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專業(yè): 光學

[交流] 用于仿真和分析激光晶體封裝技術中誘導應力的方法已有1人參與

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中的誘導應力的方法，并對激光腔內部的雙折射效應進行研究。這種方法已經由軟件ANSYS 17.0通過熱機械仿真來實現(xiàn)。ANSYS的結果稍后被導入到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行分析。研究是建立在一種用于玻璃或晶體光學封裝中低應力焊接技術，也被稱作焊機泵浦技術的背景下。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.

參考及鏈接

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“Algorithm for the propagation of electromagnetic fields through etalons and crystals.”
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1. 簡介

現(xiàn)今，激光設備廣泛分布在不同的市場領域�，F(xiàn)有的不同激光市場應用已經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(zhí)行。此外，在汽車市場或太空應用領域中對激光設備的使用，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。目前有幾種低壓焊接技術可以用于此類設備[2]。然而，為了不損害器件的小型化，同時提供無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的激光元件雙折射現(xiàn)象。在本刊物中，我們研究了低應力封裝激光焊接泵浦技術所產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。

所謂焊機泵浦技術(圖1)使用由各種軟焊料合金(如錫基無鉛焊料、低熔點合金或高熔點共熔合金金-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。為了能夠通過焊接技術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元件上，可通過物理汽相沉積(PVD)實現(xiàn)[3]。

盡管這種技術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808nm的泵浦二極管，以及由三個組件表示的平面-平面激光腔；YAG晶體，SHG BBO和輸出反射鏡。

首先通過ANSYS 17.0軟件用有限元法進行模擬，重復晶體的封裝過程并計算出誘導應力。然后，通過每個組件的壓電張量，計算應力引起的雙折射被轉換成電介質矩陣，最后被導入到VirtualLab Fusion軟件來研究封裝元件產生激光的能力。

2.1 通過ANSYS進行FEM仿真

為了簡單起見，光學組件被創(chuàng)建為由兩個直徑760μm 的SAC合金球體所焊接的獨立的2 mm3立方體，并通過ANSYS設計模塊融化到一個5×5×0.25mm的AIN基板(圖3)。接下來，如表1和2中所示，對每個組件的材料屬性進行定義。至于焊接合金，我們并沒有做一個從液體到固體的完全的相變過程，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的機械特性。

圖3所示，為每個激光元件設計幾何形狀的一個例子。比如SHG BBO晶體，它是由使用兩個不同的坐標系統(tǒng)(晶體學和實驗室坐標系統(tǒng))來設計的。這兩種不同的坐標系統(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

稍后一個有限元瞬態(tài)熱分析被耦合到一個ANSYS中的靜態(tài)結構分析器，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(xiàn)的激光偏置。

表2 焊接合金以及基板的主要物理性質

圖4所示，熱依賴的機械材料性能。在圖(a)中，各向同性彈性，楊氏模量。在圖(b)中，合金相變焓。從塔拉姆儀器公司(法國)的實驗數(shù)據中提取了合金熱依賴特性。

2.2 應力誘導雙折射方法

在激光晶體上產生機械應力的同時，產生各向異性密度分布，從而在材料的折射率上產生差異，這是由折射率橢球進行數(shù)學上的定義的 (表示為一個橢圓，用來描述光通過材料的不同速度)[6]。在產生光學各向異性元件內行進的不同光速的效果也被稱為雙折射。這種效應可以用材料折射率橢球Bij的變化來描述[7]

得到的結果ϵij來進行晶體的后續(xù)光學仿真。方程式(1)-(3)在任何坐標系中都成立。然而，需要強調，應用每個方程式的張量時，要用同一坐標系表示。由于晶體材料的對稱性，在晶體坐標系中就很容易描述它們的性質，例如，壓電光學張量πijkl通常只在這樣的系統(tǒng)參考書目中給出[6]。另一方面，在實驗室坐標系中，通過實際的晶體幾何結構可以便捷描述應力σij，為了后續(xù)的光學模擬，需要給出介電常數(shù)ϵij。更嚴格的，我們首先定義兩個笛卡爾坐標系統(tǒng)x-y-z和x，-y，-z，分別代表實驗室和晶體坐標系統(tǒng)，[aij]作為從實驗室到晶體系統(tǒng)的轉換矩陣。因為應力通常在實驗室系統(tǒng)中用x，y，z來描述，壓電張量通常是在晶體坐標系中用x，y，z，給出。為了使用公式(2)，這兩個量必須在相同的坐標系中表示。為了簡易，將二階應力張量轉換到晶體系統(tǒng)，而不是轉換四階壓電張量。由于對稱性，根據Nye’慣例，應力通常以縮寫的方式表達，如σn，n=1，……，6。應用3×3坐標變換矩陣，我們首先將縮寫σn明確為σij，然后使用下面的方程

其中

......

未完待續(xù)

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