Tm：YLF端面抽運Ho：YAG激光器熱效應分析

李嵩 溫雅 王彬

摘 要：針對1.9μm激光器端面泵浦Ho：YAG晶體熱效應的研究現狀，模擬研究Tm抽運Ho：YAG激光器溫度分布，分析晶體參數、泵浦參數等對Ho：YAG晶體熱效應的影響。采用相應熱傳導方程及熱轉換系數結合邊界條件，利用數值模擬方法分析晶體棒內溫度分布。掌握Ho：YAG激光器內溫度及熱效應的變化規律，為熱效應補償和諧振腔的設計提供依據，促進高重頻、高光束質量、穩定性高的Ho：YAG激光器的發展。

關鍵詞：1.9μm Ho：YAG晶體 熱效 模擬

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（a）-0151-02

在端面抽運HO：YAG激光器中，使用1.9μm Tm：YLF激光器進行端面抽運。這種激光器熱效應小，轉換效率高，便于取得好的光束質量，在激光雷達、醫用手術刀等各個領域有著廣泛的應用。2009年，德國S.Wang等人研究了脈沖端面抽運Nd：YAG激光器的熱效應[1]，采用分離變量法求解了含時二維熱傳導方程，數值模擬了晶體徑向的溫升情況，通過熱致光程差求得含時熱透鏡焦距表達式，模擬出熱透鏡焦距隨時間的變化。2011年3月，哈爾濱工業大學張新陸等人研究了連續端面抽運Tm，Ho：YLF激光器的熱效應[2]，根據能量傳遞過程，給出了Tm，Ho共摻系統適用的熱轉換系數表達式，并結合速率方程對其求解，從晶體中心與邊緣處光程差出發，得到熱焦距表達式。

目前研究端面抽運摻Ho晶體熱效應，可以實現基于空間域二維、三維穩態熱傳導方程，數值模擬得出晶體溫度分布，同時掌握Ho：YAG激光器內溫度及熱效應的變化規律，為熱效應補償和諧振腔的設計提供依據，促進高重頻、高光束質量、穩定性高的Ho：YAG激光器的發展。研究方法為：采用相應熱傳導方程及熱轉換系數結合邊界條件，利用數值模擬方法分析晶體棒內溫度分布。

1 理論模型

1.1 單端泵浦Ho：YAG晶體模型建立

基于1.9μm激光器單端抽運Ho：YAG激光晶體的實際工作過程，我們建立了晶體四周恒溫，兩端面對流冷卻的各向異性方形端面Ho：YAG晶體的熱模型；如圖1所示是熱模型簡圖。

r，z分別為徑向和軸向坐標，b為棒半徑。L為晶體長度。當抽運光通過激光晶體端面中心時，采用封閉冷卻循環水控制激光晶體側面溫度，同時晶體兩端面與周圍環境進行對流冷卻。

對于1.9μm激光器單端抽運Ho：YAG激光晶體，在直角坐標系下建立穩態熱傳導方程如下：

（1）

初始條件和邊界條件分別為：

，

，

， （2）

其中，這里T為溫度，t為時間，k為晶體熱導率，ρ為晶體密度，c為晶體比熱容，為初始溫度，和分別為介質的前表面和后表面，為外界空氣的溫度，為介質和空氣的對流換熱系數，為冷卻劑的溫度，為介質和冷卻裝置的對流換熱系數，b為激光晶體介質的半徑，q為內熱源強度。

抽運光在激光棒中傳輸時，光能逐漸被吸收，導致在棒不同點處熱沉積不同[3]。入射到棒鍵合面（z=a面）的光束，其高斯光強分布表達式為：

（3）

聚焦后光斑半徑可表示為：

（4）

進而連續高斯抽運光在晶體內的熱源函數為：

（5）

這里p為1.9μm激光器發出的抽運光總功率，η為耦合效率，α為介質的吸收系數，l為介質長度，為束腰半徑，θ為發散角，為束腰位置，γ為由熒光量子效應和內損耗決定的熱轉換系數，表示吸收的抽運光中轉化為熱能的份額。抽運光斑半徑為0.4mm，抽運功率為80w，熱轉換系數為0.32，吸收系數為0.085 mm-1，發散角為0.22 mrad，偶和效率為80%，晶體長度20 mm，晶體半徑5 mm。改變其中一個參數，固定其它參數，進行模擬。

通過上述模型的建立和模擬參數的選取，接下來對單端泵浦Ho：YAG激光器進行熱模擬分析。

2.2 1.9μm激光器單端泵浦Ho：YAG晶體熱功率變化模擬分析

利用公式（5）對1.9μm激光器單端抽運Ho：YAG激光器晶體中心處熱功率密度隨抽運光斑半徑的變化進行了模擬，抽運光版半徑為變化的。圖2所示整體規律呈曲線型，隨抽運光斑半徑的增加，Ho：YAG晶體中心熱功率密度整體降低；在抽運光斑半徑為0.45 mm以后，熱功率密度逐漸趨于穩定。光斑半徑為0.45 mm時，熱功率密度約為8.5W/mm3。由此得出，熱源影響晶體溫度程梯度分布，充分考慮熱源能有效提高激光效率，隨著抽運光斑增大，熱功率密度降低，可以加大注入泵浦功率，提高Ho激光器出光功率的穩定性。

圖3所示整體規律呈直線型遞增，隨耦合效率的增加，Ho：YAG晶體中心熱功率密度也隨之增加；耦合效率越高，耦合進入晶體的光的能量越高，轉化的熱就越多。此圖反應了固定條件下，不同耦合效率下晶體中心的熱功率密度的變化情況。當耦合效率為0.8時，熱功率密度為9 W/mm3 。

如圖4所示，整體規律呈e指數曲線型，晶體長度從8mm之后隨晶體長度的增加，Ho：YAG晶體內熱功率密度逐漸趨于平穩，熱功率密度基本保持不變，約為40 W/mm3。晶體的每一段距離都分擔一定的功率，因此晶體越長吸收的功率越多，熱功率越低；因此為了降低熱功率密度，晶體長度的選擇應該大于8mm。

如圖5所示，整體規律呈遞增趨勢，隨晶體吸收系數的增加，Ho：YAG晶體中心熱功率密度隨之遞增；當吸收系數為0.07 mm-1時，熱功率密度約為7.7W/mm3。要想獲得一定的激光增益，要求參雜濃度要達到一定的值，摻雜濃度越高，激活離子越多，增益越大，出光功率越高；摻雜濃度越高，對應的吸收系數越大，與此同時熱功率密度越大，而熱功率密度過大不利于激光器散熱，不利于提高激光器的工作效率，因此摻雜濃度要在一定范圍取值，結合激光器最終的實現目的實際情況來選取。

2 結語

該文針對1.9μm激光器端面泵浦Ho：YAG晶體熱效應的研究現狀，主要模擬研究Tm抽運Ho：YAG激光器熱功率密度的變化情況，分析晶體參數、泵浦參數等對Ho：YAG晶體熱效應的影響。

在上述工作條件下，1.9μm激光器單端抽運Ho：YAG激光晶體隨抽運光斑半徑的增加，晶體中心熱功率密度整體降低；隨晶體耦合效率的增加，Ho：YAG晶體中心熱功率密度整體呈直線型遞增；耦合效率越高，耦合進入晶體的光的能量越高，轉化的熱就越多。隨晶體長度的變化整體規律呈e指數曲線型，晶體長度從8 mm之后晶體內熱功率密度逐漸趨于平穩，熱功率密度基本保持不變，因此為了降低熱功率密度，晶體長度的選擇應該大于8 mm。隨晶體吸收系數的增加，晶體中心熱功率密度隨之遞增。通過模擬圖像來看，未來做大功率的Ho：YAG激光器時，隨著熱功率的大幅度提高，產生的熱是不可忽視和忽略的。因此掌握Ho：YAG激光器內溫度及熱效應的變化規律是有必要的。

參考文獻

[1] S.Wang，H.J.Eichler，X.Wang，et al.Diode end pumped Nd：YAG laser at 946 nm with high pulse energy limited by thermal lensing.Appl Phys B，2009，95（4）： 721-730.

[2] 彭宇鋒.二極管端面抽運Tm，Ho：YLF固體激光器熱效應的研究[D].哈爾濱工程大學，2011.

[3] 張帥一，黃春霞，于果蕾，等.激光二極管端面抽運激光晶體的熱效應.中國激光，2008，35（3）：333-337.