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碳化硅棱鏡有效冷卻碟片激光器

時間:2014-10-15 11:29來源:未知作者:yeyan 點擊:
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摘要:美國陸軍研究實驗室(ARL)的一個研究小組提出了一種切實可行的方法,用于有效冷卻光泵浦碟片激光器中增益介質的兩個面,這將有望使高功率碟片激光器獲得更好的散熱效果和更高的光束質量。

關鍵字:碳化硅棱鏡,碟片激光器,激光器

  美國陸軍研究實驗室(ARL)的一個研究小組提出了一種切實可行的方法,用于有效冷卻光泵浦碟片激光器中增益介質的兩個面,這將有望使高功率碟片激光器獲得更好的散熱效果和更高的光束質量。[1]通過將碟片與水冷式熱沉接觸的方法冷卻激光器,大部分熱量只能從碟片的一面被帶走;而采用雙面熱沉則可以實現雙倍以上的散熱能力。

  使用雙面熱沉需要解決的問題是:為激光器碟片的發射面找到一種透明的、具有高熱導率的熱沉材料。藍寶石能夠在77K的低溫下提供很高的熱導率,并且已經用于冷卻激光碟片,但美中不足的是藍寶石在室溫下的熱導率非常低。

  研究人員使用碳化硅(SiC)來冷卻摻鐿YAG(Yb:YAG)碟片激光器,SiC在室溫下幾乎和銅具有相同的熱導率。但是SiC也有其自身存在的問 題:SiC是一種高折射率材料,在1μm處的折射率高達2.59。正因為如此,緊靠激光器碟片放置的一個平面SiC窗口,將會導致高達3.3%的單程損 耗。使用減反射膜可以降低這種損耗,但是減反射膜也耐熱,這將降低碟片和SiC熱沉之間的粘接強度。

  無損耗反射

  研究人員使用SiC棱鏡代替平面SiC窗口,以某一角度泵浦棱鏡/碟片復合塊,并設計棱鏡使得光束以布儒斯特角入射到復合塊的界面上(除單次全內反射外),這意味著對p偏 振的800nm泵浦光而言,所有的損耗都為零(見圖),從而解決了使用SiC所帶來的光損耗問題。棱鏡兩端的距離為40mm,頂端到底面的厚度為 8.3mm;增益介質的厚度為0.4mm。激光碟片只通過SiC棱鏡冷卻,碟片的其他面保持與空氣接觸,這樣就可以通過熱成像儀測量SiC的溫度分布。

碳化硅棱鏡有效冷卻碟片激光器

  圖:一個Yb:YAG/SiC 棱鏡/碟片增益介質復合塊,被一個在所有界面均以布儒斯特角入射的光束泵浦。激光碟片的實際厚度要比圖中顯示得薄得多。

  這種復合塊被置于一個穩定腔配置中,該配置由一個稍帶曲率的泵浦分色鏡和一個平面輸出鏡(實驗中采用了反射率在70%~98%之間的不同輸出鏡)組成。激光器以準連續波方式運行,占空比為10%,重復頻率為100Hz。

  由于光纖傳導的泵浦光源是非偏振的,在表面處損耗了30%的泵浦功率(利用偏振泵浦光源可以消除該損耗)。采用反射率為85%的輸出鏡,獲得了約為38%的最佳斜率效率,輸出功率為12W。高達3~4kW/cm2的泵浦閾值密度促使研究人員對激光器進行建模,并確定了SiC自身也存在一些吸收,其導致了大約3%的單程損耗。

  高光束質量

  Yb:YAG碟片激光器實現了非常不錯的光束質量(M2):在X和Y方向上約為1.5。輸出光束的偏振襯度至少為1000:1。模擬結果顯示,當泵浦功率為7.7 W時,激光碟片層的溫度差異約為10℃左右,這與熱成像儀的測量結果相符。

  研究人員注意到,棱鏡/碟片復合激光器的設計,可以通過沿著棱鏡基線方向延長泵浦點來提高輸出功率;而非穩定腔的配置可以提高功率提取效率。通過將碟片 層的開放面與銅熱沉接觸,可以實現雙面冷卻。有限元仿真結果表明,雙面冷卻能夠將碟片的極限溫度降低2.5倍甚至更多。

【光粒網綜合報道】( 責任編輯:yeyan )
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