一種緩解染料激光放大器窗口鏡片燒傷的方法研究

顏石

【摘 要】本文通過觀察染料激光放大器窗口鏡片的燒傷狀態，分析出泵浦激光的熱量積累是導致窗口鏡片燒傷的主要原因。通過在電動平移臺上裝載染料池的方式，使染料池循環移動避免熱量的長時間積累，使燒傷被極大程度緩解。

【關鍵詞】染料池；燒傷

0 引言

在當前染料激光器功率放大器中，容納染料溶液增益介質的容器稱為染料池，染料池有開放式和封閉式兩種。當染料或者溶劑易揮發或有毒時，就要使用封閉式染料池以保安全。染料池窗口鏡片內壁較容易產生燒傷，影響激光光斑的能量分布和功率。本文通過研究染料池窗口鏡片燒傷機理，提出了一種極大程度緩解窗口鏡片燒傷的方法，將燒傷形成時間延緩了二十倍以上。

1 染料池窗口鏡片燒傷分析

染料泵運行時，染料在染料池內循環流動，種子激光透過染料池，泵浦激光經過藕合頭聚焦縮束至和種子光直徑一致的激光，在染料池內和種子激光重疊，從而進行激光功率放大。染料池窗口鏡片存在抗損傷閾值，由于泵浦光功率高于種子光功率，抗損傷閾值一般所指即為泵浦激光功率密度不可高于窗口鏡片閾值。

在染料激光功率放大器內，若染料池窗口鏡片發生燒傷，將嚴重影響該放大器之后的激光光斑圓度和能量分布，功率放大效率也會大幅度降低。為了實現長時間的連續運轉，就要盡力避免窗口鏡片燒傷的情況發生，調節時要使泵浦光功率密度低于窗口鏡片損傷閾值。由于泵浦激光功率恒定，為了降低功率密度，需使泵浦激光在染料池內的光斑面積較大，同時匹配著泵浦光直徑的種子光面積也要增加。降低泵浦功率密度雖可令窗口鏡片燒傷減緩，但同時也降低了放大器的放大效率，導致激光功率達不到要求。因此，一般會在窗口鏡片損傷閾值臨界處確定泵浦光的功率密度。

在該研究中，種子光和泵浦光功率都是確定不變的，將泵浦激光功率密度調至鏡片損傷閾值，之后運行放大器。將一個染料池更換成全新未使用的窗口鏡片，統計鏡片開始發生燒傷的時間。總共進行三次，鏡片發生燒傷時間分別為3小時50分鐘，4小時，4小時15分鐘。可以確定當前特定條件下，鏡片產生燒傷時間約為4小時。

為了解窗口鏡片燒傷形成過程，使用顯微鏡對窗口鏡片進行觀察。起初鏡片不存在燒傷點，在放大器運行2小時后，鏡片開始產生直徑約為1微米甚至更小的燒傷點，燒傷位置隨機分布。3小時后，燒傷點開始較為密集地出現，4小時后燒傷點開始聯結成片，形成大約直徑50微米的大面積塊狀區域的鏡片結構性損傷，至此，可影響到宏觀的激光光斑能量分布和功率的燒傷正式形成，此時激光光斑已可肉眼看出明顯的能量分布不均的現象。將泵浦激光功率密度調至4倍于鏡片損傷閾值，則在5分鐘左右即開始出現燒傷現象。由此可以得出結論，熱量的積累是鏡片燒傷的主要原因。

封閉式染料池內部染料由染料泵形成循環，刷新染料并將泵浦光形成的熱量帶走。在染料池腔內，靠近中心位置的染料流速最快，靠近窗口鏡片內壁位置處最慢，這表示窗口內壁處熱量很容易大量積累。雖然可以通過增加染料泵循環速度使熱量流失，但這也必將使染料泵內壓過度增大，管道接口處等位置容易脫落，且受限于染料泵的性能，流速提高的非常有限。

2 緩解燒傷的方法

為避免熱量過多積累在一處，將染料池安裝在一個電動平移臺上，通過對電動平移臺連接的運動控制器編程，使染料池以指定的方式循環運動起來，即通過額外設備使染料池熱量聚集點不斷變化，由此便可以避免熱量的堆積。在控制器編程中，設定染料池移動速度為每秒運動1毫米，保證窗口鏡片工作區域的充分利用，染料池移動10毫米后再反向移動，染料池不斷往復運動，熱量積累被大幅度緩解。

該方法的核心為運動控制器和電動平移臺。運動控制器內安裝有PLC可編程控制器，集成幾十種語句，可編入多達99條程序并儲存，使用方便，成本低廉，即能編程運行又可手動控制。控制器由485端口傳輸指令至步進電機，步進電機帶動電動平移臺，染料池在平移臺上沿兩根高精度線性導軌移動。該步進電機承載力大，運行精度高，可實現長期運轉。

系統架構完畢后對其進行測試。首先對控制器編程使其連續運行100小時，步進電機重復定位精度高于2.5微米，在100小時內程序無錯步情況發生，運行穩定可靠。電動平移臺移動過程中產生的激光光路指向性偏折角度小于0.5微弧度，完全滿足要求。

使電動平移臺持續運行，在染料池上更換全新的窗口鏡片并開啟放大器，測量其燒傷時間，實驗共進行三次，窗口鏡片產生肉眼可見的燒傷時間分別為86小時，82小時和85小時。相比于未使用電動平移臺之前，窗口鏡片燒傷時間被延長了20倍。為激光器放大器的連續運行提供了保障。

3 結論

本文通過外接設備使染料池循環移動的方式，避免了泵浦激光熱量在窗口鏡片內壁同一位置的持續積累，極大程度緩解了染料池的燒傷現象，并且對光路指向性影響很小，將燒傷時間延長了20倍，實現了很大程度的緩解燒傷。

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[責任編輯：朱麗娜]