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
提出了一種用來仿真激光晶體封裝技術(shù)中的誘導(dǎo)應(yīng)力的方法，并對激光腔內(nèi)部的雙折射效應(yīng)進(jìn)行研究。這種方法已經(jīng)由軟件ANSYS 17.0通過熱機(jī)械仿真來實(shí)現(xiàn)。ANSYS的結(jié)果稍后被導(dǎo)入到VirtualLab Fusion軟件中，這款軟件按照波長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(yīng)力焊接技術(shù)，也被稱作焊機(jī)泵浦技術(shù)的背景下。分析結(jié)果表明對于由釔鋁石榴石活性激光晶體構(gòu)建的激光腔，二次諧波發(fā)生器β-鋇硼酸鹽，以及由低應(yīng)力焊機(jī)泵浦技術(shù)組裝的熔融石英的輸出激光鏡來說，輸入及輸出激光光束幾乎沒有差異。
○c2017 Optical Society of America OCIS codes: (140.0140) Lasers and laser optics; (220.0220) Optical design and fabrication; (260.1440) Birefringence.
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1. 簡介
現(xiàn)今，激光設(shè)備廣泛分布在不同的市場領(lǐng)域�，F(xiàn)有的不同激光市場應(yīng)用已經(jīng)將對激光設(shè)備的要求推向了緊湊型、高效率和高可靠性的高度嚴(yán)格要求，以便能夠在不同的設(shè)備條件下有效執(zhí)行。此外，在汽車市場或太空應(yīng)用領(lǐng)域中對激光設(shè)備的使用，一直在挑戰(zhàn)激光制造商來獲得在極端情況下也能夠使用的更可靠緊湊的激光設(shè)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(shè)備需要高的運(yùn)行和存儲溫度范圍，自由釋氣或真空兼容性，更高的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率，甚至抗輻射組件，都導(dǎo)致需要尋找新的連接技術(shù)。目前有幾種低壓焊接技術(shù)可以用于此類設(shè)備[2]。然而，為了不損害器件的小型化，同時(shí)提供無應(yīng)力的激光束諧振腔，我們必須研究封裝誘導(dǎo)應(yīng)力和隨之而來的激光元件雙折射現(xiàn)象。在本刊物中，我們研究了低應(yīng)力封裝激光焊接泵浦技術(shù)所產(chǎn)生的激光晶體的應(yīng)力封裝效應(yīng)，此外，該方法也適用于其他激光設(shè)備的封裝技術(shù)。
所謂焊機(jī)泵浦技術(shù)(圖1)使用由各種軟焊料合金(如錫基無鉛焊料、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(yù)成型件。為了能夠通過焊接技術(shù)將玻璃或晶體連接到金屬或陶瓷基板上，這就要求將可附著的金屬層涂覆到光學(xué)元件上，可通過物理汽相沉積(PVD)實(shí)現(xiàn)[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(dǎo)應(yīng)力防止可能的激光諧振器運(yùn)行不當(dāng)，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(zhuǎn)移到噴絲毛細(xì)孔，直到它們?nèi)刍娚涞叫枰B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(jī)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ANSYS 17.0軟件用有限元法進(jìn)行模擬，重復(fù)晶體的封裝過程并計(jì)算出誘導(dǎo)應(yīng)力。然后，通過每個(gè)組件的壓電張量，計(jì)算應(yīng)力引起的雙折射被轉(zhuǎn)換成電介質(zhì)矩陣，最后被導(dǎo)入到VirtualLab Fusion軟件來研究封裝元件產(chǎn)生激光的能力。
2.1 通過ANSYS進(jìn)行FEM仿真
為了簡單起見，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(dú)立的2 mm3立方體，并通過ANSYS設(shè)計(jì)模塊融化到一個(gè)5×5×0.25mm的AIN基板(圖3)。接下來，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，我們并沒有做一個(gè)從液體到固體的完全的相變過程，因?yàn)檫@將增加模擬的復(fù)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(jī)械特性。
圖3所示，為每個(gè)激光元件設(shè)計(jì)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(biāo)系統(tǒng)(晶體學(xué)和實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系統(tǒng))來設(shè)計(jì)的。這兩種不同的坐標(biāo)系統(tǒng)能夠定義材料正交的特征(見表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(jié)構(gòu)分析器，來研究SAC合金 (近似熔化溫度217 ℃)從230℃ 到22℃的冷卻過程，以及因此產(chǎn)生的組件裝配中的誘導(dǎo)應(yīng)力。利用后處理分析，從激光元件內(nèi)部的光束路徑中提取出矢量主應(yīng)力，以研究器件的雙折射和可能出現(xiàn)的激光偏置。 |
