李久喜，王鵬飛，謝 爽

（華北光電技術(shù)研究所，北京100015）

1 引 言

對(duì)于多數(shù)激光應(yīng)用，激光器的光束參數(shù)如功率、能量、發(fā)散角、光斑尺寸、相干性和偏振等是表征激光器性能的重要參數(shù)，并作過許多測(cè)量［1-3］。激光器輸出光束的光軸漂移量和其他光束參數(shù)一樣，也是衡量激光器性能的重要參數(shù)。激光二極管（LD）的輻射光譜和固體激光介質(zhì)的吸收光譜能夠很好地匹配，使二極管泵浦固體激光介質(zhì)的熱效應(yīng)大大降低。但對(duì)于高功率運(yùn)轉(zhuǎn)的二極管泵浦固體激光器來說，介質(zhì)會(huì)吸收一部分泵浦光能量而發(fā)熱，同時(shí)又因外部冷卻散熱，在介質(zhì)內(nèi)形成一定的溫度梯度［4］。這種非均勻溫度場(chǎng)及相應(yīng)的熱透鏡作用，對(duì)輸出激光的光軸漂移量有很大的影響。

本文主要針對(duì)二極管泵浦電光調(diào)Q激光器脈沖工作狀態(tài)下影響光軸漂移的因素進(jìn)行了分析，給出了一些有實(shí)踐意義的結(jié)論，對(duì)光軸漂移有較高指標(biāo)要求的固體激光器設(shè)計(jì)起到了一定的參考作用。

2 實(shí)驗(yàn)裝置及初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，Nd∶YAG晶體通過上下兩塊銅熱沉夾持并固定在LD熱沉上，晶體與銅熱沉之間填充導(dǎo)熱材料將晶體產(chǎn)生的熱量導(dǎo)出。晶體熱沉前后兩側(cè)各由一組激光二極管模塊進(jìn)行泵浦。二極管泵浦模塊采用應(yīng)用較為廣泛的面陣列三向側(cè)面泵浦，每個(gè)LD面陣列由6個(gè)Bar組成，泵浦結(jié)構(gòu)共計(jì)36 Bar。二極管熱沉由半導(dǎo)體制冷器（TEC）進(jìn)行溫度控制，并把溫度控制在二極管的最佳工作溫度40℃。半導(dǎo)體制冷器熱端和散熱片相接，強(qiáng)制風(fēng)冷散熱。激光工作頻率可以在4～22 Hz之間調(diào)節(jié)，每個(gè)循環(huán)工作周期為20 s。

圖1 泵浦及晶體夾持結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of pumping and clamping structure

實(shí)驗(yàn)中激光晶體周圍均勻包裹銦箔并與熱沉良好接觸，通過調(diào)整激光諧振腔鏡及晶體經(jīng)過精確光軸對(duì)準(zhǔn)后使輸出能量在設(shè)定的工作頻率和二極管供電電流下達(dá)到最大值，用Spiricon LBA-PC光束分析儀在兩米反射鏡的焦點(diǎn)處觀察激光的光軸穩(wěn)定性，測(cè)試方法按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行［5］。發(fā)現(xiàn)激光器在限定的工作時(shí)間內(nèi)，光束光軸發(fā)生了較大的漂移，光軸漂移量Y方向最大值為0.12 mrad，如圖2所示。如此大的光軸漂移量無法滿足激光指示器應(yīng)用要求。

圖2 激光光軸發(fā)生漂移Fig.2 Phenomenon of optics axes drifts

3 引起光軸較大偏移的原因分析及激光晶體溫度分布的軟件模擬

在重復(fù)脈沖泵浦激光器中，激光晶體的光學(xué)畸變是由晶體對(duì)泵浦光的吸收，引發(fā)晶體內(nèi)部不均勻的熱耗和冷卻造成的熱梯度累積效應(yīng)引起的［6］。由于晶體邊界溫度的不均勻，引起激光介質(zhì)的非軸對(duì)稱徑向散熱的波動(dòng)，從而在介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生處于不斷變化的熱透鏡，引發(fā)晶體的熱透鏡效應(yīng)也呈現(xiàn)非軸對(duì)稱趨勢(shì)，致使晶體的熱透鏡存在畸變從而引起激光光軸的漂移。通常，LD側(cè)面泵浦固體激光棒熱透鏡焦距 f的計(jì)算式為［7］：

式中，K是熱導(dǎo)率；A是激光棒橫截面積；α是熱擴(kuò)散系數(shù)；Cr，θ是固體激光棒的彈光系數(shù)；Pa是棒內(nèi)總熱耗散熱量；n0是運(yùn)行時(shí)棒心折射率；r0是激光棒半徑；L是激光棒長(zhǎng)；為Nd∶YAG的折射率溫度系數(shù)。式中相加的三項(xiàng)分別表示溫度梯度，熱致應(yīng)力雙折射和端面彎曲的影響。其中以溫度梯度的影響最大，應(yīng)力雙折射次之，端面效應(yīng)最小。

其中，a=1.9×106W/( c m·K)，b=5.33 K-1，c=7.14，d=331 W/cm。也給出了折射率溫度系數(shù)與溫度的關(guān)系，令，有：

其中，a=-2.59×10-6K-1，b=2.61×10-8K-2，c=6.02×10-11K-3。可見，當(dāng)晶體截面不同位置處如果存在溫度差異時(shí)，相應(yīng)的熱導(dǎo)率和折射率溫度系數(shù)也會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致其所在位置熱透鏡焦距發(fā)生改變。

圖3 三方向泵浦激光晶體熒光分布Fig.3 Fluorescence distribution in laser crystal

二極管陣列采用三向側(cè)面泵浦結(jié)構(gòu)，激光晶體截面內(nèi)熒光分布如圖3所示，可以看出晶體橫截面內(nèi)熒光分布相對(duì)晶體軸線對(duì)稱，則晶體內(nèi)部的產(chǎn)熱也相對(duì)晶體軸線對(duì)稱。由于在x方向上晶體的泵浦和散熱結(jié)構(gòu)相對(duì)于晶體軸線所在的yz平面對(duì)稱，在x方向上的溫度分布也相對(duì)于該平面對(duì)稱。在y方向上，由于晶體熱沉結(jié)構(gòu)為單方向傳導(dǎo)散熱，在晶體熱沉上會(huì)出現(xiàn)溫度梯度，導(dǎo)致影響晶體內(nèi)部的溫度分布。這里只考慮晶體在y方向上存在溫度梯度的情況。為簡(jiǎn)化起見，我們把通過晶體截面的光線以晶體軸線為界分成上下兩部分，當(dāng)晶體軸線上下兩側(cè)的光線所處位置溫度不同時(shí)，會(huì)導(dǎo)致所在位置有不同的熱透鏡焦距，平行于光軸入射的光線由于經(jīng)過熱透鏡后將與光軸相交于不同的點(diǎn)，且兩條光線的交點(diǎn)偏離光軸，形成光軸漂移，如圖4所示。文獻(xiàn)［9］也指出不對(duì)稱的散熱導(dǎo)致晶體與熱沉接觸面上下兩側(cè)不對(duì)稱的溫度分布，晶體出現(xiàn)熱透鏡的畸變，晶體的熱透鏡效應(yīng)因此不能用理想的熱透鏡來等效，平行于光軸入射的光線通過它匯聚于不同的焦點(diǎn)，且偏移了光軸，從而導(dǎo)致了光軸漂移。

圖4 熱透鏡畸變引起的光軸漂移Fig.4 Optics axes drifts caused by thermal lens distortion

為了分析不同的傳熱結(jié)構(gòu)下晶體截面內(nèi)的溫度分布，利用有限元分析軟件CFDesign對(duì)激光晶體的散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值仿真模擬。計(jì)算模型中設(shè)置環(huán)境溫度20℃，YAG熱沉材料為紫銅。由于YAG熱沉與LD熱沉相連接并由TEC進(jìn)行溫度控制，晶體及熱沉的初始溫度為L(zhǎng)D的工作溫度40℃。軟件模擬了激光晶體在與晶體熱沉之間的填充材料發(fā)生改變時(shí)晶體內(nèi)部的溫度分布情況，模擬結(jié)果如圖5所示。模擬分為以下4種情況：

第一種為晶體夾持處晶體上半部墊入高導(dǎo)熱率材料銦箔，下半部墊入低熱導(dǎo)率的四氟薄片，激光穩(wěn)定工作時(shí)的溫度分布情況。銦箔導(dǎo)熱系數(shù)為81.6 W/（m·K）。以期減小激光晶體熱透鏡效應(yīng)的畸變。

第二種為激光晶體與上下兩側(cè)的夾持熱沉的接觸面內(nèi)全都填充銦箔進(jìn)行導(dǎo)熱。

第三種為晶體夾持處晶體上半部不填充導(dǎo)熱材料，存在空氣間隙，下半部墊入銦箔時(shí)激光穩(wěn)定工作時(shí)的溫度分布情況。

第四種填充導(dǎo)熱材料位置與第三種相反，晶體夾持處晶體上半部墊入銦箔，晶體下半部不填充導(dǎo)熱材料，存在空氣間隙時(shí)激光穩(wěn)定工作時(shí)的溫度分布情況。

圖5 晶體與熱沉之間填充不同導(dǎo)熱材料情況下的截面溫度分布Fig.5 Temperature distribution of laser crystal with different thermal conductive material

由模擬結(jié)果可以看出，在激光工作狀態(tài)下，由于晶體整體冷卻結(jié)構(gòu)為單側(cè)冷卻，晶體傳遞給上半部熱沉的熱量需要通過下半部熱沉導(dǎo)出，激光晶體接觸面處不同導(dǎo)熱材料由于熱導(dǎo)率不同，傳熱速度也有差別，傳熱速度較快一側(cè)晶體溫度較低。在第一種情況下，激光晶體夾持處，上下兩側(cè)的溫度接近相等。在第二、第三種情況下，上下兩側(cè)分別出現(xiàn)10℃、20℃的溫差。第四種情況下的溫差為-13℃，之所以出現(xiàn)負(fù)值，是因?yàn)橛捎诰w下半部分無導(dǎo)熱材料，此處溫度高于上半部分溫度。

在以上四種晶體的散熱結(jié)構(gòu)下，分別測(cè)量了LD在4～22 Hz工作頻率下的輸出激光的光軸漂移量，分析晶體散熱結(jié)構(gòu)對(duì)光軸漂移量的影響，如圖6所示。

同時(shí)可以通過軟件測(cè)量界面觀察到上述四種晶體散熱結(jié)構(gòu)下，在20 Hz工作頻率下的光軸漂移方向，如圖7所示。

仔細(xì)觀察可以看出：

1）經(jīng)過溫度平衡的YAG晶體在三方向均勻泵浦的結(jié)構(gòu)下始終保持著最小的光軸漂移量，在4～22 Hz頻率下光軸漂移量小于40μmrad，滿足激光測(cè)距、指示等實(shí)際應(yīng)用需求。

圖6 三向泵浦結(jié)構(gòu)下的光軸漂移量Fig.6 Optics axes drifts with different thermal conductive material

圖7 不同傳熱情況下的光軸漂移方向Fig.7 Directions of optics axes drifts with different thermal conductive material

2）在上述四種晶體散熱結(jié)構(gòu)下，未經(jīng)溫度平衡的YAG晶體隨著泵浦功率的增加，熱透鏡畸變加劇，光軸漂移量逐漸加大；晶體傳熱截面內(nèi)溫差越大時(shí)，輸出激光光軸漂移量也越大。

3）由于四種傳熱結(jié)構(gòu)在x方向上傳熱結(jié)構(gòu)相對(duì)光軸近似對(duì)稱，此方向的光軸漂移量均較小。在y方向上，當(dāng)晶體內(nèi)部溫度梯度發(fā)生改變時(shí)，光軸漂移方向也發(fā)生改變。

4 泵浦幾何和傳熱結(jié)構(gòu)引起的熱透鏡畸變對(duì)光軸漂移的影響分析

進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)分析泵浦不均勻的情況對(duì)光軸的影響。在三向泵浦結(jié)構(gòu)當(dāng)中，晶體光軸方向截面內(nèi)溫度相對(duì)光軸呈軸對(duì)稱分布［10］。在上述實(shí)驗(yàn)裝置中，將二極管面陣列三方向泵浦的最上面一側(cè)LD陣列去掉，形成雙方向泵浦。同時(shí)提高剩余二極管陣列的工作電流以保持注入能量不變，以維持激光輸出能量不變并保持晶體在不同泵浦結(jié)構(gòu)下具有相同的熱功耗。雙向泵浦結(jié)構(gòu)下的熒光分布如圖8所示?？梢钥闯?，雙向泵浦結(jié)構(gòu)下的熒光分布相對(duì)三向泵浦而言泵浦均勻性變差，熒光最強(qiáng)的位置并不在晶體軸線上，而是向泵浦LD一側(cè)偏移（熒光分布圖中實(shí)際顯示的是倒立的像）。

圖8 雙方向泵浦激光晶體熒光分布Fig.8 Fluorescence distribution in laser crystal

熒光分布表征著晶體內(nèi)部泵浦光的空間分布，熒光較強(qiáng)的區(qū)域內(nèi)晶體吸收泵浦光能量較多，相應(yīng)的在晶體該區(qū)域內(nèi)泵浦光能量更為集中［11］。當(dāng)熒光分布較差且吸收能量最多的區(qū)域偏離激光晶體中心時(shí)，晶體內(nèi)部同樣會(huì)出現(xiàn)不對(duì)稱的溫度分布，形成熱透鏡的畸變。

可見晶體內(nèi)部溫度分布不均勻的原因應(yīng)來自于兩個(gè)方面：晶體周圍散熱不均勻和泵浦光分布不均勻。這里實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析了熒光分布與傳熱結(jié)構(gòu)引起的熱透鏡畸變?cè)诓煌墓ぷ黝l率下對(duì)光軸漂移的影響。

采用雙方向泵浦結(jié)構(gòu)，再次得到不同晶體散熱結(jié)構(gòu)下的光軸漂移量的數(shù)據(jù)，并與三向泵浦結(jié)構(gòu)下的光軸漂移量進(jìn)行了對(duì)比，如圖9所示。

圖9 兩種泵浦結(jié)構(gòu)、不同傳熱情況下的光軸漂移差異Fig.9 Directions of optics axes drifts with different thermal conductive material

由于雙向泵浦結(jié)構(gòu)的傳熱模型更為復(fù)雜，此處未進(jìn)行不同傳熱結(jié)構(gòu)下的溫度分布模擬，只對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行定性的解釋。二向泵浦的晶體發(fā)熱區(qū)域更靠近晶體下半側(cè)熱沉，可以認(rèn)為在傳熱結(jié)構(gòu)的溫度分布上疊加了泵浦引起的溫度分布，且在上下方向上溫差為負(fù)值。對(duì)于第二、第三種傳熱結(jié)構(gòu)，晶體傳熱截面內(nèi)的溫差由于疊加了負(fù)的溫度梯度后，溫差減小，光軸漂移量減小；對(duì)于第一、第四種傳熱結(jié)構(gòu)，二向泵浦引起的溫度分布與傳熱結(jié)構(gòu)下的溫度分布情況重合度較高，晶體截面內(nèi)溫差變化較小，光軸漂移量變化差異也相對(duì)較小。這樣相對(duì)三向均勻泵浦的情況而言，二向泵浦時(shí)由于疊加了泵浦引起的非均勻溫度分布，傳熱截面內(nèi)溫差改變，相應(yīng)的光軸漂移量也隨之改變。

5 結(jié) 論

由于受到泵浦光不均勻分布和晶體散熱系統(tǒng)的共同影響，晶體內(nèi)溫度分布不均勻，形成溫度梯度，引發(fā)晶體非均勻的熱透鏡效應(yīng)，直接影響了激光輸出的指向穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)中所發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象是采用這一種散熱結(jié)構(gòu)激光器所共有的，通過對(duì)這類激光器的工作機(jī)理的研究可以得出以下結(jié)論：

（1）激光晶體的傳熱結(jié)構(gòu)及泵浦結(jié)構(gòu)引起的激光晶體內(nèi)部的溫度分布對(duì)光軸漂移量的影響至關(guān)重要。

（2）激光晶體存在溫度梯度的非對(duì)稱變化即所謂激光晶體的熱透鏡畸變是引起光軸漂移的關(guān)鍵因素，在激光器設(shè)計(jì)過程中需要盡可能保證激光晶體截面內(nèi)溫度分布相對(duì)光軸對(duì)稱，使光軸漂移量最小。

本文對(duì)激光器光軸漂移的原因進(jìn)行了分析，對(duì)比了不同傳熱結(jié)構(gòu)對(duì)輸出激光光軸漂移量的影響，定性分析了非均勻泵浦結(jié)構(gòu)對(duì)光軸漂移量的影響。分析結(jié)果對(duì)脈沖固體激光器的設(shè)計(jì)有著一定的參考意義。按照以上分析結(jié)論已經(jīng)進(jìn)行了多臺(tái)套激光器調(diào)試，效果明顯，并成功應(yīng)用于其光電平臺(tái)。