美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室(ARL)的一個(gè)研究小組提出了一種切實(shí)可行的方法,用于有效冷卻光泵浦碟片激光器中增益介質(zhì)的兩個(gè)面,這將有望使高功率碟片激光器獲得更好的散熱效果和更高的光束質(zhì)量。通過(guò)將碟片與水冷式熱沉接觸的方法冷卻激光器,大部分熱量只能從碟片的一面被帶走;而采用雙面熱沉則可以實(shí)現(xiàn)雙倍以上的散熱能力。
使用雙面熱沉需要解決的問(wèn)題是:為激光器碟片的發(fā)射面找到一種透明的、具有高熱導(dǎo)率的熱沉材料。藍(lán)寶石能夠在77K的低溫下提供很高的熱導(dǎo)率,并且已經(jīng)用于冷卻激光碟片,但美中不足的是藍(lán)寶石在室溫下的熱導(dǎo)率非常低。
研究人員使用碳化硅(SiC)來(lái)冷卻摻鐿YAG(Yb:YAG)碟片激光器,SiC在室溫下幾乎和銅具有相同的熱導(dǎo)率。但是SiC也有其自身存在的問(wèn)題:SiC是一種高折射率材料,在1μm處的折射率高達(dá)2.59。正因?yàn)槿绱耍o靠激光器碟片放置的一個(gè)平面SiC窗口,將會(huì)導(dǎo)致高達(dá)3.3%的單程損耗。使用減反射膜可以降低這種損耗,但是減反射膜也耐熱,這將降低碟片和SiC熱沉之間的粘接強(qiáng)度。
無(wú)損耗反射
研究人員使用SiC棱鏡代替平面SiC窗口,以某一角度泵浦棱鏡/碟片復(fù)合塊,并設(shè)計(jì)棱鏡使得光束以布儒斯特角入射到復(fù)合塊的界面上(除單次全內(nèi)反射外),這意味著對(duì)p偏振的800nm泵浦光而言,所有的損耗都為零(見(jiàn)圖),從而解決了使用SiC所帶來(lái)的光損耗問(wèn)題。棱鏡兩端的距離為40mm,頂端到底面的厚度為8.3mm;增益介質(zhì)的厚度為0.4mm。激光碟片只通過(guò)SiC棱鏡冷卻,碟片的其他面保持與空氣接觸,這樣就可以通過(guò)熱成像儀測(cè)量SiC的溫度分布。
圖:一個(gè)Yb:YAG/SiC 棱鏡/碟片增益介質(zhì)復(fù)合塊,被一個(gè)在所有界面均以布儒斯特角入射的光束泵浦。激光碟片的實(shí)際厚度要比圖中顯示得薄得多。
這種復(fù)合塊被置于一個(gè)穩(wěn)定腔配置中,該配置由一個(gè)稍帶曲率的泵浦分色鏡和一個(gè)平面輸出鏡(實(shí)驗(yàn)中采用了反射率在70%~98%之間的不同輸出鏡)組成。激光器以準(zhǔn)連續(xù)波方式運(yùn)行,占空比為10%,重復(fù)頻率為100Hz。
由于光纖傳導(dǎo)的泵浦光源是非偏振的,在表面處損耗了30%的泵浦功率(利用偏振泵浦光源可以消除該損耗)。采用反射率為85%的輸出鏡,獲得了約為38%的最佳斜率效率,輸出功率為12W。高達(dá)3~4kW/cm2的泵浦閾值密度促使研究人員對(duì)激光器進(jìn)行建模,并確定了SiC自身也存在一些吸收,其導(dǎo)致了大約3%的單程損耗。
高光束質(zhì)量
Yb:YAG碟片激光器實(shí)現(xiàn)了非常不錯(cuò)的光束質(zhì)量(M2):在X和Y方向上約為1.5。輸出光束的偏振襯度至少為1000:1。模擬結(jié)果顯示,當(dāng)泵浦功率為7.7 W時(shí),激光碟片層的溫度差異約為10℃左右,這與熱成像儀的測(cè)量結(jié)果相符。
研究人員注意到,棱鏡/碟片復(fù)合激光器的設(shè)計(jì),可以通過(guò)沿著棱鏡基線(xiàn)方向延長(zhǎng)泵浦點(diǎn)來(lái)提高輸出功率;而非穩(wěn)定腔的配置可以提高功率提取效率。通過(guò)將碟片層的開(kāi)放面與銅熱沉接觸,可以實(shí)現(xiàn)雙面冷卻。有限元仿真結(jié)果表明,雙面冷卻能夠?qū)⒌臉O限溫度降低2.5倍甚至更多。
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