李萌萌,楊 飛,趙上龍,高蘭蘭

(長春理工大學理學院,吉林 長春 130000)

1 引 言

1960年,工程師梅曼使用紅寶石制作出第一臺激光器[1],此后激光器件及其技術得到快速發(fā)展,Nd∶YAG激光器、鈦藍寶石激光器等應運而生,固體激光器進入了一個快速發(fā)展的時期[2]。隨著人們對大功率固體激光器的深入研究,固體激光器中激光晶體的熱效應——這一限制提高激光器輸出功率和光束輸出質(zhì)量的主要障礙,成為熱門的研究方向[3]。在固體激光器運行時,由于量子虧損、下激光能級與基態(tài)之間能差轉化為熱量、激光猝滅等原因會產(chǎn)生大量的熱量,進而導致激光晶體內(nèi)部溫度分布不均勻,引起晶體的熱透鏡效應[4-8]。而利用鍵合技術將YAG晶體與Nd∶YAG晶體鍵合構成復合晶體,作為激光器的工作物質(zhì),可以有效減少激光晶體的熱效應,使用復合晶體的激光器具有可靠性高、峰值功率高光斑質(zhì)量好的優(yōu)點[9-12]。

本文采用四種不同結構的復合Nd∶YAG晶體,其中首次提出了側面鍵合YAG晶體和端面&側面鍵合YAG晶體的復合晶體結構,并通過Comsol有限元分析仿真軟件對四種激光晶體在相同工作條件下達到穩(wěn)態(tài)時的溫度場分布進行模擬仿真[13-15],得到不同泵浦功率下的激光晶體內(nèi)部的溫度分布,并結合實驗數(shù)據(jù)對模擬仿真的結果進行驗證。結果表明,在理想的冷卻條件下,在Nd∶YAG晶體端面鍵合YAG晶體可以有效減少晶體的熱效應；側面導熱系數(shù)比較小時,側面及端面雙重鍵合結構是降低晶體熱效應的有效方法。

2 晶體溫度分布模型建立

本研究中使用的Nd∶YAG晶體有四種結構,一種為傳統(tǒng)晶體,即內(nèi)部均勻摻雜Nd3+離子的Nd∶YAG激光晶體(如圖1(a)所示)；另外三種為復合晶體,即在均勻摻雜Nd3+離子的Nd∶YAG激光晶體兩端或側面利用擴散鍵合的方式鍵合不摻雜的YAG晶體(如圖1(b)、(c)、(d)所示)。四種晶體結構如下:(1)3 mm×3 mm×10 mm均勻摻雜Nd∶YAG晶體；(2)兩個端面分別鍵合3 mm長YAG晶體的3 mm×3 mm×10 mm Nd∶YAG復合晶體；(3)側面鍵合厚度1 mm的YAG晶體5 mm×5 mm×10 mm復合Nd∶YAG晶體；(4)四個側面分別鍵合厚度1 mm的YAG晶體,兩個端面分別鍵合3 mm長的YAG晶體的5 mm×5 mm×10 mm Nd∶YAG晶體。因為不摻雜的YAG晶體對泵浦光無吸收,有利于將晶體中的熱量從摻雜部分擴散至非摻雜部分,再通過冷卻裝置將熱量散發(fā),復合晶體的散熱效果要優(yōu)于傳統(tǒng)晶體。此外,由于復合晶體的內(nèi)部最高溫度點位于晶體內(nèi)部,而非傳統(tǒng)晶體的端面,對晶體端面鍍膜的破壞也得到有效的降低。為了比較四種結構的Nd∶YAG晶體的散熱性能,在端面泵浦的條件下,對其工作達到穩(wěn)態(tài)時的內(nèi)部溫度分布進行模擬仿真。

圖1 Nd∶YAG晶體結構

通過熱動力學分析可知,整個晶體處于穩(wěn)態(tài)時的熱傳導方程為:

(1)

泵浦光轉化的熱量為:

exp(-α·z)

(2)

其中,x,y,z分別為Nd∶YAG晶體的端面坐標和軸向坐標,晶體的坐標原點位于泵浦端晶體鍵合面中心;ωp為泵浦光在晶體中傳輸?shù)墓馐霃?；ηh為泵浦能量轉化為熱量的比例系數(shù)；pin為泵浦功率；α為Nd∶YAG對泵浦光的吸收系數(shù)；k為Nd∶YAG的熱導率。

上述方程中取ηh=35 %,α=3.5 cm-1,ωp=200 μm,k=13 Wm-1K-1,Nd∶YAG晶體與空氣接觸的端面的熱交換系數(shù)取h=50·cm-2·K-1,與金屬底座接觸的側面熱交換系數(shù)取h=10000 cm-2·K-1,設Te(環(huán)境溫度)=20 ℃,金屬底座溫度取TC=18 ℃,泵浦功率分別取pin=30W和pin=18 W[16-20]。

3 模擬結果與實驗數(shù)據(jù)

使用Comsol有限元仿真軟件中的熱傳導模塊對四種激光晶體在激光器中達到穩(wěn)態(tài)時的溫度場分布進行模擬。

當泵浦功率pin=30 W時,獲得的模擬結果如圖2～圖5所示。

當激光器工作達到穩(wěn)態(tài)時,晶體內(nèi)部的最高溫度和最低溫度如表1所示。

當把泵浦功率降低至pin=18 W時,激光器工作達到穩(wěn)態(tài)時,晶體內(nèi)部的最高溫度和最低溫度如表2所示。

圖2 晶體溫度分布

圖3 晶體(2)穩(wěn)態(tài)時的溫度分布

圖4 晶體(3)穩(wěn)態(tài)時的溫度分布

圖5 晶體(4)穩(wěn)態(tài)時的溫度分布

表1 四種晶體泵浦功率pin=30 W時晶體內(nèi)最高、低溫度

表2 四種晶體在泵浦功率pin=18 W時晶體內(nèi)最高、低溫度

同時由Comsol模擬結果得到四種激光晶體在泵浦功率分別為18 W和30 W時,達到穩(wěn)態(tài)工作時晶體內(nèi)部的最高溫度點Z軸坐標,如表3所示。

表3 四種晶體在激光器達到穩(wěn)態(tài)時晶體內(nèi)最高溫度點坐標

通過對比表1和表2的晶體最高溫度可知,側面鍵合晶體(3)的最高溫度最高,在泵浦功率為30 W和18 W時,分別達到157.507 ℃和102.498 ℃,說明側面鍵合在一定情況下會阻礙激光晶體的散熱。兩種泵浦功率情況下,最高溫度最低的均是端面鍵合晶體。說明端面鍵合是改善晶體散熱的有效方法。對比端面鍵合,側面鍵合和端面&側面鍵合三種晶體結構,發(fā)現(xiàn)端面&側面鍵合晶體的最高溫度介于端面鍵合及側面鍵合之間,且更接近于端面鍵合晶體,原因是端面鍵合的有效性被側面鍵合的阻礙所平衡,因此雖然第四種晶體在摻雜晶體外側都鍵合了YAG晶體,但是散熱效果并不理想。

從表3可以看出,均勻摻雜和側面摻雜的晶體最高溫度點位于晶體泵浦端的端面,由于該位置對泵浦光的吸收最強,并且與空氣接觸散熱較差,故溫度最高。我們采用波長為808 nm的半導體激光器作為泵浦源,泵浦功率為18 W,分別以四種Nd∶YAG激光晶體為工作物質(zhì)進行實驗,測量固體激光器達到穩(wěn)態(tài)時波長為1064 nm激光的輸出功率,得到圖6所示的激光器輸出功率曲線。

圖6 四種激光晶體在泵浦功率為18 W時的功率曲線

由圖6可知在LD最大工作電流為40 A(輸出功率為18 W)時,分別使用四種晶體的1064 nm激光的最大輸出功率分別為6 W、9.3 W、11.2 W和12.1 W,若進一步提高泵浦功率,均勻摻雜的晶體(1)輸出激光光斑已不是TEM00模,由此可知晶體內(nèi)熱效應產(chǎn)生的溫度場已經(jīng)影響到激光器的輸出光束質(zhì)量。與此同時,三種復合晶體輸出的激光仍為基模。從圖6可以看出,鍵合結構可以有效改善激光晶體的散熱,提高激光器的輸出功率。在三種復合晶體中,端面&側面鍵合的晶體(4)輸出功率最高,在泵浦功率為18 W時,激光器的最大輸出功率為12.1 W,轉化效率為67.2 %。曲線要明顯優(yōu)于另外兩種結構的復合晶體；在LD工作電流為40 A時,相較于側面鍵合晶體(3),端面&側面鍵合晶體(4)的輸出功率要提高5 %。實驗中,端面&側面鍵合晶體的輸出功率優(yōu)于僅端面鍵合和側面鍵合的情況,與理論模擬不完全符合,可能的原因是由于晶體通光長度比較長,在激光晶體與晶體座裝調(diào)過程中,晶體側面與晶體座直接接觸,沒有使用軟金屬銦箔,導致接觸不緊密,影響到散熱效果的原因。

4 模擬結果與實驗分析

由于在激光器實際工作時冷卻方式不同,或者激光晶體與冷卻裝置接觸不緊密等原因,激光晶體的散熱情況會有很大的不同。為了研究該因素對于上述四種激光晶體的溫度場分布的影響,并驗證對實驗結果的判斷,我們在泵浦功率為30 W時,將激光晶體側面換熱系數(shù)降低至h=2000 cm-2·K-1,通過Comsol模擬計算出四種激光晶體在穩(wěn)態(tài)時內(nèi)部的最高溫度和最低溫度。模擬結果如表4所示。

表4 換熱系數(shù)調(diào)整后四種晶體內(nèi)最高、低溫度

通過將表1與表4的數(shù)據(jù)對比可知,傳統(tǒng)晶體的散熱效果仍然最差,最高溫升最大,側面鍵合YAG晶體的晶體(3)次之；相較于換熱系數(shù)h=10000 cm-2·K-1,當換熱系數(shù)降低至h=2000 cm-2·K-1時,端面&側面鍵合YAG晶體的晶體(4)散熱效果要明顯優(yōu)于只有端面鍵合YAG晶體的晶體(2)。說明在換熱系數(shù)比較小,或?qū)嵝阅鼙容^差的情況下,側面鍵合可以有效提高晶體的導熱性能。與我們的實驗結果相吻合。

5 結 論

本論文通過使用Comsol有限元仿真軟件中的熱傳導模塊對四種激光晶體在激光器中達到穩(wěn)態(tài)時的溫度場分布進行模擬,得出鍵合晶體是有效改善激光晶體散熱,提高光束質(zhì)量的有效方法。鍵合晶體的結構與激光晶體的冷卻方式或晶體側面的換熱系數(shù)有關,當換熱系數(shù)較大為h=10000 cm-2·K-1時,泵浦功率為Pin=30 W的情況下,比較四種晶體結構的最高溫度。側面鍵合的晶體最高溫度最高為157.507 ℃,比均勻摻雜未鍵合的的晶體最高溫度153.518 ℃高,端面鍵合的激光晶體的最高溫度最低為114.309 ℃。說明側面鍵合在一定情況下會阻礙激光晶體的散熱,與側面鍵合相比,端面鍵合是提高晶體散熱性能的最有效的方法。同時,當換熱系數(shù)為h=2000 cm-2·K-1,泵浦功率為30 W時,比較四種晶體結構的最高溫度。均勻摻雜的晶體最高溫度最高為212.014 ℃,端面&側面鍵合晶體的最高溫度最低為134.410 ℃。在實驗方面,采用LDA作為泵浦源,在泵浦功率為18 W時,得到側面與端面雙重鍵合的Nd∶YAG的1064 nm輸出功率最高,為12.1 W,轉換效率為67.2 %,實驗結果與理論模擬結果相符合?？梢缘贸鰧τ诶鋮s效果不是很好的激光器,端面&側面鍵合結構更有利于降低激光晶體內(nèi)部的熱效應。且隨著泵浦功率的增加,復合晶體輸出的激光光斑仍舊保持基模狀態(tài),而均勻摻雜的晶體輸出激光光斑則不再是基模狀態(tài)。此研究對于以后的復合結構激光晶體的設計加工具有一定的指導意義。

致 謝:感謝福州聚光光電技術有限公司提供的晶體支持。