POL RIBES-PLEGUEZUELO,1,2，*SITE ZHANG,2ERIK BECKERT,1 RAMONA EBERHARDT,1FRANK WYROWSKI,2AND ANDREAS TÜNNERMANN1,2
1 Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering IOF, Albert-Einstein-Str. 7, 07745 Jena, Germany
2 Institute of Applied Physics, Abbe Center of Photonics, Friedrich Schiller University Jena, Max-Wien-Platz 1, 07743 Jena, Germany *pol.ribes@iof.fraunhofer.de
摘要
提出了一種用來(lái)仿真激光晶體封裝技術(shù)中的誘導應力的方法，并對激光腔內部的雙折射效應進(jìn)行研究。這種方法已經(jīng)由軟件ANSYS 17.0通過(guò)熱機械仿真來(lái)實(shí)現。ANSYS的結果稍后被導入到VirtualLab Fusion軟件中，這款軟件按照波長(cháng)及偏振性對輸入輸出光束進(jìn)行分析。研究是建立在一種用于玻璃或晶體光學(xué)封裝中低應力焊接技術(shù)，也被稱(chēng)作焊機泵浦技術(shù)的背景下。分析結果表明對于由釔鋁石榴石活性激光晶體構建的激光腔，二次諧波發(fā)生器β-鋇硼酸鹽，以及由低應力焊機泵浦技術(shù)組裝的熔融石英的輸出激光鏡來(lái)說(shuō)，輸入及輸出激光光束幾乎沒(méi)有差異。
○c2017 Optical Society of America OCIS codes: (140.0140) Lasers and laser optics; (220.0220) Optical design and fabrication; (260.1440) Birefringence.
參考及鏈接
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1. 簡(jiǎn)介
現今，激光設備廣泛分布在不同的市場(chǎng)領(lǐng)域�，F有的不同激光市場(chǎng)應用已經(jīng)將對激光設備的要求推向了緊湊型、高效率和高可靠性的高度嚴格要求，以便能夠在不同的設備條件下有效執行。此外，在汽車(chē)市場(chǎng)或太空應用領(lǐng)域中對激光設備的使用，一直在挑戰激光制造商來(lái)獲得在極端情況下也能夠使用的更可靠緊湊的激光設備[1]。在獲得具有高可靠性和高效率的微型化裝置的情況下，最好的選擇仍然是由膠粘劑組裝成的二極管泵浦固體激光器(DPSSL)。然而，設備需要高的運行和存儲溫度范圍，自由釋氣或真空兼容性，更高的熱導率和電導率，甚至抗輻射組件，都導致需要尋找新的連接技術(shù)。目前有幾種低壓焊接技術(shù)可以用于此類(lèi)設備[2]。然而，為了不損害器件的小型化，同時(shí)提供無(wú)應力的激光束諧振腔，我們必須研究封裝誘導應力和隨之而來(lái)的激光元件雙折射現象。在本刊物中，我們研究了低應力封裝激光焊接泵浦技術(shù)所產(chǎn)生的激光晶體的應力封裝效應，此外，該方法也適用于其他激光設備的封裝技術(shù)。
所謂焊機泵浦技術(shù)(圖1)使用由各種軟焊料合金(如錫基無(wú)鉛焊料、低熔點(diǎn)合金或高熔點(diǎn)共熔合金金-錫，金-硅或金-鍺焊料) 制成的直徑范圍為40至760μm的球形焊料預成型件。為了能夠通過(guò)焊接技術(shù)將玻璃或晶體連接到金屬或陶瓷基板上，這就要求將可附著(zhù)的金屬層涂覆到光學(xué)元件上，可通過(guò)物理汽相沉積(PVD)實(shí)現[3]。
盡管這種技術(shù)保證了熱能的局部化和最小化輸入，使其適于連接玻璃或我們對激光晶體的研究案例，但仍必須分析誘導應力防止可能的激光諧振器運行不當，引起激光的光束質(zhì)量或最終功率下降。
圖1.球形的軟焊料合金從焊球存儲槽轉移到噴絲毛細孔，直到它們熔化并噴射到需要連接的部件為止。焊接裝置安裝在能夠以6個(gè)自由度焊接部件的機械臂上[2]。
2. 仿真方法
就我們的研究而言，我們選擇了由DPSSL器件中最著(zhù)名和最常用的激光材料代表的平面-平面激光腔(圖2)；釔鋁石榴石或摻釹釔鋁石榴石活躍晶體(Y3Al5O12)，一個(gè)二次諧波發(fā)生器(SHG) β−鋇硼酸鹽(β−BaB2O4或偏硼酸鋇)，以及最后一個(gè)由熔融石英(二氧化硅)制成的輸出二向色激光鏡。所選用的軟焊料合金是SnAgCu(SAC)，用于將激光元件連接到氮化鋁基板(AIN)上。
圖2所示，DPSSL腔的示意圖。一個(gè)808nm的泵浦二極管，以及由三個(gè)組件表示的平面-平面激光腔；YAG晶體，SHG BBO和輸出反射鏡。
首先通過(guò)ANSYS 17.0軟件用有限元法進(jìn)行模擬，重復晶體的封裝過(guò)程并計算出誘導應力。然后，通過(guò)每個(gè)組件的壓電張量，計算應力引起的雙折射被轉換成電介質(zhì)矩陣，最后被導入到VirtualLab Fusion軟件來(lái)研究封裝元件產(chǎn)生激光的能力。
2.1 通過(guò)ANSYS進(jìn)行FEM仿真
為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，光學(xué)組件被創(chuàng )建為由兩個(gè)直徑760μm 的SAC合金球體所焊接的獨立的2 mm3立方體，并通過(guò)ANSYS設計模塊融化到一個(gè)5×5×0.25mm的AIN基板(圖3)。接下來(lái)，如表1和2中所示，對每個(gè)組件的材料屬性進(jìn)行定義。至于焊接合金，我們并沒(méi)有做一個(gè)從液體到固體的完全的相變過(guò)程，因為這將增加模擬的復雜性，而是如表2和圖4所示的在分析中包括了一些與溫度有關(guān)的機械特性。
圖3所示，為每個(gè)激光元件設計幾何形狀的一個(gè)例子。比如SHG BBO晶體，它是由使用兩個(gè)不同的坐標系統(晶體學(xué)和實(shí)驗室坐標系統)來(lái)設計的。這兩種不同的坐標系統能夠定義材料正交的特征(見(jiàn)表1)，而且也可定義SHG所需的晶相匹配角22.8° [4]。
表1 使用激光材料的主要物理性質(zhì)
稍后一個(gè)有限元瞬態(tài)熱分析被耦合到一個(gè)ANSYS中的靜態(tài)結構分析器，來(lái)研究SAC合金 (近似熔化溫度217 ℃)從230℃ 到22℃的冷卻過(guò)程，以及因此產(chǎn)生的組件裝配中的誘導應力。利用后處理分析，從激光元件內部的光束路徑中提取出矢量主應力，以研究器件的雙折射和可能出現的激光偏置。 |
