美國陸軍(jun) 研究實驗室（ARL）的一個(ge) 研究小組提出了一種切實可行的方法，用於(yu) 有效冷卻光泵浦碟片激光器中增益介質的兩(liang) 個(ge) 麵，這將有望使高功率碟片激光器獲得更好的散熱效果和更高的光束質量。通過將碟片與(yu) 水冷式熱沉接觸的方法冷卻激光器，大部分熱量隻能從(cong) 碟片的一麵被帶走；而采用雙麵熱沉則可以實現雙倍以上的散熱能力。

　　使用雙麵熱沉需要解決(jue) 的問題是：為(wei) 激光器碟片的發射麵找到一種透明的、具有高熱導率的熱沉材料。藍寶石能夠在77K的低溫下提供很高的熱導率，並且已經用於(yu) 冷卻激光碟片，但美中不足的是藍寶石在室溫下的熱導率非常低。

　　研究人員使用碳化矽（SiC）來冷卻摻鐿YAG（Yb：YAG）碟片激光器，SiC在室溫下幾乎和銅具有相同的熱導率。但是SiC也有其自身存在的問題：SiC是一種高折射率材料，在1μm處的折射率高達2.59。正因為(wei) 如此，緊靠激光器碟片放置的一個(ge) 平麵SiC窗口，將會(hui) 導致高達3.3％的單程損耗。使用減反射膜可以降低這種損耗，但是減反射膜也耐熱，這將降低碟片和SiC熱沉之間的粘接強度。

無損耗反射

研究人員使用SiC棱鏡代替平麵SiC窗口，以某一角度泵浦棱鏡/碟片複合塊，並設計棱鏡使得光束以布儒斯特角入射到複合塊的界麵上（除單次全內(nei) 反射外），這意味著對p偏振的800nm泵浦光而言，所有的損耗都為(wei) 零（見圖），從(cong) 而解決(jue) 了使用SiC所帶來的光損耗問題。棱鏡兩(liang) 端的距離為(wei) 40mm，頂端到底麵的厚度為(wei) 8.3mm；增益介質的厚度為(wei) 0.4mm。激光碟片隻通過SiC棱鏡冷卻，碟片的其他麵保持與(yu) 空氣接觸，這樣就可以通過熱成像儀(yi) 測量SiC
 

的溫度分布。

 
圖：一個(ge) Yb:YAG/SiC 棱鏡/碟片增益介質複合塊，被一個(ge) 在所有界麵均以布儒斯特角入射的光束泵浦。激光碟片的實際厚度要比圖中顯示得薄得多。

　　這種複合塊被置於(yu) 一個(ge) 穩定腔配置中，該配置由一個(ge) 稍帶曲率的泵浦分色鏡和一個(ge) 平麵輸出鏡（實驗中采用了反射率在70%~98％之間的不同輸出鏡）組成。激光器以準連續波方式運行，占空比為(wei) 10％，重複頻率為(wei) 100Hz。

　　由於(yu) 光纖傳(chuan) 導的泵浦光源是非偏振的，在表麵處損耗了30％的泵浦功率（利用偏振泵浦光源可以消除該損耗）。采用反射率為(wei) 85％的輸出鏡，獲得了約為(wei) 38％的最佳斜率效率，輸出功率為(wei) 12W。高達3~4kW/cm2的泵浦閾值密度促使研究人員對激光器進行建模，並確定了SiC自身也存在一些吸收，其導致了大約3％的單程損耗。

高光束質量

　　Yb：YAG碟片激光器實現了非常不錯的光束質量（M2）：在X和Y方向上約為(wei) 1.5。輸出光束的偏振襯度至少為(wei) 1000：1。模擬結果顯示，當泵浦功率為(wei) 7.7 W時，激光碟片層的溫度差異約為(wei) 10℃左右，這與(yu) 熱成像儀(yi) 的測量結果相符。

　　研究人員注意到，棱鏡/碟片複合激光器的設計，可以通過沿著棱鏡基線方向延長泵浦點來提高輸出功率；而非穩定腔的配置可以提高功率提取效率。通過將碟片層的開放麵與(yu) 銅熱沉接觸，可以實現雙麵冷卻。有限元仿真結果表明，雙麵冷卻能夠將碟片的極限溫度降低2.5倍甚至更多。