宽工作温度范围半导体泵浦固体激光器研究

第37卷，增刊 红外与激光工程 2008年9月 V ol.37 Supplement Infrared and Laser Engineering Sep. 2008

收稿日期：2008-09-15

作者简介：杨进华（1969-），男，山西孝义人，教授，博士，主要从事光电测试和视觉检测方面的研究工作。Email:yangjh@https://www.doczj.com/doc/d24742730.html,

宽工作温度范围半导体泵浦固体激光器研究

杨进华，韩文波，周见红

（长春理工大学 光电工程学院，吉林 长春 130022）

摘要：介绍了半导体泵浦固体激光器工作原理以及宽温度范围条件下的设计思想。设计的原理样机在工作频率20 Hz 的情况下获得了40 mJ 的激光输出。实验表明在-40~+50 ℃工作环境下激光器能正常工作。

关键词：半导体泵浦固体激光； 激光速率方程； 侧面泵浦； 温控

中图分类号：TN248 文献标识码：A 文章编号：1007-2276(2008)增(激光探测)-0051-03

Research on diode-pumped solid laser at wide temperature range

YANG Jin-hua, HAN Wen-bo, ZHOU Jian-hong

(College of Opto-Electronic Engineering, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China)

Abstract: Principles of diode-pumped solid lasers and ideas of design of DPSL working under wide temperature range are described. The prototype designed has got the laser output of 40 mJ at 20 Hz of operating frequency. Experiments shows that the laser can work normally under -40 ℃ and +50 ℃.

Key words: DPSL; Laser rater equations; Side pumped; Temperature control

0 引 言

半导体激光器泵浦固体激光器具有体积小、质量轻、效率高、长寿命和全固态等优点，已成为国际上新型激光器的研究热点[1]，在激光雷达、激光制导、测距、光电对抗、水下通信、精密加工、集成电路修复、激光医学、激光武器、光盘存储等各个领域具有巨大的潜在应用。

但半导体泵浦固体激光器在实际应用中，除了要满足激光输出性能的技术要求外，还需解决使用环境的要求问题，比如高低温工作和振动冲击等。特别是针对半导体激光器输出波长随工作温度漂移的特性（0.2～0.3 nm/℃），要满足激光器高低温工作，必须对半导体激光器的工作温度进行控制，使激光器输出

波长在环境温度变化情况下始终与激光晶体的吸收峰相匹配。

1 半导体泵浦固体激光器理论

激光器设计的主要依据是激光速率方程。激光速率方程是描述均匀激光介质内部粒子数反转和光子数密度的联立方程，阈值功率和斜效率可以从速率方程的稳态解求得[2]。

与灯泵浦固体激光器相比，半导体激光泵浦固体激光器要对其波长和光路几何作精确的调节。此外在理论模型方面，过去速率方程不考虑激光棒中辐射的纵向和径向变化，虽然用做泵浦源的半导体激光几乎可以全部被增益介质吸收，但泵浦光却没有充满整个

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介质，且不是均匀分布。因此要考虑泵浦光束在增益介质内与激光光束的交叠问题，即要考虑辐射场在激光棒中的纵向和径向分布。 1.1 激光速率方程

速率方程对泵浦光与3能级（或4能级）增益介质之间的相互作用进行了近似描述，主要考虑粒子数反转密度和光子数在泵浦作用下的变化。由于半导体激光波长与增益介质吸收峰相匹配，且其线宽（FWHM ）只有几个纳米，因而增益介质的离子被泵浦到指定的能级上时，粒子数分布的能级范围很窄，必须考虑能级的Stark 分裂。一般来说，稀土元素3价正离子的多重态在晶格场作用下都要分裂。在外部谐振腔和滤波元件选择下，一般激光作用只发生在部分Stark 分量之间。

根据参考文献[3]，对基横模TEM 00输出，给出速率方程如下：

d (,,,)((,,,))N x y z t t N x y z t N τΔ=?Δ?Δ?

b a n b a ()()(,,)f f C A f f Rr x y z σ+++ （1） n 0

0n 0d ()d d ()2C S t t C A S t L

δσν=?

∫∫∫ （2） 式中：00(,,,)()(,,)A N x y z t S t S x y z =Δ；ΔN (x ,y ,z ,t )代表粒子数反转密度；ΔN 0代表t =0时，系统处于平衡态时的粒子数的反转；τ为自发辐射寿命；f b 是参加激光作用的上分量能级的粒子数占整个上能级的分数；f a 是参加激光作用的下分量能级的粒子数占整个下能级粒子数的分数；R 代表整个谐振腔的泵浦速率；r (x ,y ,z )为归一化泵浦速率空间分布函数；C n 为介质中的光速；σ为相对的受激辐射截面；S 0(t )是t 时刻谐振腔内的总光子数；S 0(x ,y ,z )是归一化光子数分布函数；L 是增益介质长度；δ0是TEM 00模的往返损耗率。

在公式（1）中，右边第1项是自发辐射衰减率,第2项是泵浦速率,第3项是受激辐射与受激吸收之差引起的反转粒子数的变化。在公式（2）中，右边第一项是粒子数反转所引起的受激辐射使TEM 00模光子数增加的速率，第二项是整个谐振腔的各种损耗引起光子数减少的速率，故不涉及分布。 1.2 阈值功率

令公式（1）等于零可求解稳定输出功率，而在阈值时腔内只有一个自发辐射光子的状态，由腔内光

子数S 变化分析可得准三能级阈值泵浦光功率P th 表达式：

01th P

0th P P

b a P

2()R h N L

P h J f f νσδνηστη?Δ+=

=??+ (3) 式中：h 为普朗克常数；νP 为泵浦光频率；P th 为增益介质吸收的阈值泵浦光功率；ηP 为量子效率，表示一个泵浦光子平均激发的受激离子数。 1.3 斜效率

光-光斜效率公式定义为：

out abs th ()P P P η=? （4）

式中：P out 为输出光功率；P abs 为增益介质吸收的泵浦光功率。

斜效率描述激光器在阈值以上运行的情况，此时P abs 较大，且腔内光子数S 0(t )已为常数S 0。根据参考文献[3]，可分两种情况给出斜效率公式的表达式。

（1）近阈值输出的斜效率公式 4能级介质的斜效率公式：

24P L P ()()()T h h J J ηηνν′= （5）

准3能级（Q-3）增益介质的斜效率公式：

2Q-3P L P 0L ()[(2())]h h J T J L J J J ηηννδα′′′′=+?（6）

（2）强泵浦输出的斜效率公式

P L P 0()()h h T ηηνν= （7） 此式一直被认为端面泵浦情况下近阈值运行的斜效率公式。事实上，无论4能级或准3能级，无论何种泵浦几何，只要R 足够大，W 0相对足够小，且W P

2 宽工作温度范围半导体泵浦固体激光器设计

半导体泵浦固体激光系统由激光发射头和激光电源两部分组成，总体设计原理图如图1所示。图中1为输出镜，2为全反射镜，3为Nd:YAG 激光棒，4为列阵半导体激光管，5为电光调制器，6为激光棒冷却管。

激光工作物质为Nd ：Y AG 晶体，发射波长1.06 μm 。

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晶体尺寸选取φ4 mm×72 mm，掺钕浓度 1.2%～1.5%，激光棒的输出端为平面，全反射端修磨为3个光圈的凹球面。

图1 半导体泵浦固体激光器系统框图

Fig.1 Block diagram of DPSL

列阵半导体泵浦源自行研制，以保证在满足功率参数的前提下达到最佳结构匹配和光谱匹配。为实现均匀泵浦，采用3只列阵管按120 °分布对激光晶体棒进行侧面泵浦，每只列阵管由2×6个厘米条组成，单次发射能量160 mJ，脉冲宽度200 μs，3只列阵管总泵浦能量480 mJ/次。列阵管的温控采用半导体制冷器，以实现无水冷，增强机动性。

激光谐振腔选用平凹腔，K9玻璃输出平面镜T=20%，全反射镜为0.3～1 m凹面镜，选用石英材料，目的是在高低温工作时减少形变。腔镜的尺寸φ10 mm×3 mm。Q开关选用自行研制的微型组合电光Q开关，用KD*P晶体作为开关元件。

供电电源采用3个供电模块对3只列阵管分别供电并由同一时统信号控制达到同步工作。单只列阵管的12个厘米条采用串联供电，每个供电模块的供电电压为24 V，峰值电流125 A。

（1）系统温控设计

激光器中的晶体棒和半导体的列阵管需要恒温，其中YAG晶体的特性是低温工作对激光输出的影响不大，而对高温工作可能产生温度猝灭。根据实例数据，猝灭温度为120 ℃左右，因此对YAG的温控并不严格，主要是控制其温升，本系统采用卡网热传导实现晶体控温。设激光晶体的有效吸收带宽为12 nm，限定半导体列阵激光管中心波长漂移为±0.3 nm。

根据工作环境温度的不同，列阵管恒温有两种过程：对于高温环境，首先由半导体管自身装备的制冷器进行冷却，使工作温度降到30 ℃以下，达到半导体工作的设计温度，此温度预测范围在10～30 ℃的区间。当温度传感器达到标准工作温度时，便可以开机工作，此时由于泵浦激光管发热产生温升，通过制冷器制冷，将管心热沉块上的热量传递给制冷器外表面的热端，它由一块长方形紫铜制成，通过该铜块的特殊结构设计使其固定在大热沉上，其热量最后传给热沉，而热沉则通过表面叠槽向空气中散热，但是散热能力较小，主要通过采用强制风冷和热传导。为了确保大热沉的散热速度，可在外部安装3～6个热管，使整个热沉在工作温度范围内，其温升不高于大气环境温度的8 ℃。

3 结论

利用半导体泵浦获得了40 mJ、20 Hz的重复频率调Q激光输出，完成了半导体泵浦激光器的原理设计和实验验证。采用120 °对称泵浦和对称传导冷却的新型结构设计，实验结果表明与理论分析和技术设计基本吻合，为今后的扩展设计打下了良好基础。

参考文献：

[1] 宁继平，詹仰钦，鲁笑春，等．高功率准连续激光二极管抽运的Q

开关内腔倍频固体激光器的研究[J]．光学学报,2001, 21(12)：

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[2] 冯衍，毕勇，许祖彦，等．20 W腔外倍频全固态Nd:YAG绿光激光

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[3] 戴特立. 半导体二极管泵浦固体激光器[M].成都：四川大学出版社，

1993.