宽谱平面阵列激光器的设计与实现.pdf
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1、第 卷 第 期 激 光 与 红 外 ,年 月 ,文章编号:()激光器技术宽谱平面阵列激光器的设计与实现闫立华,程义涛,张厚博(中国电子科技集团公司第十三研究所,河北 石家庄 )摘要:在二极管泵浦的固体激光器中,由于泵源的输出波长具有温漂特性,造成了与激光晶体吸收光谱的匹配性问题,使得泵浦效率降低,影响固体激光器的输出能量。为了避免该影响,项目组采用拓宽发射光谱覆盖范围的设计思路,开展了宽光谱平面阵列的研制工作。本文分别完成了 芯平面阵列的建模、阵列中心波长的设计、以及基于高斯光谱模型的双波长叠加的仿真工作;同时采用(、)四个波长间隔的芯片进行了实验验证。结果表明:在波长间隔为 和 时,叠加后光
2、谱呈现单一峰状态;在波长间隔为 和 时,叠加光谱呈现峰谷分布,相应峰谷比的测试值分别为 和 ,设计仿真与实验结果基本一致。本文为宽光谱阵列激光器非温控泵浦结构的量化计算提供了思路。关键词:激光阵列;波长叠加;热仿真;宽温工作;峰谷比中图分类号:文献标识码:,(,):,:;基金项目:国家重点研发计划项目()资助。作者简介:闫立华(),男,硕士,高级工程师,研究方向为半导体激光器设计、半导体泵浦的固体激光器设计应用。:收稿日期:引言二极管泵浦的固体激光器由于其自身的功率、体积、重量、性能优势,已广泛应用于激光测距、激光引燃、激光照射、激光高能装备等军事或工程领域 。目前此类激光器存在诸多增益晶体类
3、型,以实现连续和脉冲模式激光运转,其中 晶体具有较高的量子效率、较大的受激辐射截面、优良的光机性能等的优点,成为应用广泛的激光晶体 。但是,由于二极管存在温漂特性,激光晶体 吸收峰谱宽相对比较窄,在 附近的高吸收峰处谱宽仅为 ,这将导致固体激光器在工作温度变化过程中出现发射波长和吸收波长的匹配性问题 。针对这一问题的解决有主动控温技术、二极管芯片波长锁定技术、多波长宽谱泵浦设计技术等不同的技术方案 。其中主动控温存在体积、功耗以及控温精度问题,波长锁定二极管的泵浦功率、成本以及仍然存在的波长漂移依旧是非控温泵浦激光器的限制因素。因此本文重点研究多波长宽谱泵浦的阵列设计方案。该方案在获得较大动态
4、温度变化范围内泵浦“平顶发射峰”与晶体“窄带吸收峰”始终匹配效果的同时,具备易小型化、轻量化、成本折中的应用优势,在提升激光器系统稳定性上具有重要意义。国内外多家机构针对非控温泵浦固体激光器系统进行了不同程度的研究。年,美国陆军夜视与传感器实验室 等人研发出一款多波长泵浦 激光器,此后该机构继续研究了 晶体吸收与泵源能量、晶体尺寸的关系 。年,波兰华沙军事科技大学的 等人使用两个波长的激光二极管阵列泵源,研发了一款 板条激光器。年,河北工业大学赵坡 等人设计了一种适用于宽温度范围内的无制冷被动调 固体激光器。年,华北光电技术研究所黄涛 项目组开发了无温控多波长 泵浦方棒状 固体激光器,实现了该
5、激光器在 温度范围内,能量的无温控稳定输出。年,洛阳顶扬光电董涛 项目组开发了 温度范围内,小型化、大能量、无温控的侧泵 电光调 激光器。可见,国内外对多波长泵浦的固体激光器系统的研究较为广泛,而对于二极管阵列设计仿真的报道相对较少。为了更好地实现非温控二极管泵浦的固体激光器系统的设计,本文从泵源结构入手,对平面阵列激光器进行物理建模,计算光谱参量,仿真高斯光谱叠加效果,为工程上从定性分析走向定量计算提供参考。结构模型与设计仿真 结构模型本文所设计的阵列激光器用于泵浦板条,因此采用 芯平面阵列作为封装形式,其中二极管芯片安装到凸型平面上。综合考量泵浦距离和快轴发散角参数,本文芯片间距设计为 。
6、图 平面阵列激光器结构模型 中心波长设计本节首先采用散热仿真辅助计算阵列中心波长 。由于项目用的平面阵列为高温工作,因此,本文将制冷底面温度设定为 。根据单芯片功率 ,工作频率 ,单脉冲宽度 ,在不考虑热辐射,以热传导为主要散热渠道,进行稳态热耗散计算,得到热分布仿真结果,如图 所示。图 阵列热仿真图 由图得知,在本文工作条件下,阵列最高温度为 ,温升大约为,阵列发光面上未出现明显的温度梯度,芯片表面温度均匀性良好。根据文献报道二极管阵列的温漂系数取值为 ,得到该工作条件下的波长将会红移 ,另外,激 光 与 红 外 第 卷结合该激光器高温工作 ,比室温 高出 ,这一条件所涉及的波长红移量为 。
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