复合晶体内部热分布的研究

复合晶体内部热分布的研究

作者：李晓敏 张燕

来源：《中国高新技术企业》2013年第14期

摘要：复合晶体比单一晶体具有更好地热效应，在高功率固体晶光器方面有广阔的应用前景。文章研究了Nd：YVO4/YVO4复合晶体内部的热分布，从理论和试验模拟两方面分析了复合晶体内部的温度梯度分布。

关键词：热键合；复合晶体；单一晶体

中图分类号：TN248.1 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）21-0011-02 1 概述

复合晶体内部热分布的研究的作用：（1）由于未掺杂晶体的存在，激光晶体受到的不再是张力，不容易发生形变和断裂，易于获得高功率的激光输出。（2）未掺杂晶体的作用是提高了装夹结构与冷却系统的设计，而且不会对激光介质造成破坏和性能的降低。（3）如果将未掺杂晶体应用于热沉部分，可以分散大部分的热量，从而改善激光系统的热效应。当然热键合技术对各项加工工艺的要求较高，研究难度也较大，因为两块晶体的热膨胀系数相差越大，键合就越困难，对工艺的要求也就越高。

本文对山大鲁能中晶公司生产的Nd：YVO4/YVO4复合晶体内部的热分布做了细致研究，发现复合晶体内部的温度梯度比单一晶体明显降低，热透镜效应也显著减小，利于获得谐振腔更加稳定、功率更高的固体激光器。 2 理论分析

采用已有的激光系统谐振腔热损耗的理论，其中激光介质因为温度场的不均匀所造成的热损耗我们可以用下式表述：

其中为晶体中心到边缘的剩余相差，为Nd：YVO4晶体的吸收系数，l为Nd：YVO4晶体的长度， pin为泵浦光功率，rb为晶体的有效半径，ωi是激光的模式半径，ωp为有效抽运光的平均半径。当抽运光功率较小时，由于复合晶体在键合面处热传导性优良，使得热损耗变小，转换效率就会提高。当泵浦功率较高时，由于热透镜效应的存在，未键合晶体的激光输出很容易达到饱和，而热键合晶体的输出功率则稳定上升。

下面通过分析激光晶体内部的温度梯度，可以有效地说明未掺杂介质对泵浦热的传导和分散。因为未掺杂介质YVO4的热传导率的各向异性很小，大约只有2.5%的差异，所以认为YVO4的热传导率是各向同性的，其热传导方程可以表示为：（其中ρ、t、T、k、、、Q，分

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

别表示为密度、时间、温度、热传导系数、微元体内的能量存储变化率、进入微元体的净热流、微元体内产生的热量）。

如果我们设定泵浦光在入射面的强度为Q'，α是激光晶体对泵浦光的吸收系数，ωp为泵浦光在激光晶体内的平均半径，对于未键合晶体，如设定其周围温度为恒定T=22℃；那么热键合晶体，键合面处的边界条件近似为：，其中即为键合面处两侧晶体的温度差别。 3 测试

选择使用MATLAB模拟键合晶体与选择使用未键合晶体分别在泵浦端面的温度显示： 4 结语

通过以上图片可以得出，因为键合晶体的变化，比较相未键合晶体的变化从泵浦中心所显示的温度得到了降低，从而提高了泵浦端面内中的温度层次变化。因为未掺杂晶体YVO4作为热沉吸收了大部分的泵浦辐射，减小了热透镜效应。 鉴于复合晶体良好的热效应，在高功率固体激光器方面将会发挥更大的作用。 参考文献

[1] Nosach，O.Yu，Orlov.E.P.Influence of Refraction losses on laser radiation characteristics[J].Soviet Journal of Quantum Electronics（English translation of Kvantovaya Electronika），13（5）：585-591、1983.

[2] ，高明义，姚建铨.LD端面泵浦各向异性激光介质的热效应研究[J].光电子·激光，2003，6（10）：1094-1097.

[3] Huang Feng，Wang Yue-Feng，Niu Yan-Xiong.Study on thermal effects of LD end-pumped high-repetition-rate Nd：YAG laser[J].Infrared and laser Engineering，2004，33（4）：358-361.

[4] M.E.Innocenzi，H.T.Yura.Thermal modeling of continous-wave end-pumped solid-state lasers[J].Phys. Lett，1990，56（19）：1831-1833.

[5] 尹泽明，丁春利，等.精通MATLAB 6.0[M].北京：清华大学出版社，2002. 基金项目：山东协和学院科技项目——热键合技术对改善激光性能的研究资助（XHXY201104）

作者简介：李晓敏（1981-），女，山东寿光人，山东协和学院基础部副教授，研究生，研究方向：全固态激光器和非线性光学。

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn