳等人创制了砷化镓半 导体激光器。以后，激光器的种类就越来越多。按工作介质分，激光器可分为气体 激光器、固体激光器、半导体激光器和染料激光器 4 大类。近来还发展了自由电子 激光器，其工作介质是在周期性磁场中运动的高速电子束，激光波长可覆盖从微波 到 X 射线的广阔波段。按工作方式分，有连续式、脉冲式、调 Q 和超短脉冲式等几 类。大功率激光器通常都是脉冲式输出。各种不同种类的激光器所发射的激光波长 已达数千种，最长的波长为微波波段的 0.7 毫米，最短波长为远紫外区的 210 埃，X 射线波段的激光器也正在研究中。 2.1.22.1.2 激光器工作原理激光器工作原理 除自由电子激光器外，各种激光器的基本工作原理均相同，装置的必不可少的 组成部分包括激励（或抽运） 、具有亚稳态能级的工作介质和谐振腔。激励是工作介 质吸收外来能量后激发到激发态，为实现并维持粒子数反转创造条件。激励方式有 光学激励、电激励、化学激励和核能激励等。工作介质具有亚稳能级是使受激辐射 占主导地位，从而实现光放大。谐振腔可使腔内的光子有一致的频率、相位和运行 方向，从而使激光具有良好的定向性和相干性。 2.1.32.1.3 激光工作物质激光工作物质 激光工作物质是指用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的物质体 系，有时也称为激光增益 介质，它们可以是固体（晶体、玻璃）、气体（原子气体、 离子气体、分子气体）、半导体和液体等媒质。对激光工作物质的主要要求，是尽 可能在其工作粒子的特定能级间实现较大程度的粒子数反转，并使这种反转在整个 5 激光发射作用过程中尽可能有效地保持下去；为此，要求工作物质具有合适的能级 结构和跃迁特性。 2.1.42.1.4 激励激励( (泵浦泵浦) )系统系统 激励(泵浦)系统是指为使激光工作物质实现并维持粒子数反转而提供能量来源 的机构或装置。根据工作物质和激光器运转条件的不同，可以采取不同的激励方式 和激励装置，常见的有以下四种。 光学激励(光泵)。是利用外界光源发出的光 来辐照工作物质以实现粒子数反转的，整个激励装置，通常是由气体放电光源（如 氙灯、氪灯）和聚光器组成。 气体放电激励。是利用在气体工作物质内发生的气 体放电过程来实现粒子数反转的，整个激励装置通常由放电电极和放电电源组成。 化学激励。是利用在工作物质内部发生的化学反应过程来实现粒子数反转的，通 常要求有适当的化学反应物和相应的引发措施。 核能激励。是利用小型核裂变 反应所产生的裂变碎片、高能粒子或放射线来激励工作物质并实现粒子数反转的。 2.1.52.1.5 光学谐振腔光学谐振腔 光学谐振腔通常是由具有一定几何形状和光学反射特性的两块反射镜按特定的 方式组合而成。 一般来讲，谐振腔有两个作用 ：提供光学反馈能力，使受激辐 射光子在腔内多次往返以形成相干的持续振荡 ，这是由通常组成腔的两个反射镜 的几何形状（反射面曲率半径）和相对组合方式所决定；对腔内往返振荡光束 的方向和频率进行限制，以保证输出激光具有一定的定向性和单色性，这是是由 给定共振腔型对腔内不同行进方向和不同频率的光，具有不同的选择性损耗特性所 决定的。 2 22 2 固体激光器固体激光器 2.2.12.2.1 什么是固体激光器什么是固体激光器 固体激光器激光器通常是指以绝缘晶体或者玻璃作为工作物质的激光器。少量的 过渡金属离子或稀土离子掺入晶体或玻璃，经光泵激励后产生受激辐射作用。参与受 激辐射作用的离子密度一般为（1025-1026）m-3，较气体工作物质 3 个量级以上，激光 6 上能级的寿命也比较长，因此较小结构的工作物质易于获得大能量输出。 2.2.22.2.2 Nd:YAGNd:YAG 晶体晶体 Nd:YAG 晶体即为掺钕的钇铝石榴石，是目前最为成熟的激光材料。该晶体属立方 晶系，光学性质各向同性，不存在自然双折射。YAG 基质很硬、光学质量好、热导率高， 它的立方结构也有利于窄的荧光谱线，从而产生高增益、低闭值的激光。而且用提拉 法也容易生长出高质量大尺寸的晶体。它的物理特性及激光特性等综合性能是目前最 好的光学晶体之一。被广泛应用于闪光灯泵浦和 LD 泵浦的各类激光器中。 在光泵浦下，Nd3+由基态跃迁到各吸收能级后，很快通过无辐射跃迁到亚稳态 4F32，由4F3。向下能级自发辐射产生荧光。室温下 Nd3+:YAG 在近红外区有三条明显 的荧光谱线其中以 1.06m 处的荧光谱线最长。4F3/2到 4I9/2的跃迁属三能级系统，阈 值高，只有在低温下才能实现激光振荡。4F3。向 4I112,和4I3。的跃迁都属于四能级系 统，阈值低，易于实现激光振荡。其中，1.06m 的荧光强度较 1.35m 的约强四倍， 1.06m 的谱线首先起振，并抑制了 1.35m 的谱线起振，在 ND:YAG 激光器中通常只 观察到 1.06m 的激光，只有采用专门的选频措施后，才能实现 1.35m 的激光振荡。 Nd：YVO4晶体并不是唯一的固体激光器工作物质，同类似的晶体还有 Nd：YVO4晶体和 Nd：GdVO4晶体，三者的比较如下： Nd：YVO4是四方晶体。对于 Nd：YVO4来说，由于吸收截面积大，所以吸收系 数大，有利于缩短晶体长度，便于泵浦光和激光模式的高效藕合，减小损耗，提高效 率，所以 Nd：YVO4适用于薄片状端泵中小功率激光器，但由于热导率小，不适合灯 泵，大功率时，情况不佳。此外，它的荧光寿命短，不宜用于脉冲激光器。 Nd：GdVO4激光性能与 Nd：YVO4类似，在 808nm 附近具有宽而强的吸收带，大 的吸收截面，在 808nm 处吸收峰半宽是 Nd：YVO4的近二倍，吸收截面是 Nd：YVO4 的七倍多，是 Nd：YVO4的近二倍;发射截面也很大，在 1.06um 处的发射截面是 Nd：YVO4的三倍多，与 Nd：YVO4相当，在 1.34m 的发射截面也比 Nd：YVO4高， 与 Nd：YVO4相当;另外，Nd：GdVO4；上能级的荧光寿命较长，有利于储存能量； Nd：GdVO4还具有很高的热导率，这也是它最显著的优点；由于 Nd：GdVO4晶格畸 变小，因此，可实现高浓度掺杂而不会发生浓度碎灭；Nd 在 GdVO4中的分凝系数为 0.78，大的分凝系数使生长光学质量均匀的晶体相对容易。 7 与另外两种晶体相比，Nd:YAG 有较高的荧光量子效率(大于 99.5%)，它是迄今为 止实用化程度最高的激光晶体，既可连续、准连续又可脉冲工作，既能做成中小功率 和微片激光器，又能做成千瓦级高功率固体激光加工机，并且还能以调 Q、锁模等多种 方式工作。同时还具有低出光阈值、高增益，高效率，低 1064 nm 损耗等优点；高光 学质量、热传导性好、抗热冲击和机械强度高特性，使得 Nd:YAG 成为了连续,脉冲和 锁模激光的最合适和商品。 2.2.32.2.3 NDND：YAGYAG 激光器激光器 Nd：YAG 激光器以 Nd:YAG 晶体为工作物质，它属四能级系统，并具有量子 效率高、受激辐射面大的优点。其阈值非常小，而且钇铝石榴石晶体还具有较高的 热导率，易于散热，因此 Nd：YAG 激光器不仅可以单次脉冲运转，出功率已超过 1000W，每秒 5000 次重复频率的输出峰值功率已达千瓦以上，每秒几十次还可以高 重复率或者联系运转。目前，Nd：YAG 激光器的最大输重复频率的调 Q 激光器的 峰值功率可达几百瓦.。Nd：YAG 激光器的应用非常广泛，它主要用在加工方面， 用于打孔、切割、划片、焊接、阻值微调、打标和表面改性等。 2.32.3 LDLD 泵浦固体激光器泵浦固体激光器 2.3.12.3.1 LDLD 泵浦固体激光器的优点泵浦固体激光器的优点 随着半导体技术的日益发展和成熟，激光二极管在功率，转换效率，波长扩展和 运行寿命等方面已经有很大的提高。激光二极管(LD)具有量子效率高、可靠性高、使 用寿命长、发射波长与激光介质吸收峰很好对应、激光输出光束质量好等特点。这使 得激光二极管与泵浦技术相互结合，成为激光泵浦技术中的一个重要突破，泵浦固体 激光器的迅速发展逐渐成为一种趋势。 激光二极管泵浦的固体激光器（Semiconductor Diode-Pumped Solid State Laser） ，是用激光二极管(Laser Diode)代替闪光灯去泵浦固体激光增益介质的激光器， 兼有半导体激光二极管和固体激光器的优点。半导体激光器体积小、重量轻、直接电 注入使其有高的量子效率，可以通过调整组分和控制温度从 Ga1-xAlxAs得到与常用的 固体激光材料泵浦带相匹配的波长；而固体激光器输出的光束质量高，有很好的时间 与空间相干性，光谱线宽与光束发散角均比半导体小几个数量级。因此，二极管泵浦 的固体激光器可以有效选择泵浦波长，使其与激光介质的吸收谱线相对应，而且 LD 可 8 以用来泵浦含有不同激活粒子的固体激光材料，丰富了相干光源的谱线，波段可以覆 盖 946nm 到 2.01m，拓宽了固体激光器的应用领域。激光二极管泵浦的固体激光器的 高效率、高光束质量、长寿命、全固化、结构紧凑和轻便等优势就非常突出了。它在 医疗、通信、材料加工、娱乐和科学研究等领域都有广泛的应用。 相比较于气体激光器和灯泵浦的固体激光器，激光二极管(LD)或激光二极管阵列 (LDA)泵浦固体激光器具有很大的优势。相比较于气体激光器，LD 泵浦的固体激光器 具有可用于光纤传输的近红外波长、高峰值功率、器件紧凑等特点。而相比于传统的 闪光灯泵浦的固体激光器： 首先，LD/LDA 泵浦的效率要高的多，以掺 Nd3的激光器为例:由于泵浦灯很宽的 辐射光谱与铆离子吸收带匹配不好，通常灯泵浦的 Nd:YAG 激光器的总效率低与 3%，且 在大功率下热效应明显，光束质量和稳定性差。一般说来(以 Nd:YAG 激光器为例)， LD/LDA 的电光转化效率为 30%-50%，至 ND:YAG 上的光-光转换效率为 40%左右。这样， LD/LDA 泵浦的 ND:YAG 激光器的总效率在 10%以上。其次，由于不存在液体或气体工作 物质的流动起伏噪声以及泵浦灯的等离子体波动噪声，使得 LD 泵浦的固体激光器的噪 声特性比灯泵浦要好。一阶以上，且频率稳定。 另外以 LD/LDA 泵浦作泵浦源的全固态激光器，还具有其它类型激光器所不能比拟 的特点，比如：（1）寿命长。LD 寿命可达几万小时或更长，不需经常更换。 （2）热光 畸变小。 （3）光束质量好。 （4）可靠性强。比灯泵浦提高 100 倍。 （5）重量轻。 （6） 结构简单。等等优点。 此外，从原则上讲，现有的各种灯泵浦的固体激光器均可以改为二极管泵浦 。以 上这些优点使得 LD 泵浦的全固态激光器己成为国际上竞相开发的热点。 2.3.22.3.2 侧面泵浦侧面泵浦 泵浦(pump)，即泵，又名帮浦、抽运；与泵不同的是，泵浦一词主要出现于激 光领域。在激光器中，外部能量通常会以光或电流的形式输入到产生激光的媒质之 中，把处于基态的电子，激励到较高的能级高能态 （人们用“泵浦”一词形容这 一过程(如同把水从低处抽往高处 ) )，物理学家将这种状态称为激发态 (excited state)。激光二极管泵浦可分为端面泵浦和 侧面泵浦两种形式。端面泵浦装置简单泵 浦光束与谐振腔模匹配良好，工作物质对泵浦光吸收十分充分。因而阈值功率底， 斜效率高。侧面泵浦指泵浦光从侧面泵浦激光晶体，即光从侧面照射进入激光棒。通 9 常，为了的到大功率的激光输出，一般采用半导体列阵做泵浦光源，由于列阵的发光 面较大，激光在工作物质中通过侧面全反射传输，使其通过增益介质的有效长度大于 工作物质的外形长度，从而获得大功率输出。因此，为了获得大功率的激光输出。一 般会采用侧面泵浦。 2.3.32.3.3 LDLD 泵浦固体激光器的发展状况泵浦固体激光器的发展状况 最早的固体激光器采用闪光灯作为泵浦源，由于闪光灯的发射光谱宽，而固体激 光介质的吸收带很窄，所以转换效率很低，这一主要因素在一段时间内制约了固体激 光器的发展。1962 年，第一只同质结砷化嫁半导体激光器问世为 DPSSL 提供了物质基 础；一年后美国人纽曼首次提出了采用半导体二极管作为激光器泵浦源的构想。并且 用 GaAs 二极管在 808nm 附近的辐射去泵浦 Nd:CaW4认，得到了 1.06 林 m 受激荧光输 出。Newman 认识到 GaAs 二极管激光器的发射波长与 Nd3 十离子的泵浦吸收带的光谱重 叠可研制高效率、结构紧凑的全固态激光器。1964 年，美国 MIT 林肯实验室的 Keyes 和 Quist 成功实现了这一想法，研制了第一台 LD 泵浦的固体激光器，激光工作物质为 U3+:GaF2。1968 年，麦航空公司的 Ross 实现了第一台用 GaAs LD 泵浦的 ND:YAG 激光 器，但其所需的 LD 必被冷却到 170K，以实现波长匹配。 随着半导体激光器实现了室温下的连续工作，1971 年，Ostermeyer 报道了室温工 作的 LD 抽运 ND:YAG，获得 1.4mW 的 l064nm 激光输出；1972 年，Danielmeyer 在室温 下用半导体激光器抽运 Nd:YAG;1974 年 Conant 等人提出用半导体激光器列阵抽运 ND:YAG。但在当时，由于早期的 LD 工作稳定性差，转换效率低，寿命比闪光灯还短， 而且需要采用液氮来冷却，其优越性未得到体现，因此 LD 作为固体激光器的泵浦源显 得很不成熟，在近二十年的时间内未能引起人们的重视。 进入二十世纪 80 年代后，随着量子阱和应变量子阱材料的出现，分子束外延(MBE)和 金属有机物化学气相淀积(MOCVD)等技术的采用，LD 的阈值电流大大减小，连续或准连 续 LD 的输出功率和转换效率有了很大的提高，同时使用寿命不断延长，生产成本和销 售价格也不断下降。90 年代以来，随着高效率、高稳定性的高功率激光二极管阵列的 出现，特别是 LD 冷却技术的突破性进展，激光二极管抽运固体激光器开始步入高速发 展时期，各种构型、各种工作方式、各种激光介质的 DPSSL 逐步走向实用化。 随着 LD 的飞速发展，DPSSL 的研究工作也迈上了一个新的台阶，取得了突飞猛进 的发展，并达到了实用水平。国外的 Coherent，Spectra 一 physics 和 SDL 等公司都 10 分别推出了各种型号的连续和脉冲工作的小型 DPSSL 激光器。另外像美国的 Lawrence livermore 国家实验室、麻省理工学院，英国的 Southampton 大学，国内的天津大学、 清华大学、上海光机所、中科院物理所、山东大学等单位也在 DPSSL 方面进行了许多 研究。近年来，随着高亮度泵浦源、高增益的激光介质、具有大非线性常数的晶棒的 发展，出现了结构更加紧凑、体积更小、输出功率更高、光束质量更好、波长范围覆 盖从紫外到红外的各种 DPSSL 激光器。 3 3 LDLD 侧面泵浦侧面泵浦 NdNd：YAGYAG 激光器激光器 3.13.1 LDLD 侧面泵浦侧面泵浦 Nd:YAGNd:YAG 激光器的设计与分析激光器的设计与分析 3.1.13.1.1 阵列管泵浦源结构阵列管泵浦源结构分析分析 本项目采用半导体阵列激光管，每个阵列管由12 个厘米条组成，工作频率20 Hz，脉宽200 s，每次发射能量240 mJ。厘米条的装配结构侧视图如图3-1 所示。 图3-1 LD 阵列管装配结构示意图 图3-1中，Block1 是半导体激光器热沉，Block 2 是制冷器片，Block 3 是固定 散热板，加工成散热片式，其两侧有安装孔，以便固定在激光器骨架上。整个结构紧 凑、散热好、控温准确。 3.1.23.1.2 激光晶体棒选取激光晶体棒选取 Nd:YAG 激光晶体是目前最常用的一类激光晶体，其参量特别有利于激光产生。 YAG 的立方结构有利于窄的荧光谱线，可产生高增益、低阈值的激光作用。因此选用 Nd:YAG 激光晶体做激光工作物质。 Nd:YAG 激光晶体中浓度的确定 选择最佳的Nd 浓度，能够在一定程度上提高Nd:YAG 激光器的性能。YAG 中原子 11 浓度一般限制在1%1.5%以内，较高的浓度会缩短荧光寿命，展宽线宽，在晶体中引 起应变，导致光学质量变差。对于Q 开关运转，为了产生高储能，需要提高Nd 的掺杂 浓度，由此选用1.2%的Nd:YAG 激光晶体。 （2） Nd:YAG 激光晶体中直径的确定 激光器的泵浦结构，由泵浦源所发出的所有泵浦光都是沿着激光晶体径向入射， 并由激光晶体一侧沿径向传播到另一侧，大部分被激光晶体吸收，剩余光能经聚光器 反射之后，泵浦光沿激光晶体同一径向入射，再次被激光晶体吸收。泵浦光经激光晶 体两次吸收后应全部被吸收，这样得到激光晶体内的光路长度l2。吸收效率不仅 与激光晶体直径有关，而且还与泵浦源的波长和谱线宽度有关。对于相同的吸收长度， 当发射光谱中心波长与吸收峰重合时，泵浦源谱线宽度越窄，吸收效率就越高。 激光器采用LD 泵浦源，室温下其谱线宽度为6 nm。由a =1 exp(D )，其中D 为激光晶体对LD 发射波长的吸收系数，为激光晶体内的光路长度。当a = 90%时， 代入，解得8 mm，因此激光棒晶体直径=4 mm。若选取激光 aDl l1 晶体棒直径=5 mm，虽对提高吸收效率会有好处，但是泵浦功率密度会下降，激光阈 值会提高，从而降低激光输出功率。 （3） Nd:YAG 激光晶体长度的确定 脉冲线性LD阵列管发射的泵浦光束沿X 轴方向和Y 轴方向截面的外观形状简化模 型如图3-2所示。 根据图3-2计算得： b=a+2dtg10=65+215tg10=70.2 mm再考虑到机械封装 的要求，确定选取72 mm 的激光晶体。 图3-2 LD 阵列管发射光束的简化模型 图3-2中，a=65 mm，a 是LD 列阵管的发光区长度； d=15 m，d 是发光区到激光 12 棒中心的垂直距离；b 是激光棒被泵浦光照射的长度。 3.1.33.1.3 聚光结构设计聚光结构设计 激光器的设计核心是解决列阵半导体激光的最佳泵浦方案和实现系统的无水冷恒 温技术。本结构采用三只列阵管120均匀分布，侧面泵浦，激光棒置于三角卡网式激 光冷却套中心并与卡网内圆滑配合。卡网的开槽部分安装柱面透镜使泵浦光聚到激光 晶体棒的中心，整个卡网套在一个较大的热沉上。为使激光棒达到侧向均匀泵浦，在 泵浦光方向冷却套侧壁镀高反射金膜，以实现低阶膜输出。卡网内侧圆形曲面抛光镀 金，使未被吸收的泵浦光反射进行二次吸收。卡网的开槽侧壁镀金，使激光的非傍轴 光线也通过反射到达激光晶体中。热沉的外圈加工成叠槽式，以增加散热面积。三只 长条形列阵半导体激光管根据其特定的设计结构固定在热沉上，激光管散热板与热沉 紧密接触，起到热传导媒质的作用。用柱透镜对泵浦光进行聚焦，用光线追踪法，经 计算机数值计算，求出最佳值，达到高效耦合。 由于激光二极管阵列(LDA)泵浦与灯泵浦在结构以及光强分布上的差异 ,泵浦光在 介质横截面内产生的温度分布不同。激光器运转时,泵浦光场分布不均匀和激光棒冷却 不均匀等原因导致激光棒内部形成非对称温度梯度分布 ,进而产生热畸变或类热透镜 效应 ,使振荡的激光束的光束质量变差。因此 ,在大功率 LDA 泵浦的固体激光器中,应 当首先对热效应的影响进行分析 ,并采取相应的补偿措施 , 以获得高光束质量激光输 出。 3.23.2 模拟分析与推导模拟分析与推导 3.2.13.2.1 泵浦高斯光强修正泵浦高斯光强修正 闪光灯泵浦固体激光器的泵浦光通过聚光腔到达激光介质表面 ,这种光强被认为 是均匀分布或近似均匀分布的。此时,在热负载均匀分布于激光介质中的近似下进行热 效应分析是合理的。而 LD 泵浦光强的空间分布为高斯型,所以激光介质中热负载分布 采用高斯函数近似 ,更能符合 LD 泵浦固体激光器的实际情况。 有很多复杂因素导致很难精确计算激光介质内的温度分布 ,因此 ,需要对物理模 型进行简化 ,提出几点假设: (1 ) 泵浦光沿激光光轴(Z 轴) 方向均匀分布。通常采用多个 LD 直线排列方式工 作 ,形成条状阵列 ,相邻间距很小,且泵浦光束在 Z 轴方向上相互交叠。 13 (2) 假设热传导系数为常数。热传导系数是随温度变化的量 ,但是在室温附近 , 温度变化不是很大( 80)时,热传导系数的变化较小,并且 YAG 晶体是均匀、各向同 性的物质 ,且不存在温度的跃变和物质的相变。 (3) 忽略激光棒两个端面与空气对流的边界条件。从晶体侧面热传导流出的热量 远大于其端面和空气热交换流出的热量 ,故可忽略。 3.2.23.2.2 热传导方程与温度场热传导方程与温度场 在各向同性介质中,热传导方程可表示为 （3-1）QTK t T c 式中:为介质密度； c 为介质比热容; T 为温度； K 为介质的热传导率; Q 为热 源强度。一般而言,晶体中的热源主要来源于激光跃迁的量子缺陷。假设棒内热源只有 内跃迁损耗,则不考虑热效应引起泵浦光束变化时,热源分布为 （3-2） l yxI yxQ , , 式中:为吸收泵浦能量中转化为热能的比值；I为泵浦光通过晶体的距离；Iab 为泵 浦光在激光棒内经过距离 时被介质吸收的光能,可表示为 （3-3）lexp1IiIab 式中: Ii为传播距离为l 之前的光强；为晶体吸收系数。 激光棒侧表面和冷却液之间边界满足牛顿冷却方程,表示为 （3-4） r0TTc h r0 K r dr dT 式中: h 为冷却液与激光棒表面之间的对流换热系数，它与冷却介质的性质、流量、 有效流通面积等因素有关； Tc 为冷却液温度； r0 为激光棒半径。 3.2.33.2.3 激光棒内的温度分布 在激光棒NdYAG 被均匀泵浦,且激光棒周围散热情况相同,采用良好的水冷措施 的情况下,由于激光棒长径比较大,可以忽略冷却介质沿棒轴方向的微小温度变化,认为 热流主要沿棒的径向传导。稳定情况下的热传导方程为 （3-5）0 1 2 2 K Q dr dT rdr Td 14 其中r 为径向任一点与棒轴的距离； K 为YAG 的热导率； Q 为棒内单位时间单位体 积产生的热量； Q 值表示为Q =Pin r20l(为棒耗散光功率的百分数； Pin为输入泵 浦功率； r0 为YAG 棒的半径； l 为棒长) 。 把边界条件r = r0 时,冷却条件决定的棒表面温度T ( r0) ,代入(3-5) ,得出沿激 光棒半径方向任一点的温度为 （3-6） )( 4 )()( 4 )()( 22 0 2 0 0 22 00 rr lrK P rTrr K Q rTrT in 3.2.43.2.4 激光棒内的热应力和热应力双折射 由于YAG 棒内径向存在不均匀温度分布,较热的内层材料和较冷的外层材料相互作 用产生热应力。根据热弹性理论,各向同性的YAG 激光棒在无其他外力作用下,其径向、 切向和轴向的热应力分量分别为 )( )1 (16 2 0 2 0 rr lrK PE in r （3-7）)3( )1 (16 2 0 2 2 0 rr lrK PE in )2( )1 (8 2 0 2 2 0 rr lrK PE in z 式子中为热膨胀系数； E 为杨氏弹性模量；为泊松比。在上述LD 侧面泵浦的YAG 激光器中,当= 8. 2 10 - 6k - 1 , E = 310GPa ,= 0. 3 时, ,YAG激光棒最大的热应力发生 在棒的中心及表面处。棒中心热应力为负,表示压应力,在棒的表面,径向应力为0 ,切 向应力和轴向应力为正,为拉伸应力。 激光棒内的温度梯度还能引起激光介质折射率的不均匀变化,使各向同性的介质变 成各向异性,导致双折射。对于NdYAG 激光棒,选择晶体生长方向为激光传播方向,光 的振动方向垂直于传播方向,所以我们只研究对光传播特性有影响的nr 和n。由于热应 力双折射导致径向和切向折射率的变化为 zr r PPPPPPPPP n n 441211441211441211 3 0 22 3 1 25 6 1 2 1 2 1 2 15 zr PPPPPPPPP n n 441211331211441211 3 0 22 3 1 2 1 2 1 25 6 1 2 （3-7） 其中 应变为 22 0 1713 )1 (16 rr K Q r )3( )1 (16 2 0 2 2 0 rr lrK PE in 22 0 21 18 rr K Q z 可推导出 23 0 2 1 rC K Q nn rr （3-8） 23 0 2 1 rC K Q nn 23 0 rC K Q nnn Br 其中Cr 、C、CB 为取决于和应变光弹性系数P11 、P12 、P44的量。由(3-8) 式可见,热 应力双折射和激光棒内的耗散热量Q 及激光棒半径的平方成正比,所以棒表面的双折射 最为严重。 图 3-3 为在到达稳态的过程中,不同时刻的激光棒截面内沿 x 轴温度分布情况。 由图 3-3 可以看出,棒中心区域温升较快 ,表面温升较慢;达到稳态后 ,形成了中心温 度高、表面温度低的分布。 图 3-4 为在热源的高斯强度近似和均匀强度近似下的激光棒截面内温度场分布图, 其中,热源高斯强度近似下取沿 X 和 Y 两个轴方向温度场分布。假设热源均匀分布情况 下 ,得到的棒内温度呈径向二次曲线分布 ,而热源高斯型分布近似下的温度分布不再 是简单的径向二次曲线关系。相对于灯泵浦结构而言,LD 泵浦在泵浦结构以及光强分 布上有很大的差异 ,激光介质横截面内的温度分布不再是沿径向的二次曲线的变化关 系;激光棒内沿 X ,Y 轴的径向稳态温度分布也不相同,这与 LD 泵浦结构引起的棒内非 均匀热源分布有关。冷却场的分布也对激光棒温度分布有影响。假设激光棒截面底部 入水 ,顶部出水 ,则冷却水从棒截面底部到顶部 产生温度梯度 ,形成非均匀冷却场 (入水口和出水口的水温相差 3)。 16 图3-3 激光棒截面内瞬态温度场分布 图3-4 热源的高斯强度近似QLD和均匀强度近似 Qf 下的激光棒截面内稳态温度场分布图 模拟结果如图 3-5 所示 ,由图 3-5 可知在热源的均匀近似下 ,冷却场的不均匀也 会导致激光棒的温度分布偏离二次曲线关系。可见 ,非均匀冷却场进一步加剧了温度 17 分布的不对称性 ,使激光棒温度分布变得更加复杂。 图3-5 不同热源和冷却场条件下 激光棒内稳态温度场分布图 3.33.3 讨论讨论 激光器泵浦采用三角卡网式柱透镜聚光结构，采用此结构设计的激光器，泵浦系 统效率提高18%。获得了波长1.06 m、脉冲宽度1012 ns、最大能量98 mJ 的低阶 膜激光输出。通过对侧面泵浦Nd: YA G晶体的温度分布进行了数值模拟。模拟结果表 明:LD泵浦结构及光强分布特性使激光棒内温度场偏离闪光灯泵浦的径向二次曲线模型； 即使对称泵浦条件下,激光光束在x 和Y方向也会受到不对称的热效应影响。这解释了 对称泵浦下,激光束在X和Y方向发散度不同的物理现象。因此,泵浦场和冷却场共同作 用会加剧温度分布的X和Y方向的不对称性,使激光器的工作条件恶化,激光束输出质量 下降。热效应在水平和垂直方向对激光光束质量的影响是不同的。热效应产生的类透 镜会聚作用不对称,是导致激光器输出光束M2x 和M2y 不同的原因之一。 18 4 4 总结总结 本论文主要对 Nd:YAG 激光器进行设计与研究，分析和讨论了 LD 侧面泵 浦 Nd:YAG 激光器的热效应受影响的各种因素：1.棒中心区域温升较快 ,表面温 升较慢;达到稳态后 ,形成了中心温度高、表面温度低的分布；2. 在热源的均 匀近似下 ,冷却场的不均匀也会导致激光棒的温度