水冷和半导体制冷片联合控温的固体激光器实验装置*

高军翔，梁锡辉，李康业，庞振华

（广州市光机电技术研究院//广东省现代控制与光机电技术公共实验室，广东广州 510663）

水冷和半导体制冷片联合控温的固体激光器实验装置*

高军翔，梁锡辉，李康业，庞振华

（广州市光机电技术研究院//广东省现代控制与光机电技术公共实验室，广东广州 510663）

光泵浦的固体激光器的工作介质在工作时温度很高，会产生热透镜效应。这种热透镜效应会导致光-光转换效率下降。为了使激光器的工作介质在工作时保持恒温，研制了一种水冷和半导体制冷片联用控温的装置，根据实验数据可知，本装置达到了良好的效果。

激光器；水冷；半导体制冷片

0 前言

固体激光器是以掺杂的玻璃、晶体或透明陶瓷等固体材料为工作介质的激光器，其具有较大的输出功率和较紧凑的结构，从其诞生开始至今，一直备受关注，尤其随着LDA泵浦固体激光技术的发展，泵浦效率大幅度提高，器件的体积更小、重量更轻、可靠性更高[1-2]。泵浦源为工作介质产生激光提供所必须能量的同时会产生大量的无用热，在散热不好的情况下，激光器的温升很大，会使激光器转换效率降低，输出功率下降，激射波长偏移[2]。为使激光器持续稳定运转，必须及时带走这些无用热，于是导致热透镜、应力、退偏、双折射等不良效应[3]。

半导体制冷又称为热电制冷或温差电制冷，它主要是珀尔帖效应在制冷技术方面的应用。并且随着半导体技术的发展，受到了人们的广泛关注，与传统压缩机制冷相比，它主要具有无磨损、寿命长、尺寸小、制冷时间快和控制精度高等优点[4-6]。但是半导体制冷效率的提高，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，因此，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[7]。

本文设计了一台固体激光器实验装置，本实验装置由于要求可以测试固体激光晶体的一些性能，因此对控温装置的要求较高，因此，本装置采用了水冷与半导体制冷方式片联合的方式来控温，从而达到了较好的控温效果。

1 固体激光器实验装置的结构

1.1 激光器的整体结构

如图1所示，系统的激光产生装置采用平行平面腔、半导体激光单端泵浦的结构。本实验装置的泵浦源为独立控温的波长为808 nm的LD固体激光器；耦合聚焦镜透镜组的成像比例为1∶1，焦距70 mm；控温装置为自主设计的水冷与半导体制冷片联用的装置。808 nm的激光经过光纤，再通过耦合聚焦镜的聚焦，聚焦到激光装置平面腔中的Nd∶YAG激光晶体上，最终输出1 064 nm波长的激光。图1中最右边的准直激光器为调节激光装置准直的He-Ne激光器。

图1 固体激光器实验装置结构示意图

1.2 控温装置的结构图

如图2所示，除去六轴精密位移台，控温装置分为两部分，基于半导体制冷片的温控部分和基于水冷控温的水冷控温系统。半导体制冷片的冷端紧贴激光晶体的铜质冷却套，热端紧贴铜质水冷基座，激光晶体产生的热量经热端由水冷系统带走。

图2 固体激光器实验装置控温装置结构示意图

1.2.1 半导体制冷片温控装置

PID控制器是按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D） 进行控制的调节器。比例控制能快速反映误差，积分控制可以消除误差，微分控制可以减小系统超调量[4]。本文中使用的控制器正是基于PID原理的某厂家生产的智能温度控制仪，其精度为0.1℃。

铜质冷却套是根据方形激光晶体的尺寸制作的晶体固定传热的装置，铜质冷却套开有小孔，可令温度探头深入冷却套的内部以探测温度。

1.2.2 水冷温控装置

水冷技术是比较成熟的技术，本文中使用的水冷系统是某厂家生产的小型水冷机，其精度可达0.1℃。水冷铜质基座是根据半导体制冷片的大小，自主设计并制作的装置。

2 固体激光器的温控性能

为了评估固体激光器的温控性能，本文以分钟为单位记录了25分钟激光器的半导体控温装置的温度和激光的功率，并且在激光输出一个小时之后同样记录了半导体控温装置的温度和激光的功率。具体做法是，使用9.8 W的波长为808 nm的激光作为激发源，激发Nd∶YAG晶体；水冷系统温度设定为20℃，半导体制冷系统设定为20℃。首先，先调节激光器使其输出1 064 nm波长的激光，出激光5分钟后开始计时，记录温度，同时使用激光功率计测量功率（功率计的前端加入808 nm波长的滤光片，1 064 nm的激光透过率大约为70%）。表1为实验数据值。

表1 半导体温度控制器的显示温度与功率随时间的变化

2.1 半导体控温装置温度稳定性

如图3所示，随着时间的增加，控温装置的显示温度逐渐下降，直到8 min后，进入稳定状态，并在22℃～23.5℃之间波动，同时激光器运行1 h后其温度测量值为22.4。为了衡量温度的波动率，利用公式：波动率=（最大温度-最小温度）/平均温度。那么根据公式8 min后本文的激光实验装置的温度波动率约为：4.4%。

2.2 激光器输出功率的稳定性

从图4中可知，激光器输出功率在前8 min之前波动较大，但是之后就基本稳定在3.4～3.5mW，并且在激光器运行1 h后输出功率仍然保持在3.4 mW。同上节，计算激光器运行8 min后所得的功率波动率约为2.9%。

图3 半导体控温装置的显示温度随时间变化的关系

图4 激光输出功率随时间变化的关系

3 结论

从实验可知，本文自主设计的水冷和半导体制冷片联合控温的固体激光器实验装置的性能良好，在调节好谐振腔，输出1 064 nm波长的激光后，8 min基本上上就进入了稳定状态，并且运行1 h后仍能保持良好的效果。根据本文使用的衡量公式，控温装置的波动率控制在约为4.4%的状态，而输出激光功率的波动率约为2.9%。

［1］韩雪冰，吴学彦，戴磊.基于专利分析的我国固体激光器领域现状与发展对策研究［J］.现代情报，2014，34（1）：132-136.

［2］练文，王寿增，彭堂超，等.激光二极管阵列泵浦固体激光器热设计研究［J］.光学与光电技术，2013，11（5）：13-16.

［3］周寿桓.固体激光器中的热管理［J］.量子电子学报，2005，22（4）：497-509.

［4］王威，王少轩.基于Cortex-M0的半导体制冷温度控制系统设计［J］.机电工程技术，2011，40（4）：67-69.

［5］郑弘.一种基于半导体制冷技术的冷暖控制器主机设计［J］.机电工程技术，2009，38（7）：91-93.

［6］张晓芳，钟建新，杨穗.水冷式半导体冰箱制冷性能的研究［J］.工程设计学报，2012，19（2）：105-111.

［7］代伟.半导体制冷散热强度对制冷性能的影响［J］.制冷与空调，2008，22（3）：25-27.

Experimental Solid-State Laser Device Based on Temperature Control System of Water and Semiconductor Refrigerating Sheet

GAO Jun-xiang，LIANG Xi-hui，LI Kang-ye，PANG Zhen-hua
（Guangzhou Research Institute of O-M-E Technology//Guangdong Public Laboratory of Modern Control&Optical，Mechanical，Electronic Technology，Guangzhou510663，China）

The optically pumped solid state laser media produce a lot of heat when it’s working,and creates thermal lens effect.The thermal lens effect leads to reduce the optical to optical conversion efficiency.In order to make the working solid state laser media constant temperature at work,this paper developed a temperature control system of water and semiconductor refrigerating sheet,and the experimental data shows that the device achieves good results.

laser；water cooling；semiconductor refrigerating sheet

TN248.1

：A

：1009－9492(2014)11－0019－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.11.005

高军翔，男，1987年生，河北晋州人，硕士研究生。研究领域：光学检测和光学设计。已发表论文3篇。

(编辑：阮 毅)

*国家863项目（编号：2012AA040210）；国家863项目（编号：2013AA03A106）；广州市应用基础研究专项（编号：2013J4100122）

2014－05－28