水冷和半导体制冷片联合控温的固体激光器实验装置.pdf

机工程技水2014年第43卷第11期
研究与开
DOI:10.3969/ A. Issn.1009-9492.2014.11.005
水冷和半导体制冷片联合控温的固体激光器实验装置
高军翔,梁锡辉,李康业,庞振华
(广州市光机电技术研究院∥广东省现代控制与光机电技术公共实验室,广东广州510663)
摘要:光泵浦的固体激光器的工作介质在工作时温度很高,会产生热透镜效应。这种热透镜效应会导致光-光转换效率下降。
为了使激光器的工作介质在工作时保持恒温,研制了一种水冷和半导体制冷片联用控温的装置,根据实验数据可知,本装置达
到了良好的效果。
关键词:激光器;水冷;半导体制冷片
中图分类号:TN248.1
文献标识码
文章编号:1009-9492(2014)11-0019-03
Experimental Solid-state Laser Device Based on Temperature Control
System of Water and Semiconductor Refrigerating Sheet
GAO Jun-xiang, ILANG Xi-hui, LI Kang-ye, PANG Zhen-hua
(Guangzhou Research Institute of O-M-E Technology//Guangdong Public Laboratory of Modern Control& Optical
Mechanical, Electronic Technology, Guangzhou510663, China
Abstract: The optically pumped solid state laser media produce a lot of heat when it's working, and creates thermal lens effect. The
thermal lens effect leads to reduce the optical o optical conversion efficiency. In order to make the working solid state laser media constant
temperature at work, this paper developed a temperature control system of water and semiconductor refrigerating sheet, and the
experimental data shows that the device achieves good results
Key words: laser; water cooling; semiconductor refrigerating sheet
0前言
且随着半导体技术的发展,受到了人们的广泛关
固体激光器是以掺杂的玻璃、晶体或透明陶注,与传统压缩机制冷相比,它主要具有无磨
瓷等固体材料为工作介质的激光器,其具有较大损、寿命长、尺寸小、制冷时间快和控制精度高
的输出功率和较紧湊的结构,从其诞生开始至等优点?。但是半导体制冷效率的提高,除了其
今,一直备受关注,尤其随着LDA泵浦固体激光本身制造材料和制造工艺的因素外,主要取决于
技术的发展,泵浦效率大幅度提高,器件的体积其散热、传冷方式,因此,重点解决好其散热问
更小、重量更轻、可靠性更高。泵浦源为工作题将对制冷效率的提高起到至关重要的作用。
介质产生激光提供所必须能量的同时会产生大量
本文设计了一台固体激光器实验装置,本实
的无用热,在散热不好的情况下,激光器的温升验装置由于要求可以测试固体激光晶体的一些性
很大,会使激光器转换效率降低,输出功率下能,因此对控温装置的要求较高,因此,本装置
降,激射波长偏移叫。为使激光器持续稳定运转,采用了水冷与半导体制冷方式片联合的方式来控
必须及时带走这些无用热,于是导致热透镜、应温,从而达到了较好的控温效果。
力、退偏、双折射等不良效应。
1固体激光器买验装置的结构
半导体制冷又称为热电制冷或温差电制冷,1.1激光罱的整体结构
它主要是珀尔帖效应在制冷技术方面的应用。并
如图1所示,系统的激光产生装置采用平行
国家863项目(编号:2012AA040210);国家863项目(编号:2013AA03A106);广州市应用棊础研究专项(编号:201314100122)
收稿日期:2014-05-28
19
研究与开发
杋也工技水2014年第43卷第11期
平面腔、半导体激光单端泵浦的结构。本实验装的晶体固定传热的装置,铜质冷却套开有小孔
置的泵浦源为独立控温的波长为808mn的LD固可令温度探头深入冷却套的内部以探测温度。
体激光器;耦合聚焦镜透镜组的成像比例为1:1,1.2.2水冷温控装置
焦距70mm;控温装置为自主设计的水冷与半导
水冷技术是比较成熟的技术,本文中使用的
体制冷片联用的装置。808nm的激光经过光纤,水冷系统是某厂家生产的小型水冷机,其精度可
再通过耦合聚焦镜的聚焦,聚焦到激光装置平面达0.1℃。水冷铜质基座是根据半导体制冷片的大
腔中的Nd:YAC激光晶体上,最终输出1064m小,自主设计并制作的装置。
波长的激光。图1中最右边的准直激光器为调节2固体激光器的温控性能
激光装置准直的He-Ne激光器。
为了评估固体激光器的温控性能,本文以分
钟为单位记录了25分钟激
双色鏡
输出镜
光器的半导体控温装置的
合聚镜
控温装墅
准直激光器温度和激光的功率,并且
光纤
コ在激光输出一个小时之后
同样记录了半导体控温装
置的温度和激光的功率。
图1固体激光器实验装置结构示意图
具体做法是,使用9.8W的
波长为808nm的激光作为
1.2控温装置的结构图
激发源,激发Nd:YAG晶体;水冷系统温度设定
如图2所示,除去六轴精密位移台,控温装为20℃,半导体制冷系统设定为20℃。首先,先
置分为两部分,基于半导体制冷片的温控部分和调节激光器使其输出1064mm波长的激光,出激
基于水冷控温的水冷控温系统。半导体制冷片的光5分钟后开始计时,记录温度,同时使用激光
冷端紧贴激光晶体的铜质冷却套,热端紧姑铜质功率计测量功率(功率计的前端加人808nm波长
水冷基座,激光晶体产生的热量经热端由水冷系的滤光片,1064nm的激光透过率大约为70%)。
统带走。
表1为实验数据值。
①铜质冷却套
表1半导体温度控制器的显示温度与功率随时间的变化
②③④⑤
②激光晶体
②半导体制冷片
铜质水冷基座
时间/min。』温度/℃功率/mW『时间/min』温度/℃功率/mW
六轴精密位移台
24.5
19
3.5
⑥温度探头连线
Q⑦⊙半导体制冷片
23.9
③PD控制器
⑨水管
⑩水冷温控系统
22.9
22.6
图2固体激光器实验裝置控温装置结构示意图
24
22.4
3.4
1.2.1半导体制冷片温控装置
26
PID控制器是按偏差的比例(P)、积分(I)
3.5
22.6