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全固态激光器中的热控制综述

2007-02-09 15:25
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张晶   樊仲维   石朝辉   牛岗   王培峰   崔建峰(北京国科世纪激光技术有限公司)

  中文摘要:随着全固态激光器向超高功率发展的技术进步,核心元器件的总功率大幅度增长而物理尺寸却要求小型化,热流密度也随之增加,要求对其进行更加有效的热控制;工作物质的热效应也限制了固体激光器向更高功率方向发展,对工作物质进行有效的热控制一直是关注的焦点。本文针对工作物质的热控制和泵浦源的散热与冷却问题,综述了当前应用研究中不同的散热和冷却方法。

 一、引言
  全固态激光器(激光二极管泵浦固态激光器)DPL由于具有转换效率高、光束质量好、工作寿命长、结构紧凑、稳定可靠等一系列传统灯泵浦固体激光器无法比拟的优点,近年来发展极为迅速,已成为固体激光器发展的主流。并广泛的应用于工业加工、彩色印刷、显示和医疗、通讯、军事等众多领域。
  就全固态激光系统而言,热管理的范围主要包括泵浦源、激光工作介质,驱动源、附属元件(如谐波发生器)等的热管理.激光工作介质的热管理问题主要表现在工作物质在泵浦过程的热效应问题:泵浦源向固体激光介质提供产生激光所需能量的同时,在介质中造成无用热。为了持续工作,必须及时从激光介质中消除这些无用热(散热),形成“热效应”。既限制了激光器的输出平均功率,同时畸变导致激光光束质量下降,使输出激光的亮度降低。而对泵浦源的热管理问题则主要针对激光二极管阵列,它的应用极大地提高了固体激光系统的效率,然而,要将工作温度控制在相对窄的范围内,需要有比较完善的热控制系统,这一点与闪光灯泵浦激光器是不同的,在端面泵浦系统中,通过温度来调谐激光二极管的输出波长,使之与激光器峰值吸收谱线相匹配;并通过TE致冷器控制阵列的温度,维持得到的波长,这种方法对于小型激光器很有效,在大系统中,通常就会采用液冷回路来维持半导体激光器不受到环境温度的影响。不过制冷效率通常不会超过1,点输入功率相当于需要控制的热量,因此,产生大热量的系统中,输入的电功率就相当高,同时制冷效率很低,这是很大的一个问题,在技术上是一个极大的挑战。

二、激光工作介质热管理问题

  以Nd:YAG晶体为例,Nd:YAG晶体是目前应用最多、最具代表性的一种固体工作介质,它属四能级系统,如图l所示。当Nd:YAG晶体受到外界能量的激励(泵浦)时,处于基态l上的粒子将跃迁到能级4上,能级4上粒子的寿命极短,很快热弛豫到亚稳能级3上。能级3上粒子的寿命较长,而室温下能级2上粒子集居数接近于零。因此很容易在能级2和3之间形成粒子集居数反转,能级3上的粒子跃迁到能级2上形成激光振荡。能级2上的粒子很快热弛豫到基态能级1,以保持能级2上粒子集居数近似为零,激光阈值很低。
      
  自1960年第一台激光器一气体放电灯泵浦的固体激光器诞生起,人们就在与伴随激光而产生的有害热效应进行着不懈的斗争。在减少无用热方面已经取得了重大成果,但没有完全解决。归纳起来,主要进行了两方面的工作:

1.尽可能减少工作介质内产生的无用热
  全固态激光器采用半导体激光二极管(LD—laser diode)代替闪光灯泵浦固体激光介质,由于泵浦光与吸收带完全匹配,大大降低了无用热,但从YAG的能级(图1)可以看出,由于量子缺陷,受激态吸收等,工作介质中仍然要产生无用热。于是发展了多种低热泵浦技术(进一步消除量子缺陷造成的无用热的各种方法统称为低热泵浦技术)进一步减少激光工作介质中的无用热。如:A 采用准三能级系统可以降低量子缺陷,但对泵浦功率密度、均匀性等有很高的要求,其中最有名的是Yb:YAG晶体;B 直接泵浦技术,把基态粒子直接泵浦到激光上能级3,而不通过能级4;C 热助推技术,把基态上热激励的斯托克斯能级上的粒子直接泵浦到激光上能级3;D 辐射平衡,尽量减少进入工作介质无用热,并维持激光和光泵光强的平衡等。

2.在现有的技术状况下,激光介质中的无用热只能尽量减少,而不能完全消除,减少、补偿无用热导致的不良影响
目前已发展了多种技术减少、补偿无用热造成的不利影响,如:
A.使热流与激光方向一致,热畸变对激光光束质量的影响减小
B. 为进一步减少无用热造成的不利影响,对激光工作介质的几何形状、泵浦一冷却的程序和结构设     计上发展了多种有效的实用技术,同时合理设计掺杂浓度,泵浦强度和分布,减小热梯度等。其中包括采用圆棒,管状,板条,盘片,光纤等,以利于有效散热,当前较为突出的主要有以下几种类型:a. LD泵浦的圆棒状激光器,采用LD泵浦已经大大减小了进入工作介质的无用热,但由于量子缺陷、量子效率以及上转换等损耗造成的无用热仍然严重影响了固体激光器的性能。要获得高平均功率、高效率、高光束质量激光输出,首要条件是要保证泵浦的均匀性。这涉及到泵浦结构、强度,工作介质的几何形状,掺杂浓度以及浓度分布等;其次是设法消除或补偿热致双折射;在提高抗应力破坏方面,热容模式工作取得了最明显的效果。用非球面透镜可以部分补偿热畸变,特别是针对某一固定的泵浦功率;由于光效正比于腔内增益与损耗之比,因此采用高增益、低畸变的工作方式将有利于提高输出平均功率。b.高平均功率光纤激光器,与传统的固体激光器相比,光纤激光器的工作介质的“表面积/体积”比很比其它块状工作介质的大2~3个数量级,散热效果良好;激光模式由纤芯直径d和数值孔径NA决定,不受介质中无用热的影响;纤芯直径很小,容易实现均匀的高功率密度泵浦;c. 热容激光器,热容激光器是间歇工作的,在泵浦和激光发射期间不对工作介质冷却,工作介质“储能”,激光发射停止后的间歇期间才对工作介质冷却,然后进入下一个循环,由于间歇时间致冷,可以采用自然风冷,整体结构减小,特别适合军用。
C. 采用退偏补偿、损耗再利用等提高输出功率;
D.合理的腔型设计以补偿热影响。在中小输出功率下可以通过腔型设计获得单纵模,单横模,较高平均功率的高光束质量激光,这是比较充分、理论上比较成熟的工作;
E.采用热容模式工作、压应力设计提高工作介质抗热应力破坏阈值;

三、泵浦源热管理问题

  由于二极管的发射波长随温度发生漂移,就要对泵浦二极管进行温控,以保证泵浦的高效率,而且LD功率在不断地增大,超高平均功率激光器的有效散热是一个非常严重的问题。在微系统中可能出现的高热流密度对于LD是致命的,目前所使用的LD列阵的热流密度为百瓦级/cm2,随着输出功率的增加,需要耗散的热量也必然增大,然而使用传统的冷却技术要使如此高的热流密度在短时间内散去几乎是不现实的;另一方面,LD工作的可靠性对温度十分敏感,温度平均每变化1℃波长就会变化0.3nm,同时可靠性就会下降。因而在开发、研制中必须要充分考虑到良好的散热手段,才能保证产品的可靠性和表观。由于器件的小型化、微型化和集成化,所采用的散热和冷却手段必须要求具有紧凑性、可靠性、灵活性、高散热效率等特点。
  从微小电子元器件目前应用的角度看,常用的方法主要有:自然散热或冷却、强制散热或冷却、液体冷却、制冷方式、疏导方式、热隔离方式和PCM 温度控制方法,国际上新兴的散热方法还有微通道、利用相变技术的微槽群技术和喷雾技术等等。上述制冷方法俄冷却能力如表一所示。
Chart 1 The comparison of cooling fashions mentioned above
强制水冷 10w/cm2
强制气冷 <1w/cm2
半导体致冷(TEC) 1w/cm2
热电离子冷却(HIT) 100w/cm2
液冷散热(包括:开放式
微槽群相变冷却,封闭式
微槽道冷却,热管冷却, 1-800w/cm2
合成微喷(mJETS)及振动
制冷器(VIDA)) 
喷雾冷却 1000w/cm2
  已用于激光器冷却技术:空冷方式,浸没式液冷方式,单相、相变液冷方式包括毫米-微米级“微通道”方式),常规尺寸的TEC方式,喷雾冷却方式(实验室阶段),仅对目前比较成熟的可以应用在激光器上的散热结构进行介绍:

1.微通道冷却方式
  通过提高散热器的散热面积,提高散热效率。对流换热系数主要和流速、特征尺寸、密度、流体的传热系数、热容等因素有关。提高流速、增加特征尺寸是增加传热系数的常用方法,同时流体在旺盛紊流时换热效果最好。
         
2.微槽群相变冷却方式
  在单片激光二极管阵列基片上构建毛细微槽群相变取热单元(微型蒸发器)。相应于激光二极管阵列,采用多个微型蒸发器的并联形成微小空间里的阵列式取热单元进行取热,并搭建分路式或集合式微流体和热量输运回路,以及被动式或主动式凝结器(冷端热沉),如下图所示。


四、小结

  全固态激光不仅成为激光技术研究、发展中的一个热门课题,而且已经获得了大量的重要应用,但是用LD泵浦并没有完全解决固体激光器中的“无用热”问题,要实现工程意义上的高平均功率、高稳定性运转还要依赖于工作介质、LD 、泵浦技术等的发展。
参考文献:
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