高光波，任士龍，李 棟，鄭四木，胡文華

（中航工業(yè) 北京航空制造工程研究所，北京 100024）

引 言

隨著激光二極管技術(shù)的迅猛發(fā)展和批量生產(chǎn)，激光二極管泵浦的固體激光器在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越廣。一方面人們利用激光二極管的熱特性突破原來(lái)燈泵固體激光器的極限，在試驗(yàn)室（國(guó)內(nèi)）或軍用領(lǐng)域（美國(guó)）獲得更高的連續(xù)功率、輸出能量和更高的重復(fù)頻率，例如美國(guó)諾格公司的100kW固體Nd∶YAG激光器用來(lái)取代化學(xué)激光器作為激光武器［1］；另一方面在更加龐大的激光加工市場(chǎng)，連續(xù)泵浦的激光器也逐漸取代燈泵激光器，并且隨著應(yīng)用的日益廣泛其價(jià)格也越來(lái)越低廉，優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯，例如激光打標(biāo)用的50～100W連續(xù)模塊。

但在較低的重復(fù)頻率（低于200Hz）和中等能量輸出（mJ到J級(jí)）脈沖激光器方面二極管泵浦固體激光器的優(yōu)勢(shì)與燈泵激光器相比并沒(méi)有那么明顯。一方面由于重復(fù)頻率低，而脈沖氙燈的更換既方便又廉價(jià)，因此壽命較長(zhǎng)的激光二極管的優(yōu)勢(shì)沒(méi)有體現(xiàn)出來(lái)；另一方面由于使用數(shù)量不大，不能形成規(guī)模效應(yīng)，所以激光二極管生產(chǎn)廠家在這方面投入較小，激光二極管性能的優(yōu)勢(shì)不足以抵消價(jià)格偏高的缺點(diǎn)；還有一點(diǎn)，由于激光二極管使用時(shí)必須采用溫度控制系統(tǒng)對(duì)其溫度進(jìn)行控制，這會(huì)增加激光器的體積和重量，并且在環(huán)境溫度變化較大時(shí)需要預(yù)熱，這也造成使用不便。這類脈沖激光器主要應(yīng)用于激光加工的打孔機(jī)、激光測(cè)距機(jī)、目標(biāo)指示器和小型的干擾機(jī)等［2］。

目前準(zhǔn)連續(xù)激光二極管泵浦模塊的價(jià)格正在逐年下降，在某些需要較高重復(fù)頻率和較好光束質(zhì)量的應(yīng)用領(lǐng)域，激光二極管泵浦也得到越來(lái)越多的應(yīng)用。本文研制的準(zhǔn)基模250mJ、25Hz純風(fēng)冷激光器，一方面要求光束質(zhì)量較高，另一方面在25Hz下要求純風(fēng)冷運(yùn)行，如果采用閃光燈泵浦要到達(dá)這兩方面要求非常困難，因此采用了激光二極管泵浦。

1 激光器設(shè)計(jì)

除光束質(zhì)量高和風(fēng)冷運(yùn)行的特點(diǎn)外，對(duì)激光器使用環(huán)境也有要求，要求工作溫度－30～＋55℃，儲(chǔ)存溫度－40～＋60℃。因此根據(jù)其指標(biāo)特點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。圖1是系統(tǒng)的光路原理圖。

圖1 系統(tǒng)光路原理圖Fig.1 Schematic diagram of optical system

系統(tǒng)采用振蕩器＋2級(jí)功率放大的技術(shù)路線。振蕩器采用LiNbO3晶體調(diào)Q，脈沖寬度7ns，能量50mJ，采用拉長(zhǎng)腔長(zhǎng)和小孔限模獲得準(zhǔn)基模輸出，采用光楔對(duì)提高本振輸出的穩(wěn)定性。本振輸出經(jīng)過(guò)透鏡L1、L2耦合，擴(kuò)束到適當(dāng)口徑進(jìn)入放大級(jí)，兩個(gè)放大級(jí)具有同樣參數(shù)。放大級(jí)之間為像傳遞系統(tǒng)，由透鏡L3、L4、90°石英旋光器和真空管組成，用于補(bǔ)償熱致雙折射和熱透鏡。M1～M4為45°入射全反鏡，與棱鏡相同用來(lái)轉(zhuǎn)折光路，放大后的激光經(jīng)過(guò)一個(gè)5倍望遠(yuǎn)系統(tǒng)整形輸出。

采用以上技術(shù)路線主要出于以下幾點(diǎn)考慮：（1）本振激光器能量比較低，容易獲得準(zhǔn)基模輸出；（2）采用兩個(gè)相同的放大級(jí)并結(jié)合像傳遞系統(tǒng)補(bǔ)償放大級(jí)的熱致雙折射和熱透鏡效應(yīng)，以保持高光束質(zhì)量；（3）本振加上放大結(jié)構(gòu)可以降低各個(gè)光學(xué)元件不準(zhǔn)直對(duì)激光輸出的影響，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性；（4）將泵浦能量分散有利于風(fēng)冷散熱。

系統(tǒng)共采用了三個(gè)激光二極管側(cè)泵模塊，本振泵浦頭由30只100W準(zhǔn)連續(xù)拔條組成，沿棒周從5個(gè)方向泵浦，共6圈；兩個(gè)放大泵浦頭由60只100W拔條組成，從5個(gè)方向泵浦共12圈。本振泵浦頭棒Φ3×65mm，放大棒尺寸Φ6×120mm，摻雜濃度均為0.7at%。泵浦頭的散熱與溫控設(shè)計(jì)是系統(tǒng)成功的關(guān)鍵，將泵浦頭的散熱分為兩部分：激光工作物質(zhì)的散熱和激光二極管的溫度控制。

2 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

激光二極管（LD）的波長(zhǎng)隨溫度變化而變化，根據(jù)以往對(duì)風(fēng)冷半導(dǎo)體激光二極管泵浦的研究，其輸出波長(zhǎng)的漂移與溫度的關(guān)系約為0.3nm／℃左右，只要將LD的溫度控制在1℃以內(nèi)，就能夠有效防止LD的波長(zhǎng)漂移。為保證穩(wěn)定的性能，必須采取措施對(duì)LD的工作環(huán)境的溫度進(jìn)行控制［3］。

二極管的冷卻部分可分為三個(gè)獨(dú)立的冷卻單元，分別對(duì)一級(jí)本振及二級(jí)放大二極管單元模塊進(jìn)行精確溫制，控溫精度±1℃，采用半導(dǎo)體制冷的風(fēng)冷結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)如圖2所示，冷卻單元由半導(dǎo)體制冷片、熱沉、散熱器、風(fēng)扇及溫控系統(tǒng)等組成。該方案的重點(diǎn)在于，解決制冷器注入電功率設(shè)計(jì)、制冷器熱端散熱設(shè)計(jì)及提出減小各接觸面之間熱阻的有效措施。

圖2 風(fēng)冷單元結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of air cooling unit

2.1 熱電制冷設(shè)計(jì)

熱電制冷效率的提高，除了其本身制造材料和制造工藝的因素外，主要取決于其散熱、傳冷方式及良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由于熱電制冷器的散熱量等于其制冷量與輸入功率之和，所以重點(diǎn)解決好其散熱問(wèn)題將對(duì)制冷效率的提高起到至關(guān)重要的作用［4］。

當(dāng)熱電制冷器穩(wěn)定工作時(shí)，其熱傳導(dǎo)方程為：

第三類邊界條件為［5］：

由式（1）并結(jié)合邊界條件式（2）和式（3），可解得熱電制冷電偶對(duì)內(nèi)的溫度分布為：

則冷端制冷量為：

熱端散熱量為：

輸入功率為：

輸入電壓為：

制冷系數(shù)為：

2.2 設(shè)計(jì)過(guò)程

針對(duì)二極管冷卻單元方案設(shè)計(jì)過(guò)程分三步：

（1）用工程經(jīng)驗(yàn)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)指導(dǎo)方案設(shè)計(jì)，初步選擇制冷器型號(hào)、數(shù)量及注入功率，散熱器選材及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，初步確定風(fēng)機(jī)參數(shù)；

（2）計(jì)算機(jī)仿真進(jìn)一步驗(yàn)證、優(yōu)化冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案；

（3）最終通過(guò)環(huán)境試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)冷卻系統(tǒng)性能。

實(shí)踐證明該方法在激光器熱管理中的應(yīng)用有效可行，并為激光器冷卻系統(tǒng)系列化、模塊化打下基礎(chǔ)，圖3為二級(jí)放大冷卻單元中散熱器及風(fēng)機(jī)選擇仿真優(yōu)化結(jié)果。

圖3 二級(jí)放大Icepak熱分析圖Fig.3 Two－stage amplifying Icepak thermal analysis

對(duì)于激光工作物質(zhì)散熱采用了兩種冷卻方案，因?yàn)樵趥?cè)面泵浦的情況下，泵浦和散熱都需要通過(guò)激光棒的側(cè)面進(jìn)行，激光工作物質(zhì)的散熱也存在較大的困難。經(jīng)過(guò)幾種方法的嘗試，當(dāng)重復(fù)頻率小于25Hz時(shí)，最終采用的方案是沿棒的軸線方向上，散熱與泵浦交替進(jìn)行，即一段泵浦一段散熱以獲得近似圓對(duì)稱的泵浦和散熱，滿足了激光器25Hz工作指標(biāo)要求。當(dāng)將重復(fù)頻率提高到50Hz時(shí)，連續(xù)工作時(shí)間超過(guò)2 min能量下降比較厲害，激光二極管的溫度可以控制得住，但棒的熱透鏡效應(yīng)過(guò)于嚴(yán)重。因此對(duì)激光工作物質(zhì)采用單獨(dú)水冷的冷卻方式，即增加一個(gè)微型水泵和水箱組成一個(gè)小的水循環(huán)系統(tǒng)對(duì)激光工作物質(zhì)水冷，最終得到穩(wěn)定的高質(zhì)量激光輸出。

3 結(jié)果及分析

三個(gè)泵浦頭的溫度均控制在30℃，本振85A（脈寬220μs，Imax＝100A），放大65A，65A（脈寬220μs，Imax＝100A）時(shí)，1Hz得到最大292mJ能量輸出，經(jīng)計(jì)算光光轉(zhuǎn)換效率12.7%；25Hz時(shí)能量最初30s為290mJ，經(jīng)過(guò)2min后穩(wěn)定在245mJ，光光轉(zhuǎn)換效率為10.7%；50Hz時(shí)最初30s為295mJ，之后持續(xù)下降到5min時(shí)為190mJ，并沒(méi)到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。圖4是5min連續(xù)工作時(shí)間內(nèi)1Hz、25Hz和50Hz能量變化趨勢(shì)。

接下來(lái)進(jìn)行高溫試驗(yàn)，升溫到＋55℃，開(kāi)機(jī)5min后本振溫度32.3℃，放大一32.3℃，放大二32℃，激光器開(kāi)始25Hz工作，圖5是5min內(nèi)能量變化趨勢(shì)，5min工作結(jié)束后本振溫度34.1℃，放大一32.3℃，放大二31.4℃。

低溫試驗(yàn)，環(huán)境溫度－25℃，開(kāi)機(jī)3min后到達(dá)溫度點(diǎn)29℃，圖6是25Hz時(shí)5min能量變化趨勢(shì)。

圖4 5min連續(xù)工作時(shí)間內(nèi)1Hz、25Hz和50Hz能量變化趨勢(shì)Fig.4 Working continuously for 5min，1Hz，25Hz and 50Hz energy trend

圖5 高溫＋55℃5min內(nèi)25Hz能量變化Fig.5 High temperature＋55℃，repetition frequency 25Hz，the energy change within 5min

圖6 低溫－25℃5min內(nèi)25Hz能量變化Fig.6 Low temperature－25℃，repetition frequency 25Hz，the energy change within 5min

從圖3可以看出這種泵浦和散熱結(jié)構(gòu)在50Hz時(shí)無(wú)法正常工作，主要原因是棒的熱透鏡效應(yīng)太嚴(yán)重。因此對(duì)激光棒采用一個(gè)微型水泵和一個(gè)水箱進(jìn)行單獨(dú)水冷，激光二極管仍采用熱電制冷片冷卻，這樣可以不用冷機(jī)對(duì)冷卻循環(huán)水進(jìn)行溫度控制。在本振80A（脈寬220μs，Imax＝100A），放大65A，65A（脈寬220μs，Imax＝100A）時(shí)，50Hz能量340mJ，光－光轉(zhuǎn)換效率15.2%。圖7是常溫50Hz連續(xù)工作時(shí)間5 min內(nèi)能量變化趨勢(shì)。

圖7 風(fēng)冷水冷結(jié)合方式50Hz連續(xù)工作時(shí)間5min內(nèi)能量變化Fig.7 Air－cooled and water－cooled combination way，repetition frequency 50Hz，the energy change within 5min

利用M2因子測(cè)試儀器對(duì)激光器的輸出進(jìn)行了測(cè)試，激光束經(jīng)過(guò)一個(gè)透鏡后測(cè)量焦點(diǎn)處的光斑分布并與理想光束進(jìn)行對(duì)比，得出M2因子值。儀器型號(hào)為美國(guó)PHOTON公司ModeScan1780型M2因子測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)得垂直和水平方向M2因子分別為2.81和4.09。圖8和圖9為風(fēng)冷方式25Hz工作時(shí)的測(cè)試結(jié)果。

圖8 激光器遠(yuǎn)場(chǎng)光斑分布Fig.8 Laser far field intensity

圖9 激光器M2因子測(cè)試結(jié)果Fig.9 Test results of laser M2 factor

通過(guò)測(cè)量風(fēng)冷方式25Hz時(shí)激光器輸出光斑口徑和光束發(fā)散角，計(jì)算得到輸出光束的衍射極限倍數(shù)β因子垂直和水平方向分別為2.45和3.659mm·mrad，這個(gè)數(shù)值與M2值測(cè)試結(jié)果基本吻合。圖10是不同距離處激光器輸出光斑圖樣。

從圖中可以看出激光器輸出光斑有比較明顯規(guī)則的衍射環(huán)，這種圓孔菲涅耳衍射是衍射與干涉共同作用的結(jié)果，孔邊緣處各點(diǎn)發(fā)生衍射，相鄰各點(diǎn)之間相互干涉形成干涉環(huán)。干涉環(huán)靠近邊緣較粗且清晰度高，向中心條紋變細(xì)幅度變低。在傳輸過(guò)程中條紋逐漸變粗變少，最終在遠(yuǎn)場(chǎng)形成中心強(qiáng)邊緣弱的高斯分布圖樣。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)激光束的直徑越大，則變?yōu)楦咚狗植妓枰木嚯x越長(zhǎng)，在光束直徑為6mm時(shí)（不加擴(kuò)束）距出口大約10m處光斑就變?yōu)楦咚狗植迹鴶U(kuò)束到26mm以后，距出口45m處還是邊緣強(qiáng)中心虛的空心結(jié)構(gòu)，但邊緣強(qiáng)區(qū)已明顯變粗，到100m處菲涅耳衍射環(huán)已完全消失。

圖10 風(fēng)冷方式25Hz不同距離激光器輸出光斑圖樣Fig.10 Air cooling mode，repetition frequency 25Hz，different distance，laser speckle pattern

菲涅爾衍射產(chǎn)生的原因是激光器系統(tǒng)中的一些小孔造成的，在本激光器中包括本振和各級(jí)放大的激光棒，以及本振中的限模光闌等。為消除近場(chǎng)光束分布的菲涅耳衍射現(xiàn)象，有幾個(gè)方法：（1）采用軟邊光闌；（2）采用像傳遞系統(tǒng)并用小孔限模；（3）增大放大級(jí)激光工作物質(zhì)口徑，使本振光不會(huì)充滿放大級(jí)的激光棒等等［7］。軟邊光闌是在光束口徑附近作出一圈透射率漸變的環(huán)，遮住衍射環(huán)強(qiáng)區(qū)一部分光，與中心光強(qiáng)取齊，這樣會(huì)損失一部分能量，該方法只在一段距離內(nèi)有作用。像傳遞系統(tǒng)采用兩個(gè)凸透鏡，在凸透鏡焦點(diǎn)處放置光闌進(jìn)行限模，小孔光闌的尺寸非常關(guān)鍵。單純追求近場(chǎng)光斑均勻性會(huì)增加激光器成本，需要對(duì)激光器光學(xué)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，同時(shí)還會(huì)損失部分能量。

4 結(jié) 論

采用激光二極管泵浦Nd∶YAG激光器獲得純風(fēng)冷25Hz，250mJ激光輸出，脈沖寬度7ns，連續(xù)工作時(shí)間5min，輸出光束的衍射極限倍數(shù)β因子垂直和水平方向分別為2.45和3.659mm·mrad，M2因子分別為2.81和4.09，光光轉(zhuǎn)換效率12.7%。采用風(fēng)冷水冷結(jié)合結(jié)構(gòu)獲得50Hz，340mJ穩(wěn)定輸出，光光效率15.2%，連續(xù)工作時(shí)間可以增長(zhǎng)到0.5h或以上。系統(tǒng)通過(guò)了高低溫工作、高低溫儲(chǔ)存和沖擊振動(dòng)等環(huán)境試驗(yàn)，其中高溫＋55℃，低溫－25℃。

激光器的光光轉(zhuǎn)換效率不高，原因有以下幾點(diǎn)：因?yàn)閷?duì)光束質(zhì)量有較高的要求，因此采用了一些措施對(duì)激光模式進(jìn)行限制；為提高可靠性和泵浦均勻性對(duì)激光二極管泵浦模塊進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，會(huì)犧牲一部分激光二極管的泵浦效率；因體積限制，光路折疊使用的45°入射全反鏡、棱鏡以及最終輸出的擴(kuò)束系統(tǒng)對(duì)能量損耗也比較大。放大級(jí)增益在2.4左右，因本振能量較低，第一放大級(jí)能量提取不充分（約80mJ）。激光輸出雖然是準(zhǔn)基模，但近場(chǎng)光斑具有衍射環(huán)，因?yàn)閷?duì)實(shí)際使用影響不大，未作改進(jìn)，應(yīng)該可以在將來(lái)的設(shè)計(jì)中改進(jìn)并消除。

［1］任國(guó)光，黃裕年.戰(zhàn)術(shù)高能激光武器的發(fā)展現(xiàn)狀和未來(lái)［J］.激光技術(shù)，2002，32（4）：211－217.

［2］李 莊.激光器的新進(jìn)展［J］.激光生物學(xué)報(bào)，1998，7（2）：135－137.

［3］程?hào)|明.杜艷麗.半導(dǎo)體激光器散熱技術(shù)研究及進(jìn)展［J］.電子與封裝，2007，7（3）：277－280.

［4］陳桔.散熱方式影響半導(dǎo)體制冷效率的實(shí)驗(yàn)研究［J］.實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2005，12（4）：27－28.

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［6］馬健，曹吉軍，齊志國(guó).染料調(diào) Q的 Nd＋3∶YAG激光器偏振性測(cè)試［J］.光學(xué)儀器，2011，33（2）：1－5.

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