准基模纯风冷激光二极管泵浦Nd∶YAG激光器＊

高光波，任士龙，李 栋，郑四木，胡文华

（中航工业 北京航空制造工程研究所，北京 100024）

引 言

随着激光二极管技术的迅猛发展和批量生产，激光二极管泵浦的固体激光器在各个领域的应用也越来越广。一方面人们利用激光二极管的热特性突破原来灯泵固体激光器的极限，在试验室（国内）或军用领域（美国）获得更高的连续功率、输出能量和更高的重复频率，例如美国诺格公司的100kW固体Nd∶YAG激光器用来取代化学激光器作为激光武器［1］；另一方面在更加庞大的激光加工市场，连续泵浦的激光器也逐渐取代灯泵激光器，并且随着应用的日益广泛其价格也越来越低廉，优势越来越明显，例如激光打标用的50～100W连续模块。

但在较低的重复频率（低于200Hz）和中等能量输出（mJ到J级）脉冲激光器方面二极管泵浦固体激光器的优势与灯泵激光器相比并没有那么明显。一方面由于重复频率低，而脉冲氙灯的更换既方便又廉价，因此寿命较长的激光二极管的优势没有体现出来；另一方面由于使用数量不大，不能形成规模效应，所以激光二极管生产厂家在这方面投入较小，激光二极管性能的优势不足以抵消价格偏高的缺点；还有一点，由于激光二极管使用时必须采用温度控制系统对其温度进行控制，这会增加激光器的体积和重量，并且在环境温度变化较大时需要预热，这也造成使用不便。这类脉冲激光器主要应用于激光加工的打孔机、激光测距机、目标指示器和小型的干扰机等［2］。

目前准连续激光二极管泵浦模块的价格正在逐年下降，在某些需要较高重复频率和较好光束质量的应用领域，激光二极管泵浦也得到越来越多的应用。本文研制的准基模250mJ、25Hz纯风冷激光器，一方面要求光束质量较高，另一方面在25Hz下要求纯风冷运行，如果采用闪光灯泵浦要到达这两方面要求非常困难，因此采用了激光二极管泵浦。

1 激光器设计

除光束质量高和风冷运行的特点外，对激光器使用环境也有要求，要求工作温度－30～＋55℃，储存温度－40～＋60℃。因此根据其指标特点进行针对性设计。图1是系统的光路原理图。

图1 系统光路原理图Fig.1 Schematic diagram of optical system

系统采用振荡器＋2级功率放大的技术路线。振荡器采用LiNbO3晶体调Q，脉冲宽度7ns，能量50mJ，采用拉长腔长和小孔限模获得准基模输出，采用光楔对提高本振输出的稳定性。本振输出经过透镜L1、L2耦合，扩束到适当口径进入放大级，两个放大级具有同样参数。放大级之间为像传递系统，由透镜L3、L4、90°石英旋光器和真空管组成，用于补偿热致双折射和热透镜。M1～M4为45°入射全反镜，与棱镜相同用来转折光路，放大后的激光经过一个5倍望远系统整形输出。

采用以上技术路线主要出于以下几点考虑：（1）本振激光器能量比较低，容易获得准基模输出；（2）采用两个相同的放大级并结合像传递系统补偿放大级的热致双折射和热透镜效应，以保持高光束质量；（3）本振加上放大结构可以降低各个光学元件不准直对激光输出的影响，提高系统稳定性和可靠性；（4）将泵浦能量分散有利于风冷散热。

系统共采用了三个激光二极管侧泵模块，本振泵浦头由30只100W准连续拔条组成，沿棒周从5个方向泵浦，共6圈；两个放大泵浦头由60只100W拔条组成，从5个方向泵浦共12圈。本振泵浦头棒Φ3×65mm，放大棒尺寸Φ6×120mm，掺杂浓度均为0.7at%。泵浦头的散热与温控设计是系统成功的关键，将泵浦头的散热分为两部分：激光工作物质的散热和激光二极管的温度控制。

2 冷却系统设计

激光二极管（LD）的波长随温度变化而变化，根据以往对风冷半导体激光二极管泵浦的研究，其输出波长的漂移与温度的关系约为0.3nm／℃左右，只要将LD的温度控制在1℃以内，就能够有效防止LD的波长漂移。为保证稳定的性能，必须采取措施对LD的工作环境的温度进行控制［3］。

二极管的冷却部分可分为三个独立的冷却单元，分别对一级本振及二级放大二极管单元模块进行精确温制，控温精度±1℃，采用半导体制冷的风冷结构形式，结构如图2所示，冷却单元由半导体制冷片、热沉、散热器、风扇及温控系统等组成。该方案的重点在于，解决制冷器注入电功率设计、制冷器热端散热设计及提出减小各接触面之间热阻的有效措施。

图2 风冷单元结构图Fig.2 Structure of air cooling unit

2.1 热电制冷设计

热电制冷效率的提高，除了其本身制造材料和制造工艺的因素外，主要取决于其散热、传冷方式及良好的结构设计。由于热电制冷器的散热量等于其制冷量与输入功率之和，所以重点解决好其散热问题将对制冷效率的提高起到至关重要的作用［4］。

当热电制冷器稳定工作时，其热传导方程为：

第三类边界条件为［5］：

由式（1）并结合边界条件式（2）和式（3），可解得热电制冷电偶对内的温度分布为：

则冷端制冷量为：

热端散热量为：

输入功率为：

输入电压为：

制冷系数为：

2.2 设计过程

针对二极管冷却单元方案设计过程分三步：

（1）用工程经验及试验数据来指导方案设计，初步选择制冷器型号、数量及注入功率，散热器选材及结构设计，初步确定风机参数；

（2）计算机仿真进一步验证、优化冷却系统设计方案；

（3）最终通过环境试验来检验冷却系统性能。

实践证明该方法在激光器热管理中的应用有效可行，并为激光器冷却系统系列化、模块化打下基础，图3为二级放大冷却单元中散热器及风机选择仿真优化结果。

图3 二级放大Icepak热分析图Fig.3 Two－stage amplifying Icepak thermal analysis

对于激光工作物质散热采用了两种冷却方案，因为在侧面泵浦的情况下，泵浦和散热都需要通过激光棒的侧面进行，激光工作物质的散热也存在较大的困难。经过几种方法的尝试，当重复频率小于25Hz时，最终采用的方案是沿棒的轴线方向上，散热与泵浦交替进行，即一段泵浦一段散热以获得近似圆对称的泵浦和散热，满足了激光器25Hz工作指标要求。当将重复频率提高到50Hz时，连续工作时间超过2 min能量下降比较厉害，激光二极管的温度可以控制得住，但棒的热透镜效应过于严重。因此对激光工作物质采用单独水冷的冷却方式，即增加一个微型水泵和水箱组成一个小的水循环系统对激光工作物质水冷，最终得到稳定的高质量激光输出。

3 结果及分析

三个泵浦头的温度均控制在30℃，本振85A（脉宽220μs，Imax＝100A），放大65A，65A（脉宽220μs，Imax＝100A）时，1Hz得到最大292mJ能量输出，经计算光光转换效率12.7%；25Hz时能量最初30s为290mJ，经过2min后稳定在245mJ，光光转换效率为10.7%；50Hz时最初30s为295mJ，之后持续下降到5min时为190mJ，并没到达稳定状态。图4是5min连续工作时间内1Hz、25Hz和50Hz能量变化趋势。

接下来进行高温试验，升温到＋55℃，开机5min后本振温度32.3℃，放大一32.3℃，放大二32℃，激光器开始25Hz工作，图5是5min内能量变化趋势，5min工作结束后本振温度34.1℃，放大一32.3℃，放大二31.4℃。

低温试验，环境温度－25℃，开机3min后到达温度点29℃，图6是25Hz时5min能量变化趋势。

图4 5min连续工作时间内1Hz、25Hz和50Hz能量变化趋势Fig.4 Working continuously for 5min，1Hz，25Hz and 50Hz energy trend

图5 高温＋55℃5min内25Hz能量变化Fig.5 High temperature＋55℃，repetition frequency 25Hz，the energy change within 5min

图6 低温－25℃5min内25Hz能量变化Fig.6 Low temperature－25℃，repetition frequency 25Hz，the energy change within 5min

从图3可以看出这种泵浦和散热结构在50Hz时无法正常工作，主要原因是棒的热透镜效应太严重。因此对激光棒采用一个微型水泵和一个水箱进行单独水冷，激光二极管仍采用热电制冷片冷却，这样可以不用冷机对冷却循环水进行温度控制。在本振80A（脉宽220μs，Imax＝100A），放大65A，65A（脉宽220μs，Imax＝100A）时，50Hz能量340mJ，光－光转换效率15.2%。图7是常温50Hz连续工作时间5 min内能量变化趋势。

图7 风冷水冷结合方式50Hz连续工作时间5min内能量变化Fig.7 Air－cooled and water－cooled combination way，repetition frequency 50Hz，the energy change within 5min

利用M2因子测试仪器对激光器的输出进行了测试，激光束经过一个透镜后测量焦点处的光斑分布并与理想光束进行对比，得出M2因子值。仪器型号为美国PHOTON公司ModeScan1780型M2因子测试系统，测得垂直和水平方向M2因子分别为2.81和4.09。图8和图9为风冷方式25Hz工作时的测试结果。

图8 激光器远场光斑分布Fig.8 Laser far field intensity

图9 激光器M2因子测试结果Fig.9 Test results of laser M2 factor

通过测量风冷方式25Hz时激光器输出光斑口径和光束发散角，计算得到输出光束的衍射极限倍数β因子垂直和水平方向分别为2.45和3.659mm·mrad，这个数值与M2值测试结果基本吻合。图10是不同距离处激光器输出光斑图样。

从图中可以看出激光器输出光斑有比较明显规则的衍射环，这种圆孔菲涅耳衍射是衍射与干涉共同作用的结果，孔边缘处各点发生衍射，相邻各点之间相互干涉形成干涉环。干涉环靠近边缘较粗且清晰度高，向中心条纹变细幅度变低。在传输过程中条纹逐渐变粗变少，最终在远场形成中心强边缘弱的高斯分布图样。在实验中发现激光束的直径越大，则变为高斯分布所需要的距离越长，在光束直径为6mm时（不加扩束）距出口大约10m处光斑就变为高斯分布，而扩束到26mm以后，距出口45m处还是边缘强中心虚的空心结构，但边缘强区已明显变粗，到100m处菲涅耳衍射环已完全消失。

图10 风冷方式25Hz不同距离激光器输出光斑图样Fig.10 Air cooling mode，repetition frequency 25Hz，different distance，laser speckle pattern

菲涅尔衍射产生的原因是激光器系统中的一些小孔造成的，在本激光器中包括本振和各级放大的激光棒，以及本振中的限模光阑等。为消除近场光束分布的菲涅耳衍射现象，有几个方法：（1）采用软边光阑；（2）采用像传递系统并用小孔限模；（3）增大放大级激光工作物质口径，使本振光不会充满放大级的激光棒等等［7］。软边光阑是在光束口径附近作出一圈透射率渐变的环，遮住衍射环强区一部分光，与中心光强取齐，这样会损失一部分能量，该方法只在一段距离内有作用。像传递系统采用两个凸透镜，在凸透镜焦点处放置光阑进行限模，小孔光阑的尺寸非常关键。单纯追求近场光斑均匀性会增加激光器成本，需要对激光器光学系统和结构进行重新设计，同时还会损失部分能量。

4 结 论

采用激光二极管泵浦Nd∶YAG激光器获得纯风冷25Hz，250mJ激光输出，脉冲宽度7ns，连续工作时间5min，输出光束的衍射极限倍数β因子垂直和水平方向分别为2.45和3.659mm·mrad，M2因子分别为2.81和4.09，光光转换效率12.7%。采用风冷水冷结合结构获得50Hz，340mJ稳定输出，光光效率15.2%，连续工作时间可以增长到0.5h或以上。系统通过了高低温工作、高低温储存和冲击振动等环境试验，其中高温＋55℃，低温－25℃。

激光器的光光转换效率不高，原因有以下几点：因为对光束质量有较高的要求，因此采用了一些措施对激光模式进行限制；为提高可靠性和泵浦均匀性对激光二极管泵浦模块进行特殊设计，会牺牲一部分激光二极管的泵浦效率；因体积限制，光路折叠使用的45°入射全反镜、棱镜以及最终输出的扩束系统对能量损耗也比较大。放大级增益在2.4左右，因本振能量较低，第一放大级能量提取不充分（约80mJ）。激光输出虽然是准基模，但近场光斑具有衍射环，因为对实际使用影响不大，未作改进，应该可以在将来的设计中改进并消除。

［1］任国光，黄裕年.战术高能激光武器的发展现状和未来［J］.激光技术，2002，32（4）：211－217.

［2］李 庄.激光器的新进展［J］.激光生物学报，1998，7（2）：135－137.

［3］程东明.杜艳丽.半导体激光器散热技术研究及进展［J］.电子与封装，2007，7（3）：277－280.

［4］陈桔.散热方式影响半导体制冷效率的实验研究［J］.实验科学与技术，2005，12（4）：27－28.

［5］李茂德，卢希红.热电制冷过程中散热强度对热电制冷参数的影响分析［J］.同济大学学报，2002，30（7）：811－813.

［6］马健，曹吉军，齐志国.染料调 Q的 Nd＋3∶YAG激光器偏振性测试［J］.光学仪器，2011，33（2）：1－5.

［7］克希耐尔 W.固体激光工程［M］.北京：科学出版社，2002：56－72.