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碟片激光器主振功率放大器(MOPA)具备先进的冷却方案
材料来源:lfwc           录入时间:2014/9/5 11:12:52

John Wallace

 


美国陆军研究实验室(ARL)的研究人员大幅度增强了碟片激光器功率放大器设计的冷却性能,从而提升了功率。[1]该放大器使得功率提升高达2.5倍,同时保持非常高的光束质量。2010年他们曾经获得了12W的光学输出;而新的研究结果实现了高达55W的光学输出。

 

在主振荡器功率放大器(MOPA)中,主振荡器(种子激光)的功率可以提升至何种程度,本质上受限于其所产生的热量,以及激光器系统的冷却能力。

 

限制放大器中生热的一种方式是以小于100%的占空比工作在准连续波(QCW)模式下。通过脉冲化功率放大器的泵浦功率,泵浦和激光增益元件的整体热负荷减少,同时仍然具备与CW运行时相同的瞬时功率,且不会降低输出光束质量。

 

这些种类的光源用于加工、医药、非线性光学以及军事应用,包括测距仪和指示器等一系列应用,但是它们的功率水平仍然受限于冷却要求。

 

薄片形状

 

“任何激光器系统都有其功率限制,进一步提升功率需要面对增益元件热管理的额外复杂性,”ARL研究人员George Newburgh说,“相比于棒状或板条激光器,由于具有更大的表面积与增益体积比,传统设计的碟片激光器(TDL)提供先进的热管理,但是它们的热管理仍然受限于单面冷却。”

 

ARL的研究人员通过使用光学透明的热沉,从而能够对增益介质的两侧进行冷却,以解决冷却问题,将可能的功率放大范围提升了2.5倍左右

 

该设计采用了透明的单晶碳化硅(SiC)组件作为激射/泵浦侧的热沉,以及附在增益元件非激射侧的通常铜热沉。这个组件的导热特性可以与铜媲美,能提供优异的热传输,且不与激光器的运行产生光干扰。

 

最小化机械应力

 

通过选择钒酸钇(YVO4)作为激光基质,该紧凑型放大器还在设计上使SiC热沉和增益介质之间的机械应力最小化。SiCNdYVO4的热膨胀系数几乎相同,使得放大器能在高温下工作,且SiCNdYVO4层不会发生剥离。

 

伴随着高质量激光陶瓷(包括复合材料)的最新发展,以及可作为替代材料的高光学质量透明材料(如氮化镓和氧化镁)的最近进展,ARL的研究人员希望这一工作将鼓励更多使用具有高热导率的透明材料的研究与开发。

 

在短期内,笔者认为该设计几乎可以立即应用于混合光纤/块体固态MOPA系统中的纳秒级脉冲放大的功率放大器,以满足高脉冲能量的要求,其中光纤放大器严重受限于受激布里渊散射。

 

参考文献:

1.     G. A. Newburgh and M. Dubinskii, Electronics Letters (2014); doi: 10.1049/el.2014.1900

 

 


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