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碳化硅棱镜有效冷却碟片激光器
材料来源:激光世界           录入时间:2010-11-25 11:50:22

作者:John Wallace

美国陆军研究实验室(ARL)的一个研究小组提出了一种切实可行的方法,用于有效冷却光泵浦碟片激光器中增益介质的两个面,这将有望使高功率碟片激光器获得更好的散热效果和更高的光束质量。[1]通过将碟片与水冷式热沉接触的方法冷却激光器,大部分热量只能从碟片的一面被带走;而采用双面热沉则可以实现双倍以上的散热能力。

 使用双面热沉需要解决的问题是:为激光器碟片的发射面找到一种透明的、具有高热导率的热沉材料。蓝宝石能够在77K的低温下提供很高的热导率,并且已经用于冷却激光碟片,但美中不足的是蓝宝石在室温下的热导率非常低。

研究人员使用碳化硅(SiC)来冷却掺镱YAG(Yb:YAG)碟片激光器,SiC在室温下几乎和铜具有相同的热导率。但是SiC也有其自身存在的问题:SiC是一种高折射率材料,在1μm处的折射率高达2.59。正因为如此,紧靠激光器碟片放置的一个平面SiC窗口,将会导致高达3.3%的单程损耗。使用减反射膜可以降低这种损耗,但是减反射膜也耐热,这将降低碟片和SiC热沉之间的粘接强度。

无损耗反射

研究人员使用SiC棱镜代替平面SiC窗口,以某一角度泵浦棱镜/碟片复合块,并设计棱镜使得光束以布儒斯特角入射到复合块的界面上(除单次全内反射外),这意味着对p偏振的800nm泵浦光而言,所有的损耗都为零(见图),从而解决了使用SiC所带来的光损耗问题。棱镜两端的距离为40mm,顶端到底面的厚度为8.3mm;增益介质的厚度为0.4mm。激光碟片只通过SiC棱镜冷却,碟片的其他面保持与空气接触,这样就可以通过热成像仪测量SiC的温度分布。

 

图:一个Yb:YAG/SiC 棱镜/碟片增益介质复合块,被一个在所有界面均以布儒斯特角入射的光束泵浦。激光碟片的实际厚度要比图中显示得薄得多。

这种复合块被置于一个稳定腔配置中,该配置由一个稍带曲率的泵浦分色镜和一个平面输出镜(实验中采用了反射率在70%~98%之间的不同输出镜)组成。激光器以准连续波方式运行,占空比为10%,重复频率为100Hz。

由于光纤传导的泵浦光源是非偏振的,在表面处损耗了30%的泵浦功率(利用偏振泵浦光源可以消除该损耗)。采用反射率为85%的输出镜,获得了约为38%的最佳斜率效率,输出功率为12W。高达3~4kW/cm2的泵浦阈值密度促使研究人员对激光器进行建模,并确定了SiC自身也存在一些吸收,其导致了大约3%的单程损耗。

高光束质量

Yb:YAG碟片激光器实现了非常不错的光束质量(M2):在XY方向上约为1.5。输出光束的偏振衬度至少为1000:1。模拟结果显示,当泵浦功率为7.7 W时,激光碟片层的温度差异约为10℃左右,这与热成像仪的测量结果相符。

 研究人员注意到,棱镜/碟片复合激光器的设计,可以通过沿着棱镜基线方向延长泵浦点来提高输出功率;而非稳定腔的配置可以提高功率提取效率。通过将碟片层的开放面与铜热沉接触,可以实现双面冷却。有限元仿真结果表明,双面冷却能够将碟片的极限温度降低2.5倍甚至更多。

 参考文献:
1. G.A. Newburgh et al., Opt. Exp., 18, 17066 (Aug. 2, 2010).


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