氙灯泵浦Nd∶YAG激光器的可靠性分析

李德鹏,李宝忠,包照日格图

(1.华北光电技术研究所,北京 100015；2.中国石油天然气管道工程有限公司，河北 廊坊 065000)



·激光器技术·

氙灯泵浦Nd∶YAG激光器的可靠性分析

李德鹏1,李宝忠2,包照日格图1

(1.华北光电技术研究所,北京 100015；2.中国石油天然气管道工程有限公司，河北 廊坊 065000)

简要论述了影响氙灯泵浦传导冷却YAG激光器可靠性的诸多因素,以可靠性理论为基础,对YAG激光器的可靠性进行了分析,提出了可靠性设计措施,并对某YAG激光器的可靠性进行了预计以及试验。

可靠性；激光器；分析；试验

1 引 言

自从1960年梅曼发明了红宝石激光器以来,随着激光技术的日新月异,激光器在各个领域得到了迅猛的发展。激光系统的发展应用除了激光技术的推动因素以外激光器的可靠性的高低对推广应用起到重要作用。国内也有一些研究机构[1-4]对各种类型的激光器进行了某些可靠性方面的评价,但缺乏总体的故障分析和具体的可靠性预计过程,本文着重讨论了应用于某激光测距系统的小型传导冷却Nd∶YAG 激光器的设计和可靠性水平的提升方案,从可靠性设计的角度去分析和保证激光器的综合性能的提升,满足用户的使用要求。对于激光器来讲,影响其可靠性的主导因素是光学谐振腔的失调和光学元件的损伤问题。涉及的技术环节较多,需要通过对采购环节、外协加工的严格验收以及实际严格的调试工艺来保证激光器的综合性能。依据系统的失效模式分析和通过对过程的严格质量把关,实现了一种采用Cr∶YAG晶体作为被动Q开关、以Nd∶YAG晶体为激光工作介质、以角锥棱镜作为光学谐振腔的免调试固体激光器,实现了输出能量15 mJ、自然发散角小于3 mrad、重复频率1 Hz、平均无故障时间1000 h以上的高性能小型传导冷却固体激光器,为该类产品在激光测距领域的推广应用奠定了基础。

2 灯泵Nd∶YAG激光器的故障分析

设备故障通常分为三类：

(1)设计粗劣,或者材料或部件选用不当

在进行激光器的方案设计时重点考虑激光器的稳定性问题。影响输出稳定性的因素有：谐振腔的抗失谐能力,热管理水平及机械结构的应力分布。

关于谐振腔设计方面,因为所有球面谐振腔的模式结构、发散角和衍射损耗都与谐振腔的g参数和反射镜的倾斜失调度有关。 谐振腔的稳定性可以通过仿真模拟g参数的变化,将其选择在g=0.5范围,可以满足热不灵敏的条件,输出功率的稳定性得到很好的保证。除此,在选用谐振腔全反镜时尽量使用抗失谐能力强的光学元件(如：角锥棱镜或直角棱镜等特殊光学元件),构成棱镜腔,从而最大程度的保证激光器的稳定、可靠运转。

热管理方面,主要是激光工作介质和泵浦光源的散热能力的改善。如果激光工作介质的无用热传导不及时,严重时会导致激光工作介质的性能变差,谐振腔的稳区缩窄,模体积变小,输出功率明显下降或不出现激光振荡。

机械结构的设计方面,重点考虑如何保证安装基面的高低温变形量小的问题,需要功过计算机CAD或ansys等软件进行机械应力仿真分析,在此基础上尽量采用高低温机械变形小的铝材,从而保证整个机械结构的稳定性。

选择组成激光器的各种光学元件方面,首先要考虑抗激光损伤能力、其次按照不同的功能进行关键指标的把控。组成激光器的光学的数量和种类与采取的技术方案有密切关系,各种光学的损伤阈值各不相同,镀膜的难度也各有所别。光学元件的内部损伤是由材料的粒子包裹物、微笑不均匀性,光吸收或自聚焦引起的；而表面损伤则主要是由透明介质表面的污染或不平整引起的。在这链中损伤中,表面损伤通常更为严重,因此,在具体的激光器设计当中,除了关注光学元件本身的体损伤阈值以外重点关注表面光学薄膜的抗激光损伤阈值的水平,坚持使用损伤阈值远远高于谐振腔内部光强的光学元件或通过增加通光面的方法降低激光器的功率密度,降低损伤概率。

(2)质量控制不当,致使产品偏离设计技术规定

激光器作为相干辐射源,在很多光电系统当中扮演重要的角色,从质量控制的角度,需要对组成激光器的光机电部件进行严格的筛选和老化试验,才能从根本上保证产品的优良性能。需要对影响激光器长期可靠性的工艺环节进行梳理,其中工作间的净化度、机壳内部空间的洁净度以及光学元件的清洁工艺尤为重要。于此同时,在选择光学材料时尽量选择均匀性好、吸收系数小的光学材料,尽量提高光加工的质量、提高表面光洁度及减少划痕、疵点,以此提高光学元件内部的抗激光损伤阈值,提高可靠性。

(3)由环境作用或影响引起的劣化

在激光器中出现故障最多的案例是光学元件的污染和谐振腔的失谐。很多时候由于在工艺操作当中引入空气中的尘埃、指印或其他杂质吸收等造成的表面污染,导致光学薄膜的激光损伤或谐振腔损耗增加,激光器无法正常工作。所以,体积尺寸允许的情况下对光路进行整体充氮密封,提高激光器仓体的内部洁净度,减小污染引起的故障。具体的工艺操作当中,严禁带入有油污或指纹的外协件或功能模块,禁止使用具有挥发性的硅橡胶等胶类产品。

引起谐振腔失谐的主要因素是机械结构件在高低温、冲击振动环境下出现较大的变形量,超出谐振腔失调最大允许量,引起激光器输出能量下降、光束质量的劣化。需要在整机机械设计方面进行优化设计以外更应该在机械件材料选择、高低温时效处理等方面加强质量控制。

3 灯泵Nd∶YAG激光器可靠性模型建立和可靠性预计

对于灯泵无水冷Nd∶YAG激光器来讲,影响其可靠性的因素主要有以下两个部分：激光器机头和激光电源。激光器机头包括激光棒、光学镜片、Q开关、聚光腔等单元组成,其失效模式基本以光学元件污染和谐振腔失谐为主。激光电源包括充电装置、脉冲成形网络和闪光灯触发电路,其失效模式以氙灯无法触发为主。

具体的激光器实验光路如图1所示。

图1 氙灯泵浦Nd∶YAG激光器

激光工作介质采用Nd∶Ce∶YAG晶体,尺寸为φ3×45,两端镀1064 nm增透膜。输出镜为曲率半径1500 mm的平凸透镜,凸面镀1064 nm波长的反射膜(透过率70%)。泵浦灯采用氙灯泵浦方式,尺寸为φ3×40的石英脉冲氙灯。聚光腔采用镀银的石英聚光腔,镀银层专门进行了防氧化措施,能够保证聚光腔在恶劣的环境条件下不容易出现氧化发乌的现象,保证激光器的输出效率。激光谐振腔采用角锥棱镜谐振腔,提高了谐振腔的抗失谐能量保证了在高低温、冲击振动环境下不出现效率下降的问题。调Q系统采用了可靠性更高的Cr∶YAG被动调Q方式,因Cr∶YAG的抗激光损伤能力较强,保证了激光器可靠性的提升。通过该设计,能够稳定输出15 mJ的输出能量,光束角小于3 mrad的1 μm激光。

因为组成激光器的各个单元的失效直接影响激光器的输出性能,因此灯泵Nd∶YAG激光器的可靠性模型为一种串联模型[5],即各个单元的串联组合：

λNd∶YAG=πEπcλ激光介质+πEπcπOSλ光学耦合+λ泵浦

(1)

λ泵浦=λ氙灯+πEπcλ聚光腔+λ电源

(2)

式中,λNd∶YAG是Nd∶YAG激光器失效率。λ激光介质是激光介质失效率。λ泵浦是泵浦机构的失效率,主要受闪光灯寿命、聚光腔氧化和电源故障的影响。λ氙灯是脉冲氙灯的失效率。λ聚光腔为聚光腔的失效率。λ光学耦合是激光耦合器件的失效率,包含谐振腔镜片、晶体、薄膜、Q开关等,与光学污染、光学元件内部损伤有关。λ电源是激光器电源的失效率;πE是环境应用因素；πC是耦合清洁度因素；πOS是实际光学表面应用因素,与实际光路有关；π重复是脉冲重复频率因素；π冷却是闪光灯周围各种冷却介质的冷却因素。具体的取值如表1所示。

表1 各单元的基本失效率和对应因素的数据表

将表1的数据代入公式(1)和(2),得到的灯泵激光器的失效率为：

λNd∶YAG=5×39.5×10-6+5×1×16.3×10-6+676×10-6+5×4.9×1×10-6+149.5×10-6=1536×10-6/h

平均无故障时间MTBF为：

4 结 论

本文对灯泵Nd∶YAG激光器的常见故障模式进行了详细的分析,并提出了很多对应的解决措施,并在实际的产品设计当中进行了推广应用,同时用典型的美军军用手册里的可靠性预计方法进行了激光器的可靠性水平的预计。与到安保设备的200台激光器[6](经过了3年室外寒暑条件下稳定可靠运转)的可靠性数据(MTBF约1000 h)对比后发现现有设备的可靠性明显超出预计水平,表明使用的可靠性模型还有很多更加细化的地方,需要积累更多的最小单元(光学元件)的可靠性数据,从而更加准确地预估激光器的可靠性水平。

[1] LING Ming,WU Zhichao,et al.Reliability analysis of LD pumped solid laser without water cooling based on fault tree[J].Laser & Infrared,2008,38(3):211-213.(in Chinese)

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Reliability analysis of xenon flash lamp pumped Nd∶YAG laser

LI De-peng1,LI Bao-zhong2,BAO Zhao-ri-ge-tu1

(1.North China Research Institute of Electro-optics,Beijing 100015,China;2.Chinese Petroleum Pipeline Engineering Co.Ltd.，Langfang 065000,China)

The influence factors of the reliability of xenon flash lamp pumped Nd∶YAG laser were briefly described.On the basis of the reliability theory,the reliability of Nd∶YAG laser was analyzed,and reliability design schemes were presented.The reliability of xenon flash lamp pumped Nd∶YAG laser was estimated and tested.

reliability;laser;analysis;test

1001-5078(2015)11-1340-03

李德鹏(1986-)，男，本科，工程师，主要从事光电系统方面的工程应用。

2015-03-29;

2015-05-03

TN248.1

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.11.011