复合Nd∶YAG晶体大功率1064 nm固体激光器研究

郝 旺,李 祎,高兰兰

(长春理工大学,吉林 长春 130022)

1 引 言

在固体激光器激光晶体的工作过程中,由于量子亏损、下激光能级与基态之间能差转化为热量、激光猝灭等原因会产生大量的热量,进而导致激光晶体内部温度分布不均匀,产生热透镜、端面热变形等效应。当泵浦功率输入稳定时,晶体内部便会形成稳定的温度场,引起晶体的热透镜效应,进而影响晶体折射率、限制激光器输出功率,影响Nd∶YAG激光器的性能[1]。通过键合技术将Nd∶YAG晶体键合成为复合晶体,构成激光器的谐振腔,这种激光器具有高集成、高可靠性和峰值功率高,光斑质量好等优点[2-3]。

本文采用三种不同结构的Nd∶YAG晶体,通过Comsol仿真软件对三种激光晶体在相同工作条件下的温度分布进行模拟[4],结合实验数据验证理论模拟的正确性,研究结果表明复合晶体的散热效果优于均匀掺杂Nd∶YAG晶体,激光器的输出功率提高50%,光斑质量也更优化。理论和实验结果表明,复合晶体在高质量大功率激光输出方面更加有利[5]。

2 Comsol模拟Nd∶YAG晶体温度分布

本研究使用的Nd∶YAG晶体有两种结构,一种为均匀掺杂Nd3+离子的Nd∶YAG激光晶体(如图1(a)所示),另一种为键合结构,即在均匀掺杂Nd3+离子的Nd∶YAG激光晶体两端利用扩散结合的方式键合3 mm的YAG晶体(如图1(b)所示)。由于YAG晶体对泵浦光无吸收,可以将复合晶体中的热量从掺杂部分扩散到非掺杂部分,再由制冷装置将热量散发,因此比均匀掺杂晶体的散热效果好很多,减少晶体的热膨胀,降低大量积累的热量对激光晶体折射率的影响[6]。为了对比这两种晶体的散热性能,对其在端面泵浦工作情况下,达到稳态时的温度分布进行了模拟。

图1 Nd∶YAG晶体结构

由热动力学分析可得,整个长方体晶体处于稳态时的热传导方程为:

(1)

其中:

(2)

(3)

x、y、z分别为Nd∶YAG柱体的端面坐标和轴向坐标,激光晶体的坐标原点为晶体泵浦端面中心。

Q为由泵浦光转化的热量；ωp为泵浦光在晶体中传输的光束半径；ηh为泵浦能量转化为热量的比例系数；pin为泵浦功率；α为Nd∶YAG对泵浦光的吸收系数；k为Nd∶YAG的热导率。

方程中取ηh=35%,pin= 18 W,α=3.5 cm-1,ωp=200 μm,k=13 W·m-1·K-1,激光晶体与空气接触的两个端面的热交换系数取h=50 cm-2·K-1,与金属底座接触的侧面热交换系数取h=10000 cm-2·K-1,设Te(环境温度)=20 ℃,金属底座温度取TC=18 ℃[7]。

3 模拟结果与实验数据

通过Comsol仿真软件的热传导模块对两种激光晶体在激光器工作达到稳态时的温度分布进行模拟,得到的模拟结果如图2和图3所示。

通过Comsol仿真软件模拟得到的结果如表1所示。

同时通过软件模拟得到了两种激光晶体在稳态工作时晶体内最高温度点的位置坐标,如表2所示。

图2 均匀掺杂晶体稳态时的温度分布

图3 键合3 mmYAG晶体的复合晶体稳态时的温度分布

晶体种类最高温度/℃最低温度/℃均匀掺杂晶体97.120518.6928复合晶体(3mm)89.080618.0580

表2 两种晶体在激光器达到稳态时晶体内最高温度点坐标

实验中,利用波长808 nm半导体激光器作为泵浦源,其最大输出功率为18 W,分别以3 mm×3 mm×10 mm、3 mm×3 mm×16 mm两种Nd∶YAG激光晶体为工作物质进行实验,测量激光器达到稳态时1064 nm激光的输出功率,得到图4所示的功率输出曲线。

图4 两种激光晶体的输出功率曲线

从图4中可以看出,两端有3 mm键合纯YAG的Nd∶YAG晶体在LD最大工作电流为42.5 A(输出功率为18 W)时,1064 nm激光的最大输出功率为9.3 W,均匀掺杂Nd∶YAG的输出功率为6 W,如果继续增加泵浦功率,均匀掺杂Nd∶YAG晶体的光斑不再是TEM00模,说明晶体内温度场已经严重影响激光器的工作性能。而复合晶体输出的均为基模。

4 拓展与探索

为了分析复合晶体的端面键合晶体对激光晶体在稳态工作时最高温度的影响,进行了第三种复合结构晶体的模拟,即将端面键合晶体的长度设置为5 mm(晶体结构如图5所示),利用Comsol仿真软件的热传导模块对其在激光器工作达到稳态时的温度分布进行模拟,得到的模拟结果如图6所示。

图5 两端分别有长5 mm的未掺杂YAG的复合晶体

图6 键合5 mm YAG晶体的复合晶体稳态时的温度分布

当延长复合晶体的端面键合晶体为5 mm时,激光器工作达到稳态时晶体的最高温度为88.01 ℃,比端面键合晶体为3 mm的复合晶体的最高温度下降1.07 ℃,最高温度点的位置坐标为(0.02934,0.0091596,0.93665)(单位:mm),相比端面键合晶体为3 mm的复合晶体向泵浦端面方向(即z轴负半轴方向)移动0.09 mm。

5 结论与分析

对比图2和图3的温度分布可以看出,均匀掺杂晶体的最高温度达到97.12 ℃,最高温度在晶体泵浦端的端面位置,此处对泵浦光的吸收最强,且与空气接触散热效果差,故温度最高；复合晶体(3 mm)的最高温度达到89.08 ℃,与均匀掺杂晶体相比温度下降大约8 ℃,虽然泵浦端面吸收的热量也很多,但是在增加了YAG端帽后,散热效果得到改善,最高温度位置向晶体中心方向(即z轴正半轴方向)移动；复合晶体(5 mm)的最高温度达到88.01 ℃,与复合晶体(3 mm)相比最高温度下降大约1 ℃,晶体最高温度点位置移动0.09 mm,说明在泵浦功率一定的情况下,增加纯YAG端帽结构的长度,复合晶体的散热效果更好,如果增大泵浦功率,这种优势则更加明显。

由实验结果可得,复合晶体相较于均匀掺杂晶体,通过在泵浦端键合YAG晶体,有利于晶体的散热,降低了激光晶体工作时的热效应,使得激光器的输出功率更高,光斑质量更优化；通过对两种复合晶体的模拟结果的比较发现,增长键合YAG晶体的长度对降低激光晶体的最高温度有一定的效果。在实际应用中,通过在Nd∶YAG晶体两端键合YAG晶体,可以有效降低激光晶体的热效应,提高激光器输出功率,故复合晶体具有更大的优势,更适合应用于大功率激光器。

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