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全固态Tm:YAG激光器的脉冲管制冷机冷却技术研究
文献类型：学位论文
| 答辩日期 | 2014 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 导师 | 蔡京辉 |
| 关键词 | 脉冲管制冷机 低温 Tm:YAG激光器 全固态 |
| 学位专业 | 博士 ; 制冷及低温工程 |
| 中文摘要 | 脉冲管制冷机具有冷端无运动部件、体积小、寿命长、可靠性高的优点，已成功应用在红外探测器等光学器件的低温制冷领域。2μm激光对大气穿透性强、能被水强吸收、且具有人眼安全，可用石英光纤传输的优点，因而在激光雷达、测距、光电对抗、医疗等领域有广泛的应用前景。Tm:YAG晶体是产生2μm激光的常用工作物质，其准三能级特性使其在常温条件下阈值高、效率低，难以高效运转，而低温条件可以明显降低阈值并提高光-光转换效率。但由于低温系统的复杂性，目前的Tm:YAG激光器系统普遍采用水冷却方式，系统笨重，难以小型化，不利于实际应用。因此，本文对基于脉冲管制冷机的Tm:YAG激光器低温冷却技术进行了研究，解决了晶体与制冷机耦合、LD散热、低温LD材料热匹配性等问题，并集成了全固态的便携式Tm:YAG激光器样机，主要研究内容如下： 1. Tm:YAG激光器与脉冲管制冷机的耦合与输出特性研究。设计了Tm:YAG晶体与脉管制冷机的耦合结构，用制冷机冷却晶体，使其工作在低温条件下。实验得到了80~290K温区范围内，激光阈值和输出功率随温度的变化关系，与前人理论计算和液氮冷却的实验结果基本一致。其中，在晶体温度为80K，端面泵浦功率9W时，得到了3.78W的2μm激光输出，光光效率42%，斜效率44.9%。 另外，实验研究了脉冲管制冷机与Tm:YAG激光器的耦合特性，得到了压缩机输入功率、制冷温度、泵浦功率和2μm激光输出功率之间关系的网图曲线；通过比较液氮和制冷机两种制冷方式下激光输出特性，证明激光器不受制冷机微米量级的高频振动影响；计算了真空绝热系统的辐射漏热和引线漏热量，其值很小可忽略不计；建立了Tm:YAG晶体的非稳态内热源模型，并用ANSYS有限元分析软件对晶体，低温激光系统组件以及凹面镜的温度场和热变形情况进行了模拟计算。 2. LD的常温冷却技术。LD的常温固态冷却控温技术是集成全固态Tm:YAG激光器的另一个关键问题，其散热要求为23.5W@14.5℃。采用半导体制冷器（TEC）方案，具有结构简单、制冷速度快、控温精度高、便于自动控制的优点。解决了TEC热端风冷散热的问题，进行了TEC冷却LD模拟负载的实验，在两片TEC的输入为9V×9.54A时，得到了43.6W@14.5℃的最大制冷量，系统的COP为0.508，完全可以满足LD对常温散热的需求。 3. 全固态Tm:YAG激光器样机集成及性能评价标准提出。在完成Tm:YAG晶体的脉管制冷机低温冷却、LD泵浦源的TEC常温冷却和脉管热端的风冷散热后，集成了便携式的全固态Tm:YAG激光器样机，即半低温Tm:YAG激光器样机。提出了比功率的概念：激光输出功率与激光器系统输入总功率的比值，其意义为激光器系统单位能耗所能获得的激光输出能量值。制冷机输入功率分别为30W、40W、50W时，该激光器样机最大2μm激光输出功率分别为3.84W、4.68W和5.45W时，比功率值分别为0.0297W/W，0.03W/W，0.029W/W，明显高于采用水冷方式时0.0125W/W的比功率值，且在体积、重量、灵活性和小型化方面优势更加突出。 4. 低温LD的设计。采用钨铜材料替代纯铜材料设计制造了低温下工作的LD，并使用ANSYS有限元分析软件分别对低温LD温度和热变形进行了模拟计算。结果表明钨铜材料制作的LD在低温下时，电极 、bar条芯片和石英光纤的热变形量非常接近，因而热应力小。在153~293K的实验测试中，随着温度的降低，激光输出功率稳定上升，没有出现下降或反复现象，且波长和半高全宽等激光光谱特性良好，满足低温下应用的要求。 5. 全低温Tm:YAG激光器设计及性能评估。提出了全低温Tm:YAG激光器的概念：LD和Tm:YAG晶体均工作在低温条件下的激光器。对该激光器，为得到3.6W的2μm激光输出，制冷机制冷量需达到9.424W@160K。计算得系统的总比功率值为0.0394W/W，相比于半低温激光器0.029W/W的比功率值有了进一步提高，且体积更小，集成度更高，是一种更加理想的小型化2μm激光光源。 |
| 源URL | [http://202.127.2.71:8080/handle/181331/10947]  |
| 专题 | 上海技术物理研究所_全文传递文献库_qwcd 学位论文 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | . 全固态Tm:YAG激光器的脉冲管制冷机冷却技术研究[D]. 中国科学院研究生院. 2014. |
入库方式： OAI收割
来源：上海技术物理研究所
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