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更全面的激光器的温度控制和实现方法百科

2020-08-13

  为各位分享下关于激光器的温度控制和实现方法方面知识,激光器按照冷却方式可以分为水冷式、风冷式、液氮冷却式等等,如图1所示,冷却方式的选择往往是根据激光器的发热量以及工作环境来确定的,水冷式激光器适用于发热量较大、需要长期稳定工作的情形,风冷式散热激光器适合发热量小、对环境要求不太严苛的情形,液氮冷却一般出现在激光晶体需要工作在极低温度的情形,比如液氮冷却的Yb:YAG激光器。

更全面的激光器的温度控制和实现方法百科

  从光学原理出发,实现激光器温度控制目的是为了保证激光输出功率以及中心波长的稳定性。下面以5 KHz绿光激光器为例分析温度控制系统的必要性以及可实施性。


  抽运LD温控的必要性

  首先抽运LD的中心波长随着抽运功率以及温度的变化而变化,并且抽运功率越高、温度越高对应的抽运光中心波长越长,正常Nd:YVO4晶体的吸收峰在808 nm左右,抽运光中心波长偏离这个值将会引起晶体对抽运光吸收效率的降低,因此需要对抽运LD进行温度控制以保证LD辐射激光的中心波长落在激光晶体吸收峰附近。如图2所示为Nlight某批次200 W LD的温漂特性,当LD工作在连续工作状态下时,LD温度控制在15℃左右其对应的中心波长在808 nm附近,而工作在150 μs/1kHz的脉冲模式下时,温度控制在24℃左右,其对应的中心波长达到808 nm,由此可知需要将LD的温度控制在合适的数值上以满足激光器不同的工作模式。


  如何保证被控器件温度可控

  从结构设计方面出发,需要考虑的主要有两点,第一点是如何设计温控结构以保证被控对象温控到位,当不同器件的温控要求不同或某一器件的温控精度要求比较高时,一般需要采用壳体温控与器件精准温控相结合的方式。壳体温控主要指风冷与水冷等措施;精准温控主要采取TEC制冷的方式,将被控温度对象置于紫铜板上,TEC制冷器冷面紧贴铜板,热面贴于壳体,为保证热电制冷器接触良好,两接触面可涂一层导热硅脂或贴铟箔。


  如何抵抗温度冲击

  此外,在实际使用中发现,当激光器遭遇温度冲击时可能会引起光路偏离、功率降低等问题,这是由于不同材质热形变系数不一导致接触面变形所致,因此如何设计能够抵抗温度冲击的机械结构也是激光器温控的关键点之一。


  此处,对机械结构的设计提出了较高要求,例如设计振荡器的导热底板,其长宽比不可过大,长度一般不超过180 mm;螺钉固定处相对于质心对称;螺钉处增加去应力槽以及局部减薄处理等;螺钉安装需从中心的螺钉开始手动将所有的螺钉旋入,然后使用扭矩螺丝刀逆时针方向逐一上紧所有的螺钉,并且逐渐增加扭矩,直到所有的螺钉上都获得适当的扭矩值;其他去应力处理例如振动去应力、高低温去应力等。


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