复合Nd∶YAG晶体大功率1064 nm固体激光器研究.doc

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1、第 48 卷 第 1 期 激 光 与 红 外 Vol 48， No 1 2018 年 1 月 LASE INF A ED January， 2018 文章编号： 1001 5078（ 2018） 01 0047 05 激光器技术 复 合 Nd YAG 晶 体 大 功 率 1064 nm 固 体 激 光 器 研 究 郝 旺，李 祎，高兰兰 （ 长春理工大学，吉林 长春 130022） 摘 要： 报道了采用 Comsol 多物理场仿真软件模拟计算三种结构 Nd YAG 晶体的温度场分 布，并通过实验 ，对比分析复合晶体与均匀掺杂 Nd YAG 晶体的输出功率和转化效率 。模拟 结果表明，当泵浦功率

2、为 18 W 时，尺寸为 3 mm 3 mm 10 mm、 3 mm 3 mm 16 mm、 3 mm 3 mm 20 mm 的三种晶体的最高温度分别为 97 12 、 89 08 和 88 01 ，复合晶体在降低 晶体工作温度，减小热效应方面优势明显。采用相同的工作条件，当泵浦功率为 18 W 时，均 匀掺杂 Nd YAG 晶体 1064 nm 激光最大 输出功率为 6 W， 16 mm 长的复合晶体的输出功率为 9 3 W，且未出现饱和现象，光斑质量优于均匀掺杂晶体情况。理论和实验结果表明，复合晶 体在降低热效应，提高光斑质量方面具有更高的实用性。 关键词： Nd YAG； 热透镜； 复合

3、晶体 中图分类号： TN248 1 文献标识码： A DOI： 10 3969 / j issn 1001 5078 2018 01 008 esearch on composited Nd YAG crystal high power 1064 nm solid state laser HAO Wang， LI Yi， GAO Lan lan （ Changchun University of Science and Technology， Changchun 130022， China） Abstract： The temperature field distributions of th

4、ree Nd YAG crystal structures were calculated by using the Comsol multiphysical field simulation software， and the output power and conversion efficiency of the composite crystal and the uniform doped Nd YAG crystal were compared through the experiments The simulation results show that the maxi- mum

5、 temperatures of three crystals whose size are 3 mm 3 mm 10 mm、 3 mm 3 mm 16 mm and 3 mm 3 mm 20 mm are 97 12 ， 89 08 and 88 01 respectively when pumping power is 18 W The composite crystal has an obvious advantage in reducing the temperature of the crystal and reducing the thermal effect When pumpi

6、ng power is 18 W， the maximum output power of uniform doped Nd YAG crystals is 6 W， while the output power at 1064 nm with the 16 mm composite crystal is 9 3 W Meanwhile， there is no saturation phenomenon for the composite crystal， and the beam quality is better than that of the uniform doped crysta

7、l The theoretical and experimental results show that the composite crystal has a higher practicability in reducing the thermal effect Key words： Nd YAG； thermal lens； composite crystal ： （ 1997 ） ， ， ， 。 E mail： 1244608806 作者简介 郝 旺 男 本科在读研究方向为 全固体 激光器 技术及 非线性频 率变换 技术 通讯作者 ： qq com 高兰兰（ 1975 ） ，女 163

8、 com ，副 教 授 ，研 究方 向 为 全固 体 激 光器 技 术 及 非线 性 频 率 变换 技 术 。 E mail： gll_75 收稿日期： 2017 05 24； 修订日期： 2017 06 23 1 48 引 言 ， 激 光 与 红 外 第 48 卷 在固体激 光器激光晶体的工作过程中 由于量 子亏损、下激光能级与基态之间能差转化为热量、激 光猝灭等原因会产生大量的热量，进而导致激光晶 体内部温度分布不均匀，产生热透镜、端面热变形等 效应。当泵浦功率输入稳定时，晶体内部便会形成 稳定的温度场，引起晶体的热透镜效应，进而影响晶 体折射率、限制激光器输出功率，影响 Nd YAG 激

9、 光器的性能 。通过键合技术将 Nd YAG 晶体键 合成为复合晶体，构成激光器的谐振腔，这种激光 器 具有高集成、高可靠性和峰值功率高，光斑质量好等 图 1 Nd YAG 晶体结构 优点 。 Fig 1 Nd YAG crystal structure 由热动力学分析可得，整个长方体晶体处于稳 本文采用三种不同结构的 Nd YAG 晶体，通过 Comsol 仿真软件 对三种激光晶体在相同 工作条件 下的 温度分布进行模拟 ，结合实验数据验证理论 模拟的正确性，研究结果表明复合晶体的散热效果 优于均匀掺杂 Nd YAG 晶体 激光器的输出功率提， 高 50% ，光斑 质量也更 优化。理 论和实

10、验 结果表 态时的热传导方程为： r 其中： h in （k T z ） + Q 2 = 0 2 （ 1） 明，复合 晶体在 高质量 大功率 激光 输出 方面 更加 有利 。 2 Comsol 模拟 Nd YAG 晶体温度分布 Q = 2 p 2 2 exp（ 2r / p ） exp（ z） （ 2） 本研究使用的 Nd YAG 晶体有两种结构，一种 r = x + y （ 3） 为均匀掺杂 Nd 1（ a ） ） ， 离子的 Nd YAG 激光晶体（ 如图 ， x、 y、 z 分别为 Nd YAG 柱体的端面坐标和轴向 坐标， 激光晶体的坐标原点为晶体泵浦端面中心。 3 + 所 示 另 一

11、 种 为键 合 结 构 即 在 均匀 掺 杂 Q 为由泵浦光转化的热量 ； p 为泵浦光在晶体 Nd 离子的 Nd YAG 激光晶体两端利用扩散结合 中传输的光束半径； h 为泵浦能量转化为热 量的比 的方式键合 3 mm 的 YAG 晶体（ 如图 1（ b） 所示） 。 由于 YAG 晶体对泵浦光无吸收 可以将复合晶体中， 例系数； p in 为泵浦功率； 为 Nd YAG 对泵浦光的 的热量从掺杂部分扩散到非掺杂部分 ，再由制冷装 吸收系数 ； k 为 Nd YAG 的热导率。 置将热量散发，因此比均匀掺杂晶体的散热效果好 1 方程 中 取 h = 35% ， p in = 1 18 W，

12、 1 = 3 5 ， ， cm ， p = 200 m， k = 13 Wm K ，激光晶体 很多 减少晶体的热膨胀 降低大量积累的热量对激 光晶体折射率的影响 。为了对比这两 种晶体的 与空气 接触 的 两 个 端 面的 热 交 换 系 数取 cm K ， h = 50 散热性能，对其在端 面泵浦工作情况下，达到稳态时 的温度分布进行了模拟。 与金属底座接触的侧面热交换系 数取 h = 10000 cm K ，设 Te （ 环境温度） = 20 ，金 C 3 模拟结果与实验数据 通过 Comsol 仿真软件的热传导模块对 两种激 光晶体在激光器工作达到稳态时的温度分布进行模 拟，得到的模拟结

13、果如图 2 和图 3 所示。 通过 Comsol 仿真软件模拟得到 的结果如表 1 1 2 3 4 1 （ kr ） + 2 p 5 3 + 6 2 1 2 1 7 T = 18 。 所示。 同时通过软件模拟得到了两 种激光晶体在稳态 工作时晶体内最高温度点的位置坐标，如表 2 所示。 激 光 与 红 外 No 1 2018 郝 旺等 复合 Nd YAG 晶体大功率 1064 nm 固体激光器研究 表 1 两种晶体在激光器达到稳态时 晶体内最高、低温度 49 Tab 1 The highest and lowest temperatures inside the crystals when t

14、he laser reaches steady state 晶体种类 均匀掺杂晶体 复合晶体（ 3 mm） 最高温度 / 97 1205 89 0806 最低温度 / 18 6928 18 0580 表 Tab 2 2 两种晶体在激光器达到稳态时 晶体内最高温度点坐标 The coordinates of highest and lowest temperature point inside the crystals when the laser reaches steady state 晶体种类 均匀掺杂晶体 复合晶体（ 3 mm） 坐标（ x， y， z） /mm （ 0 0065370

15、， 0 0063914 ， 0 ） （ 0 0078764， 0 0014302， 1 0279） 实验中 利用波长， 808 nm 半导体激光器作为泵浦 图 2 均匀掺杂晶体稳态时的温度分布 源，其最大输出功率为 18 W，分别以 3 mm 3 mm 10 mm、 3 mm 3 mm 16 mm 两种 Nd YAG 激光 Fig 2 Temperature distribution of the uniformly doped crystal in the steady state 晶体 为工作物质进行实验，测量激光器达到稳态时 1064 nm 激光的输出功率，得到图 4 所示的 功率输 出

16、曲线。 图 4 两种激光晶体的输出功率曲线 Fig 4 The output power vs LD working current for two kinds of laser crystal 从图 4 中可以看出，两端有 3 mm 键合纯 YAG 的 Nd YAG 晶体在 LD 最大工作电流为 42 5 A（ 输 出功率为 18 W） 时， 1064 nm 激光的最大输出功率 图 3 键合 3 mmYAG 晶体的复合晶体稳态时的温度分布 为 9 3 W，均匀掺杂 Nd YAG 的输出功率为 6 W， Fig 3 Temperature distribution of the composi

17、te crystal bonding 3 mm YAG crystal in the steady state 如果继续增加泵浦功率，均匀掺杂 Nd YAG 晶体的 光斑不再是 TEM00 模，说明晶体内温度场已经严重 影响激光器的工作 性能。而复 合晶体输出的均 为 50 。 激 光 与 红 外 1 07 ， 第 48 卷 （ 0 基模 4 拓展与探索 度下 降 最 高温 度 点 的 位 置坐 标 为 为了分析复合晶体 的端面键合晶体对激光晶体 在稳态工作时最高温度的影响，进行了第三种复合 结构晶体的模拟，即将端面键合晶体的长度设置为 5 mm（ 晶体结构如图 5 所示） ，利用 Comso

18、l 仿真软 件的热传导模块对其在激光器工作达到稳态时的温 度分布进行模拟，得到的模拟结果如图 6 所示。 图 5 两端分别有长 5 mm 的未掺杂 YAG 的复合晶体 Fig 5 Composite crystal which has 5 mm not doped YAG on both ends 图 6 键合 5 mm YAG 晶体的复合晶体稳态时的温度分布 Fig 6 Temperature distribution of the composite crystal bonding 5 mm YAG crystal in the steady state 当延长复合晶体的端面键合晶体为 5

19、 mm 时， 激光器工作达到 稳态时晶 体的最高 温度为 88 01 ，比端面键合晶体为 3 mm 的复合晶体的最高温 02934， 0 0091596， 0 93665） （ 单位： mm） ，相比端面 键合晶体为 3 mm 的复合 晶体向泵浦端面方向（ 即 z 轴负半轴方向） 移动 0 09 mm。 5 结论与分析 对比图 2 和图 3 的温度分布可以看出，均匀掺 杂晶体的最高温度达到 97 12 ，最高温度在晶体 泵浦端的端面位置，此处对泵浦光的吸收最强，且与 空气 接 触 散 热 效 果 差，故 温 度 最 高； 复 合 晶 体 （ 3 mm） 的最高温度达到 89 08 ，与均匀掺杂

20、晶体 相比温度下降大约 8 ，虽然泵浦端面吸收的热量 也很多，但是在增加了 YAG 端帽后，散热效果得到 改善，最高温度位置向晶 体中心方向（ 即 z 轴正半轴 方向） 移动； 复合晶体（ 5 mm） 的最高温度达到 88 01 ，与复合晶体（ 3 mm） 相比最高温度下降大约 1 ，晶体最高温度点位置移动 0 09 mm，说明在泵浦 功率一定的情况下，增加纯 YAG 端帽结构的长度， 复合晶体的散热效果更好，如果增大泵浦功率，这种 优势则更加明显。 由实验结果可得，复合晶体相较于均匀掺杂晶 体，通过在泵浦端键合 YAG 晶体，有利于晶体的散 热，降低了激光晶体工作时的热效应，使得激光器的 输

21、出功率更高，光斑质量更优化 通 过对两种复合晶； 体的模拟结果的比较发现，增长键合 YAG 晶体的长 度对降低激光晶体的最高温度有一定的效果。在实 际应用中，通过在 Nd YAG 晶体两端键合 YAG 晶 体，可以有效降低激光晶体的热效应，提高激光器输 出功率 故复合晶体具有更大的优势， ，更适合应用于 大功率激光器。 参考文献： 1 Frauchiger J， Peter Albers， Heinz P Weber Modeling of thermal lensing and higher order ring mode oscillation in end pumped CW Nd YA

22、G lasers J IEEE J Quantum Electron， 1992， 28（ 4） ： 1046 1056 2 ZHAO Yuan， CAI Xiping， LIU Jianbo， et al Diode pumped solid state laser radar technology and its applica- tions J Infrared and Laser Engineering， 2001， 30（ 1） ： 47 50 （ in Chinese） 赵远 蔡喜平， ，刘 剑波，等 二 极管 泵浦 固 体激 光雷 达 激 光 与 红 外 No 1 2018 郝

23、旺等 复合 Nd YAG 晶体大功率 1064 nm 固体激光器研究 51 技术 及其 应 用 J 红 外 与 激 光 工程 ， 2001， 30 （ 1 ） ： 社 ， 2012 3 47 50 LI Long， GENG Yingge， YU Genghua， et al Thermal 5 HU Zhiyong， SUN Weicheng， WANG Zhaoying， et al Lat- est developments of thermally bonded planar waveguide effect of Nd YAG rod crystal end pumped by pu

24、lse LD J Applied Laser， 2015， 35 （ 5 ） ： 597 602 （ in Chi- lasers with a double clad fabric J Laser tronics Progress， 2004， 41（ 2） ： 21 23 Optoelec- nese） 李隆，耿鹰鸽 Nd YAG ，余庚 华 ，等 脉冲 激光 二 极管 端面 泵 浦 J ， 2015，35 6 LV Jingshu， YAN Ping， GONG Mali， et al Thermal bond- ing and its application in laser syst

25、em J Optical Tech- nique， 2002， 28（ 4） ： 355 359 圆 棒 晶 体 热 效 应 （ 5） ： 597 602 应 用 激 光 7 GAO LanlanStudy on several key technologies of LD 4 WANG Gang， AN Lin Comsol multiphysics engineering pumped all solid state laser D Changchun： Chang- practice and theoretical simulation： physical field numeri- c

26、hun Institute of Optics， Fine Mechanics and Physics， cal analysis technology M Beijing： Publishing House of Electronics Industry， 2012 （ in Chinese ） 王刚，安 琳 COMSOL Multiphysics 工 程实 践与 理论 仿 真： 多物理场数值分析技术 M 北京： 电子 工业出 版 Chinese Academy of Science， 2003： 66 72 （ in Chinese） 高兰兰 LD 泵 浦全 固体 激光 器几 个关 键 技术 的研 究 D 长春 中国科学院长春光学精密机 械与物理研究： 所， 2003： 66 72