一种缓解染料激光放大器窗口镜片烧伤的方法研究

颜石

【摘 要】本文通过观察染料激光放大器窗口镜片的烧伤状态，分析出泵浦激光的热量积累是导致窗口镜片烧伤的主要原因。通过在电动平移台上装载染料池的方式，使染料池循环移动避免热量的长时间积累，使烧伤被极大程度缓解。

【关键词】染料池；烧伤

0 引言

在当前染料激光器功率放大器中，容纳染料溶液增益介质的容器称为染料池，染料池有开放式和封闭式两种。当染料或者溶剂易挥发或有毒时，就要使用封闭式染料池以保安全。染料池窗口镜片内壁较容易产生烧伤，影响激光光斑的能量分布和功率。本文通过研究染料池窗口镜片烧伤机理，提出了一种极大程度缓解窗口镜片烧伤的方法，将烧伤形成时间延缓了二十倍以上。

1 染料池窗口镜片烧伤分析

染料泵运行时，染料在染料池内循环流动，种子激光透过染料池，泵浦激光经过藕合头聚焦缩束至和种子光直径一致的激光，在染料池内和种子激光重叠，从而进行激光功率放大。染料池窗口镜片存在抗损伤阈值，由于泵浦光功率高于种子光功率，抗损伤阈值一般所指即为泵浦激光功率密度不可高于窗口镜片阈值。

在染料激光功率放大器内，若染料池窗口镜片发生烧伤，将严重影响该放大器之后的激光光斑圆度和能量分布，功率放大效率也会大幅度降低。为了实现长时间的连续运转，就要尽力避免窗口镜片烧伤的情况发生，调节时要使泵浦光功率密度低于窗口镜片损伤阈值。由于泵浦激光功率恒定，为了降低功率密度，需使泵浦激光在染料池内的光斑面积较大，同时匹配着泵浦光直径的种子光面积也要增加。降低泵浦功率密度虽可令窗口镜片烧伤减缓，但同时也降低了放大器的放大效率，导致激光功率达不到要求。因此，一般会在窗口镜片损伤阈值临界处确定泵浦光的功率密度。

在该研究中，种子光和泵浦光功率都是确定不变的，将泵浦激光功率密度调至镜片损伤阈值，之后运行放大器。将一个染料池更换成全新未使用的窗口镜片，统计镜片开始发生烧伤的时间。总共进行三次，镜片发生烧伤时间分别为3小时50分钟，4小时，4小时15分钟。可以确定当前特定条件下，镜片产生烧伤时间约为4小时。

为了解窗口镜片烧伤形成过程，使用显微镜对窗口镜片进行观察。起初镜片不存在烧伤点，在放大器运行2小时后，镜片开始产生直径约为1微米甚至更小的烧伤点，烧伤位置随机分布。3小时后，烧伤点开始较为密集地出现，4小时后烧伤点开始联结成片，形成大约直径50微米的大面积块状区域的镜片结构性损伤，至此，可影响到宏观的激光光斑能量分布和功率的烧伤正式形成，此时激光光斑已可肉眼看出明显的能量分布不均的现象。将泵浦激光功率密度调至4倍于镜片损伤阈值，则在5分钟左右即开始出现烧伤现象。由此可以得出结论，热量的积累是镜片烧伤的主要原因。

封闭式染料池内部染料由染料泵形成循环，刷新染料并将泵浦光形成的热量带走。在染料池腔内，靠近中心位置的染料流速最快，靠近窗口镜片内壁位置处最慢，这表示窗口内壁处热量很容易大量积累。虽然可以通过增加染料泵循环速度使热量流失，但这也必将使染料泵内压过度增大，管道接口处等位置容易脱落，且受限于染料泵的性能，流速提高的非常有限。

2 缓解烧伤的方法

为避免热量过多积累在一处，将染料池安装在一个电动平移台上，通过对电动平移台连接的运动控制器编程，使染料池以指定的方式循环运动起来，即通过额外设备使染料池热量聚集点不断变化，由此便可以避免热量的堆积。在控制器编程中，设定染料池移动速度为每秒运动1毫米，保证窗口镜片工作区域的充分利用，染料池移动10毫米后再反向移动，染料池不断往复运动，热量积累被大幅度缓解。

该方法的核心为运动控制器和电动平移台。运动控制器内安装有PLC可编程控制器，集成几十种语句，可编入多达99条程序并储存，使用方便，成本低廉，即能编程运行又可手动控制。控制器由485端口传输指令至步进电机，步进电机带动电动平移台，染料池在平移台上沿两根高精度线性导轨移动。该步进电机承载力大，运行精度高，可实现长期运转。

系统架构完毕后对其进行测试。首先对控制器编程使其连续运行100小时，步进电机重复定位精度高于2.5微米，在100小时内程序无错步情况发生，运行稳定可靠。电动平移台移动过程中产生的激光光路指向性偏折角度小于0.5微弧度，完全满足要求。

使电动平移台持续运行，在染料池上更换全新的窗口镜片并开启放大器，测量其烧伤时间，实验共进行三次，窗口镜片产生肉眼可见的烧伤时间分别为86小时，82小时和85小时。相比于未使用电动平移台之前，窗口镜片烧伤时间被延长了20倍。为激光器放大器的连续运行提供了保障。

3 结论

本文通过外接设备使染料池循环移动的方式，避免了泵浦激光热量在窗口镜片内壁同一位置的持续积累，极大程度缓解了染料池的烧伤现象，并且对光路指向性影响很小，将烧伤时间延长了20倍，实现了很大程度的缓解烧伤。

【参考文献】

[1]陈日升，张志忠，谢全新，张晓卫.准分子激光泵浦的微微秒染料激光脉冲放大器镜片烧伤研究[J].中国激光，2015（9）：29-35.

[2]孙胜广，李翔，薛涵，刘明，薛仰杰.染料激光放大器窗口镜片烧伤问题及其抑制措施[J].光学学报，2016（5）：34-38.

[3]祝京，趙雪梅，王昕.染料激光放大器窗口镜片烧伤时振动量子拍的20fs时间分辨光谱实时观测[J].激光与红外，2016（10）：17-23.

[4]彭翔，徐雷，侯占佳，刘丽英，王文澄，李富铭.染料激光放大器窗口镜片烧伤前后光谱的比较[J].激光与光电子学进展，2015（3）：38-41.

[5]赵楚军，钱列加，袁鹏，文双春，范滇元.双侧横向抽运的染料激光放大器窗口镜片烧伤实验研究[J]中国激光，2015（8）：27-35.

[6]张在宣，彭慰光，袁怿谦.基于窗口镜片烧伤问题对染料激光放大器的改进科学建议[J].量子电子学报，2016（6）：25-29.

[7]杨海皎，赖颖，邓霞，丁艳.小信号双级染料激光放大器窗口镜片的优化改进[J].激光与光电子学进展，2016（11）：45-54.

[责任编辑：朱丽娜]