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高功率固体激光器的设计与研究

2013-09-05 00:04
铁马老言
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  文章介绍了当今流行的冷却/散热技术,并研究了现在碟片激光器增益晶体常用的直接或热 沉水冲击冷却的冷却方案,进一步探讨了激光器增益晶体如何才能更好地冷却,从而为其承载更高功率密度的激光光斑打下基础。在此基础上将目前流行的一些散热/冷却技术运用于此方案中,以对此方案进行大幅度改进,并对改进后的方案进行仿真模拟,预计其可行性以及效果。最终综合以上分析得出了一个较为理想的方案并说明了此方案的优势。

  1、技术背景

  1.1、课题来源

  近年来,国内外众多研究机构对高 功率碟片激光器做了大量的研究。其在材料加工等领域有广阔的市场前景。与传统的固体激光器相比,碟片激光器具有很多优势:热透镜效应很低,碟片激光亮度很高;对泵浦源亮度要求低、电光转换效率高、成本效益高—尤其是在高平均功率系统中;在内部强度不变的情况下,光束横截面与输出功率成正比;深增益饱和避免了常见于光纤激光器系统中的有害背向反射;模区横截面大,可避免一些由非线性效应所引起的问题。正是由于这些优势,碟片激光器克服了诸多传统棒状增益介质激光器无法克服的困难,从而带来了巨大的应用前景。

  1.2、研究目的

  通过设计优化碟片激光器冷却系 统,进一步改善碟片激光器的工作状态,实现更高的输出功率及光束质量,并降低碟片激光器使用成本。寻求比现在碟片激光器常用的直接或热沉水射流冲击冷却更好的冷却方案,对其效果模拟仿真。

  1.3、国内外基本研究概况

  碟片激光器近期主要研究成果有: 输出功率2kW,光束质量为2mm·mrad 的连续单碟片激光器;输出功率8kW,光束质量为8mm·mrad的连续碟片激光器;平均功率1kW的光纤耦合高功率调Q碟片激光器。当碟片激光器泵浦区面积增大时,需要能够承载更大发热功率的冷却设备以将增益介质保持在较低的温度,否则温度过高会导致光光效率降低,并且还会导致增益介质导热系数下降,从而进入恶性循环。另外,还要将增益介质各向温差梯度控制在一定范围内,否则会由于热胀冷缩造成增益介质内应力过大进而损坏。

  在笔者研究中,将借鉴各领域新技术改进碟片激光器的冷却方案,以实现较好的冷却效果。

  金刚石导热:即以金刚石作为导热材料,其技术亮点在于金刚石极高的导热率(高达2300w/m·K)。该技术现已经进入商用阶段(如图1)。

  图1 上部分为LED阵列金刚石散热片,下面为个人电脑显卡用金刚石镀膜散热片。

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