作者：John Wallace

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。^[1]通過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�，緊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（見圖），從而解決了使用SiC所帶來的光損耗問題。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)，可以通過沿著棱鏡基線方向延長(zhǎng)泵浦點(diǎn)來提高輸出功率；而非穩(wěn)定腔的配置可以提高功率提取效率。通過將碟片層的開放面與銅熱沉接觸，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�片的極限溫度降低2.5倍甚至更多。

 參考文獻(xiàn)：
1. G.A. Newburgh et al., Opt. Exp., 18, 17066 (Aug. 2, 2010).