【2017年整理】LD侧泵固体激光器热效应分析.doc

LD侧泵固体激光器热透镜效应分析 【摘要】：LD侧泵固体激光器的热透镜效应不容忽视，文中对LD侧泵固体激光器的热透镜效应进行了分析。同时，介绍了热透镜焦距传统的测量方法以及“非稳腔”法。本文在实验平台上利用“非稳腔”法测定了在某一驱动电流I下LD侧泵固体激光器热透镜焦距f，绘制了f-I、f-P曲线。最后，提出一些方案，尽可能的减小热透镜效应。 【关键词】：LD侧泵、固体激光器、热透镜效应 引言 近年来,大功率、高效能二极管泵浦固体激光器一直是激光领域的前沿课题,由于二极管泵浦固体激光器效率高、寿命长、体积小、可靠性好,因此应用前景非常广阔。尽管因为二极管泵浦光与Nd:YAG晶体吸收光谱匹配良好,使二极管泵浦固体激光器中工作物质的热效应大为降低,但由于量子损耗的存在,造成它与灯泵浦固体激光器一样,不可避免的存在着热效应问题,尤其在大功率二极管泵浦固体激光器中热效应显得更为显著[1]。本文主要对二极管泵浦下，Nd:YAG晶体的热效应进行实验和分析。 LD泵浦条件下的热透镜效应 2.1热透镜介绍 热透镜是由于激光器中的传输介质吸收了激光束，从而温度升高使得介质折射系数发生变化而形成的[1]。所生成的透镜（通常是发散式的）使得沿激光束轴线方向的照度发生变化。 LD泵浦条件下的热透镜效应产生的原因和特点 二极管泵浦固体激光器中工作物质产生的热量主要是由于工作物质吸收泵浦光再转化为激光的输出过程中,粒子非辐射跃迁过程所产生的热量,这种过程产生的热称为量子损耗。显然每产生一个光子,其相应产生的热为： Q=hv1-hv2[2]…………………………………… （2.1） 其中h为普朗克常数,hv1、hv2分别为泵浦光频率、激光频率。 当然，LD泵浦条件下工作物质的热效应相对于灯泵浦要轻微一些。因为在灯泵浦固体激光器中由于闪光灯发射的光谱较宽,工作物质除上述原因产生的热量以外,还会由于红外及紫外辐射吸收产生大量的热。但是,由于二极管发射的泵浦光方向性很强,空间分布比较集中,使工作物质中泵浦功率分布不均匀,有些区域功率密度很高,相应的产生的热功率也很大。所以二极管泵浦条件下工作物质的热效应情况就比较复杂[3]。 二极管侧面泵浦条件下工作物质为Nd:YAG（YAG棒直径为3mm,长为67mm），聚光腔结构为图2.1所示。采用了单条的激光二极管阵列，每3个的激光二极管阵列串联排列在同一个金属模块上，共组成三个模块，这三个模块均匀分布在的周围，呈三边对称形。每一个金属模块共用一个液体冷却通道,冷却液沿激光二极管阵列的串联方向流通。 图2.1 二极管抽运腔侧视示意图 3. 热透镜焦距测量实验 3.1 传统He-Ne光探测法[2] 在测量热透镜焦距的实验方法中，最常用的就是He-Ne光探测法。其实验装置图如下图3.1所示。 图3.1二极管侧面泵浦固体激光器热焦距的测量示意图时，激光腔处于稳定区[6]。如果使镜面M1紧贴模块，从而保证了L1f,则要保证激光器工作在稳定区内，有激光输出，只需要满足L2f,且腔型不构成对称腔即可。我们可以利用这个原理来测量装置的热透镜焦距。 我们利用上面所说的“非稳腔”法对现有的半导体侧向泵浦模块进行热焦距的测量，搭建实验装置如图3.2所示。实验中采用的LD侧向泵浦的Nd:YAG模块（YAG棒直径为3mm,长为67mm），采用循环水冷方式（冷却水温度20℃），M1为1064HR，M2为10%透过率的输出镜。实验中M1紧贴模块，移动M2镜至不同位置。实验中，我们选取了L2从500mm到900mm，每隔50mm的9个长度，对每一组合逐渐加大电流，观察输出功率随泵浦电流的变化，当增大泵浦电流到某一值时，激光停止输出，记录下此时的驱动电流及电压。对应于此泵浦功率的热焦距大小即为当时的L1值。 图3.2 “非稳腔”法测LD泵浦固体激光器热焦距示意图 L d 图3.3 实验室“非稳腔”法测LD泵浦固体激光器热焦距示意图 如上图所示：L为工作物质的长度，本实验用的激光模块L=67mm,d为激光模块出光孔与透镜M2之间的距离。由于空气中的折射率与工作物质的折射率不一致，故所测量的热透镜焦距应为： f= L/2n+d……………………………………(3.1) 测量数据记录如下： 距离d（mm） 500 550 600 650 700 750 800 850 900 驱动电流I(A) 20.6 19.8 18.4 17.5