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高功率固体激光器的设计与研究 |
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—以碟片激光器增益晶体的冷却方案为例
文章介绍了当今流行的冷却／散热技术，并研究了现在碟片激光器增益晶体常用的直接或热 沉水冲击冷却的冷却方案，进一步探讨了激光器增益晶体如何才能更好地冷却，从而为其承载更高功率密度的激光光斑打下基础。在此基础上将目前流行的一些散热／冷却技术运用于此方案中，以对此方案进行大幅度改进，并对改进后的方案进行仿真模拟，预计其可行性以及效果。最终综合以上分析得出了一个较为理想的方案并说明了此方案的优势。
1、技术背景
1.1、课题来源
近年来，国内外众多研究机构对高 功率碟片激光器做了大量的研究。其在材料加工等领域有广阔的市场前景。与传统的固体激光器相比，碟片激光器具有很多优势：热透镜效应很低，碟片激光亮度很高；对泵浦源亮度要求低、电光转换效率高、成本效益高—尤其是在高平均功率系统中；在内部强度不变的情况下，光束横截面与输出功率成正比；深增益饱和避免了常见于光纤激光器系统中的有害背向反射；模区横截面大，可避免一些由非线性效应所引起的问题。正是由于这些优势，碟片激光器克服了诸多传统棒状增益介质激光器无法克服的困难，从而带来了巨大的应用前景。
1.2、研究目的
通过设计优化碟片激光器冷却系 统，进一步改善碟片激光器的工作状态，实现更高的输出功率及光束质量，并降低碟片激光器使用成本。寻求比现在碟片激光器常用的直接或热沉水射流冲击冷却更好的冷却方案，对其效果模拟仿真。
1.3、国内外基本研究概况
碟片激光器近期主要研究成果有： 输出功率2kW，光束质量为2mm·mrad 的连续单碟片激光器；输出功率8kW，光束质量为8mm·mrad的连续碟片激光器；平均功率1kW的光纤耦合高功率调Q碟片激光器。当碟片激光器泵浦区面积增大时，需要能够承载更大发热功率的冷却设备以将增益介质保持在较低的温度，否则温度过高会导致光光效率降低，并且还会导致增益介质导热系数下降，从而进入恶性循环。另外，还要将增益介质各向温差梯度控制在一定范围内，否则会由于热胀冷缩造成增益介质内应力过大进而损坏。
在笔者研究中，将借鉴各领域新技术改进碟片激光器的冷却方案，以实现较好的冷却效果。
金刚石导热：即以金刚石作为导热材料，其技术亮点在于金刚石极高的导热率（高达2300w／m·K）。该技术现已经进入商用阶段（如图1）。
液相对流（介质：液态金属或其他新型冷却剂）：与水冷类似，但工质为液态金属，循环系统为全封闭式，采用无机械结构的电磁泵。其有无噪音、无震动、无损耗、机械部件极少、寿命长等优点，常用于核反应堆等。
图2 DanamicsApS公司开发的CPU用液态金属散热器
工作环境为室温大气环境，散热功率130W。目前公开的液态金属散热器用工质主要有Hg、NaK、汞齐、镓铟锡合金等。除此之外，液态金属还可用于处理散热器和发热面的接触问题，用于排除接触面间隙中空气以降低接触面区域的附加热阻。
热管导热：热管充分利用热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属。
工作原理是当热管一端受热时毛纫芯中液体吸热蒸发，蒸汽流向冷端放出热量凝结，液体再靠毛细力回流，如此循环。热管具有高导热率、高等温性、热流密度可变、热流方向可逆、环境适应性强等优点。
半导体冷却：半导体致冷优点是主动制冷；可用温控电路进行精确温控，精度可达±0.1°C；致冷组件无运动部件，工作时不产生噪音；可靠性高，冷却效率高，寿命通常高于20万小时。
2、方案论证
2.1、理论基础
碟片激光器基本设计思想是利用 面冷却较高的面积体积比，高效的冷却装置使输出激光平均功率更高，此外轴向热流有效地消除内部产生的热透镜效应（见图3）。
图3 棒式激光器和碟片激光器由于泵浦方式不同，热梯度图也不同
棒式激光增益介质需通过侧面散热，因此产生二维热流而导致抛物线热分布。由于折射率受温度影响这导致强烈的热透镜效应，从而限制了光束质量和输出功率。相比之下，碟片激光增益介质通过晶体背面进行散热，仅产生模界面一维热流。由于热梯度方向与激光传播方向平行，因此，内部热透镜效应得到有效消除。
在实际的高功率碟片激光设计中激光晶体要么附着散热片要么直接冲击冷却。
高效率散热需要的短轴向尺寸晶体泵浦能量吸收效率过低的问题可通过一个多通道配置构成的抛物面反射镜和一个向后反射系统解决，也可以耦合二极管辐射侧面的晶体（此方案最好用仅在活跃区参杂的陶瓷增益介质）。
以下部分仅对多程腔进行了讨论。用于高平均功率的典型腔系统中光学 分布见图4。
图4 碟片激光泵浦腔
准直泵浦光束进入腔内通过抛物面反射镜聚焦到激光晶体。辐射被部分吸收后，其余部分的辐射从晶体背面高反射涂层反射回来。依靠成功的通过逆向棱镜的重定向和通过抛物柱面境的重新成像，实现总数20的吸收程，从而实现了泵浦光的高效率吸收。
如此的光腔光学设计实现了对泵浦源亮度的低要求。高平均功率碟片激光器需要典型的500mm·mrad光束参数的泵浦源。相比光纤激光器，碟片激光器大大降低了光束质量的要求。
在过去的几年中已经出现了多种稀土离子激光器上。然而到目前为止，重要的工业高平均功率碟片激光器晶体只有Yb：YAG。这主要是因为这一材料在光谱性能、机械性能和实用性几方面取得了良好的平衡。由于Yb量子数 亏损低：在室温下YAG激光废热产生程度更低（这种特性涉及到一个准三能级系统）。
使用多程泵浦腔除了增加吸收效率还可以增加泵通总和以增加有效泵强度。当采用类似的三能级激光介质时，高有效泵强度与吸收强度之 比使激光器阈值更低。其理由是，该增益介质透明 度达到了与较低泵浦功率相应的水平。
碟片激光器仅需简单增加激光晶体泵浦区面积，可在不改变任何部件最高温度的前提下使激光器平均输出功率提升。由于碟片激光器热透镜效应的主观可控性，通过适当内部工程布局设计碟片激光器热透镜效应可控制在很低的值上。一旦设计出某一单碟功率水平的碟片 激光器，进一步功率标定可以通过多种方式耦合多个碟片完成。一般单一谐振腔串行耦合是最好的办法，因为它可使光学布局更简单。此外串行耦合还可保证输出光束质量。TruDisk激光系列产品为串行耦合碟片激光器，其实现了高达8kW的平均输出功率。在实验室中激光光束质量为8mm·mrad的3串行碟片激光头产品取得了高达14kW的平均输出功率。
根据理论预测，碟片激光器单碟功率提升唯一的物理限制是自发辐射与受激辐射的竞争。然而斯图加特IFSW性能模拟表明，可以用单碟实现万瓦级平均输出功率。这表明，如果应用需要这种高功率系统，高光束质量碟片激光器的功率平均水平将超过100kW。
2.2、目标
碟片激光器增益介质通常通过背 冷却，其单碟发热量通常为100－500W／cm2，目前实验室激光器更是超过800W／cm2。在这种情况下增益晶体需要 有效冷却保证其温度不会过高。另外，晶体径向截面各点温度要基本一致，以确保不会引起过强的热透镜效应从而保证输出光束的质量；且轴向温差不能太大，以免热应力引起晶体的物理损伤。
2.3、方案
笔者提出的方案见图5，碟片增益介质与热沉铜紧密连接在一起（焊接在一起）。
图5 初步设计的碟片激光器增益介质冷却方案
液态金属流经中间流过，为射流，采用这种流向对中间部分的冷却能力更强，能保证增益介质径向温度均匀性。吸收了热量的液态金属回流，通过一个铜制扁平结构，此结构与半导体制冷片D紧密接触。通过半导体制冷片，回流液态金属的热能被导入E中。E为纯铜散热片，根据使用需求可加入热管、风扇等。另外，CD以及DE之间的接触部分可使用液态金属散热垫，然后采用夹具固定，这样不仅可使CD、DE之间的热阻更低，而且便于其拆装。除此之外还可以考虑用金刚石代替B的一部分，AB间空隙用少量液态金属填充， A实用夹具固定。这样不仅可利用金刚 石的高导热率使增益晶体温度更低，而且不用面临AB焊接失败的风险，并且增益介质还可以随意拆装，使设备配置更加的自由化。
这套方案具有很多优势：安装所需空间小，拆装相对方便，环境适应性强；全封闭循环结构，维护成本低，使用方便；完全无活动机械结构（E部分的风扇不计入内），工作寿命长，稳定可靠；液态金属流速以及半导体制冷功率都是可以控制的，因此通过建立闭环控制电路可以精确控制增益介质温度。
3、模拟仿真
本模拟中的增益晶体将采用最为 常见的Yb：YAG，这主要是因为这一材料在光谱性能，机械性能和实用性几方面取得了良好的平衡。
Yb：YAG具有YAG激光基质材料 本身优良的物理性质和稳定的化学性能，而且具有很好的激光工作性能。激光波长为1030nm，峰值吸收波长在940mm附近，吸收带宽很宽（18nm），荧 光寿命长（0.95ms），量子效率高（91％），斜度效率高，发热率低（小于11％），很容易被InGaAs半导体激光器泵浦。
Yb：YAG参数：弹性模量310Gpa， 杨氏模量3.17x104 kg／mm2 ，泊松比0.3，抗张强度0.13至0.26Gpa，热膨胀系数8x10－6／K，导热系数20摄氏度时为14w／m·K，100摄氏度时为10.5w／m·K。 模拟中涉及的其他材料的导热率分别为：铜401w／m·K、铟82w／m·K、金刚石2300w／m·K。
ANSYS模拟仿真见图6（未注明单 位的采用m、kg、N、℃以及其推导单位）。
边界条件（见表1）：在增益晶体中心位置加载半径0.005m的均匀分布平均功率密度9x107w／m2的光斑；最底层底部膜系数1.6x105w／m2，冷却工质温度 0℃。
图7 （a）整体温度分布。（b）增益晶体温度分布。（c）增益晶体中心横截面形变分布云。（d）增益晶体中心截面应力分布云。
模拟得出图7（d）中增益晶体最大应力点应力为0.121GPa，小于Yb：YAG的0.13GPa的最小安全阈值，增益晶体不会破裂；图7（b）中增益晶体温度约在 30-100℃之间；形变方面，根据图7（c）， 增益晶体径向形变十分均匀，热透镜效应非常低，不会对光束质量产生太大的影响。综合以上分析笔者得出一个详细 方案（见图8）。
A：增益介质。B：铜热沉。C：液态金属。D：半导体制冷片。E：散热片（附加可选热管、风扇）。F：金刚石散热片。
图8 碟片激光器增益晶体冷却方案
图8 碟片激光器增益晶体冷却方案。A：增益介质。B：铜热沉。C：液态金属。D：半导体制冷片。E：散热片（附加可选热管、风扇）。F：金刚石散热片。
此方案中AF、FB、CD、DE接触面要保证平整光滑，之间空隙用少量镓铟锡合金（液态金属类）来填充，固定方式全部为夹具固定。F与B之间为微量液态 金属（镓铟锡合金），能更好的排走空气（见表2）。
方案优势：安装所需空间小，拆装方便，维护便利，环境适应性强；全夹具固定，零件可更换，便于按需定制，灵活性强；全封闭循环结构，受环境影响小，维护成本低，使用方便；完全无活动机 械结构（E部分的风扇不计入内），工作状态下几乎没有噪音，且工作寿命长， 稳定可靠；液态金属流速以及半导体制冷功率都是直接由电控制的，因此可方便地通过建立闭环控制电路间接精确控制增益晶体温度，而稳定的增益晶体温度可保证光束质量的稳定。(end)
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(10/21/2013) |
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