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摘要： 介绍一种纯风冷激光二极管泵浦的脉冲Nd∶YAG激光器，单脉冲能量250 mJ，重复频率25 Hz，脉冲宽度7 ns，光光转换效率13.6%。激光器输出为准基模，垂直和水平方向的M2值测量结果分别为2.81和4.09。同样结构下将风冷系统换成风冷水冷结合方式，激光器脉冲能量345 mJ，重复频率提高到50 Hz，光光转换效率上升为15.2%。两种形式的激光器连续工作时间5 min，并进行了高温+55 ℃和低温-25 ℃的环境试验。
关键词： 纯风冷； 二极管泵浦； 单脉冲能量； 光光转换效率
中图分类号： TN 248文献标识码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2013.02.016
引言随着激光二极管技术的迅猛发展和批量生产，激光二极管泵浦的固体激光器在各个领域的应用也越来越广。一方面人们利用激光二极管的热特性突破原来灯泵固体激光器的极限，在试验室（国内）或军用领域（美国）获得更高的连续功率、输出能量和更高的重复频率，例如美国诺格公司的100 kW固体Nd∶YAG激光器用来取代化学激光器作为激光武器[1]；另一方面在更加庞大的激光加工市场，连续泵浦的激光器也逐渐取代灯泵激光器，并且随着应用的日益广泛其价格也越来越低廉，优势越来越明显，例如激光打标用的50～100 W连续模块。但在较低的重复频率（低于200 Hz）和中等能量输出（mJ到J级）脉冲激光器方面二极管泵浦固体激光器的优势与灯泵激光器相比并没有那么明显。一方面由于重复频率低，而脉冲氙灯的更换既方便又廉价，因此寿命较长的激光二极管的优势没有体现出来；另一方面由于使用数量不大，不能形成规模效应，所以激光二极管生产厂家在这方面投入较小，激光二极管性能的优势不足以抵消价格偏高的缺点；还有一点，由于激光二极管使用时必须采用温度控制系统对其温度进行控制，这会增加激光器的体积和重量，并且在环境温度变化较大时需要预热，这也造成使用不便。这类脉冲激光器主要应用于激光加工的打孔机、激光测距机、目标指示器和小型的干扰机等[2]。目前准连续激光二极管泵浦模块的价格正在逐年下降，在某些需要较高重复频率和较好光束质量的应用领域，激光二极管泵浦也得到越来越多的应用。本文研制的准基模250 mJ、25 Hz纯风冷激光器，一方面要求光束质量较高，另一方面在25 Hz下要求纯风冷运行，如果采用闪光灯泵浦要到达这两方面要求非常困难，因此采用了激光二极管泵浦。1激光器设计除光束质量高和风冷运行的特点外，对激光器使用环境也有要求，要求工作温度-30～+55 ℃，储存温度-40～+60 ℃。因此根据其指标特点进行针对性设计。图1是系统的光路原理图。
系统采用振荡器+2级功率放大的技术路线。振荡器采用LiNbO3晶体调Q，脉冲宽度7 ns，能量50 mJ，采用拉长腔长和小孔限模获得准基模输出，采用光楔对提高本振输出的稳定性。本振输出经过透镜L1、L2耦合，扩束到适当口径进入放大级，两个放大级具有同样参数。放大级之间为像传递系统，由透镜L3、L4、90°石英旋光器和真空管组成，用于补偿热致双折射和热透镜。M1～M4为45°入射全反镜，与棱镜相同用来转折光路，放大后的激光经过一个5倍望远系统整形输出。光学仪器第35卷
第2期高光波，等：准基模纯风冷激光二极管泵浦Nd∶YAG激光器
采用以上技术路线主要出于以下几点考虑：（1）本振激光器能量比较低，容易获得准基模输出；（2）采用两个相同的放大级并结合像传递系统补偿放大级的热致双折射和热透镜效应，以保持高光束质量；（3）本振加上放大结构可以降低各个光学元件不准直对激光输出的影响，提高系统稳定性和可靠性；（4）将泵浦能量分散有利于风冷散热。系统共采用了三个激光二极管侧泵模块，本振泵浦头由30只100 W准连续拔条组成，沿棒周从5个方向泵浦，共6圈；两个放大泵浦头由60只100 W拔条组成，从5个方向泵浦共12圈。本振泵浦头棒Φ3×65 mm，放大棒尺寸Φ6×120 mm，掺杂浓度均为0.7at%。泵浦头的散热与温控设计是系统成功的关键，将泵浦头的散热分为两部分：激光工作物质的散热和激光二极管的温度控制。图2风冷单元结构图
Fig.2Structure of air cooling unit2冷却系统设计激光二极管（LD）的波长随温度变化而变化，根据以往对风冷半导体激光二极管泵浦的研究，其输出波长的漂移与温度的关系约为0.3 nm/℃左右，只要将LD的温度控制在1 ℃以内，就能够有效防止LD的波长漂移。为保证稳定的性能，必须采取措施对LD的工作环境的温度进行控制[3]。二极管的冷却部分可分为三个独立的冷却单元，分别对一级本振及二级放大二极管单元模块进行精确温制，控温精度±1 ℃，采用半导体制冷的风冷结构形式，结构如图2所示，冷却单元由半导体制冷片、热沉、散热器、风扇及温控系统等组成。该方案的重点在于，解决制冷器注入电功率设计、制冷器热端散热设计及提出减小各接触面之间热阻的有效措施。
2.1热电制冷设计热电制冷效率的提高，除了其本身制造材料和制造工艺的因素外，主要取决于其散热、传冷方式及良好的结构设计。由于热电制冷器的散热量等于其制冷量与输入功率之和，所以重点解决好其散热问题将对制冷效率的提高起到至关重要的作用[4]。当热电制冷器稳定工作时，其热传导方程为：
关键词： 纯风冷； 二极管泵浦； 单脉冲能量； 光光转换效率
中图分类号： TN 248文献标识码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2013.02.016
引言随着激光二极管技术的迅猛发展和批量生产，激光二极管泵浦的固体激光器在各个领域的应用也越来越广。一方面人们利用激光二极管的热特性突破原来灯泵固体激光器的极限，在试验室（国内）或军用领域（美国）获得更高的连续功率、输出能量和更高的重复频率，例如美国诺格公司的100 kW固体Nd∶YAG激光器用来取代化学激光器作为激光武器[1]；另一方面在更加庞大的激光加工市场，连续泵浦的激光器也逐渐取代灯泵激光器，并且随着应用的日益广泛其价格也越来越低廉，优势越来越明显，例如激光打标用的50～100 W连续模块。但在较低的重复频率（低于200 Hz）和中等能量输出（mJ到J级）脉冲激光器方面二极管泵浦固体激光器的优势与灯泵激光器相比并没有那么明显。一方面由于重复频率低，而脉冲氙灯的更换既方便又廉价，因此寿命较长的激光二极管的优势没有体现出来；另一方面由于使用数量不大，不能形成规模效应，所以激光二极管生产厂家在这方面投入较小，激光二极管性能的优势不足以抵消价格偏高的缺点；还有一点，由于激光二极管使用时必须采用温度控制系统对其温度进行控制，这会增加激光器的体积和重量，并且在环境温度变化较大时需要预热，这也造成使用不便。这类脉冲激光器主要应用于激光加工的打孔机、激光测距机、目标指示器和小型的干扰机等[2]。目前准连续激光二极管泵浦模块的价格正在逐年下降，在某些需要较高重复频率和较好光束质量的应用领域，激光二极管泵浦也得到越来越多的应用。本文研制的准基模250 mJ、25 Hz纯风冷激光器，一方面要求光束质量较高，另一方面在25 Hz下要求纯风冷运行，如果采用闪光灯泵浦要到达这两方面要求非常困难，因此采用了激光二极管泵浦。1激光器设计除光束质量高和风冷运行的特点外，对激光器使用环境也有要求，要求工作温度-30～+55 ℃，储存温度-40～+60 ℃。因此根据其指标特点进行针对性设计。图1是系统的光路原理图。
系统采用振荡器+2级功率放大的技术路线。振荡器采用LiNbO3晶体调Q，脉冲宽度7 ns，能量50 mJ，采用拉长腔长和小孔限模获得准基模输出，采用光楔对提高本振输出的稳定性。本振输出经过透镜L1、L2耦合，扩束到适当口径进入放大级，两个放大级具有同样参数。放大级之间为像传递系统，由透镜L3、L4、90°石英旋光器和真空管组成，用于补偿热致双折射和热透镜。M1～M4为45°入射全反镜，与棱镜相同用来转折光路，放大后的激光经过一个5倍望远系统整形输出。光学仪器第35卷
第2期高光波，等：准基模纯风冷激光二极管泵浦Nd∶YAG激光器
采用以上技术路线主要出于以下几点考虑：（1）本振激光器能量比较低，容易获得准基模输出；（2）采用两个相同的放大级并结合像传递系统补偿放大级的热致双折射和热透镜效应，以保持高光束质量；（3）本振加上放大结构可以降低各个光学元件不准直对激光输出的影响，提高系统稳定性和可靠性；（4）将泵浦能量分散有利于风冷散热。系统共采用了三个激光二极管侧泵模块，本振泵浦头由30只100 W准连续拔条组成，沿棒周从5个方向泵浦，共6圈；两个放大泵浦头由60只100 W拔条组成，从5个方向泵浦共12圈。本振泵浦头棒Φ3×65 mm，放大棒尺寸Φ6×120 mm，掺杂浓度均为0.7at%。泵浦头的散热与温控设计是系统成功的关键，将泵浦头的散热分为两部分：激光工作物质的散热和激光二极管的温度控制。图2风冷单元结构图
Fig.2Structure of air cooling unit2冷却系统设计激光二极管（LD）的波长随温度变化而变化，根据以往对风冷半导体激光二极管泵浦的研究，其输出波长的漂移与温度的关系约为0.3 nm/℃左右，只要将LD的温度控制在1 ℃以内，就能够有效防止LD的波长漂移。为保证稳定的性能，必须采取措施对LD的工作环境的温度进行控制[3]。二极管的冷却部分可分为三个独立的冷却单元，分别对一级本振及二级放大二极管单元模块进行精确温制，控温精度±1 ℃，采用半导体制冷的风冷结构形式，结构如图2所示，冷却单元由半导体制冷片、热沉、散热器、风扇及温控系统等组成。该方案的重点在于，解决制冷器注入电功率设计、制冷器热端散热设计及提出减小各接触面之间热阻的有效措施。
2.1热电制冷设计热电制冷效率的提高，除了其本身制造材料和制造工艺的因素外，主要取决于其散热、传冷方式及良好的结构设计。由于热电制冷器的散热量等于其制冷量与输入功率之和，所以重点解决好其散热问题将对制冷效率的提高起到至关重要的作用[4]。当热电制冷器稳定工作时，其热传导方程为：