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光ing銅蟲 (小有名氣)
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[交流]
用于仿真和分析激光晶體封裝技術(shù)中誘導(dǎo)應(yīng)力的方法 已有1人參與
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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. 參考及鏈接 1. S. Ferrando, M. Galan, E. Mendez, E. Romeu, D. Montes, A. Isern, M. Jardi, J. Juliachs, G. Viera. “Innovative optical techniques used in the Raman instrument for Exomars,” in ICSO International Conference on Space Optics,Greece 2010. 2. P. Ribes-Pleguezuelo, C. Koechlin, M. Hornaff, A. Kamm, E. Beckert, G. Fiault, R. Eberhardt, A. Tünnermann,“High-precision optomechanical lens system for space applications assembled by a local soldering technique,” Opt.Eng. 55(6), 065101 (2016). 3. E. Beckert, T. Oppert, G. Azdasht, E. Zakel, T. Burkhardt, M. Hornaff, A. Kamm, I. Scheidig, R. Eberhardt, A.Tünnermann, F. Buchmann, “Solder jetting–a versatile packaging and assembly technology for hybrid photonics and optoelectronical systems,” in Proceedings of IMAPS 42nd Int. Symp. on Microelectronics, California, (2009) pp. 406. 4. W. Koechner, Solid-State Laser Engineering (Springer, 1999). 5. C. Rothhardt, J. Rothhardt, A. Klenke, T. Peschel, R. Eberhardt, J. Limpert, A. Tünnermann “BBO-sapphire sandwich structure for frequency conversion of high power lasers,” Opt. Mater. Express 4, 1092 (2014). 6. J. F. Nye, Physical properties of crystals (Oxford Universty, 2010). 7. Q. Lü, U. Wittrock, S. Dong, “Photoelastic effects in Nd:YAG rod and slab lasers,” Opt. Laser Technol. 27(2), 95–101 (1995). 8. G. Golub, and F. Charles, Matrix Computations (Johns Hopkins University, 1983). 9. H. Bremmer, “The W.K.B approximation as the first term of a geometric-optical series,” Commun. Pure. Appl. Math. 4, 105–115 (1951). 10. F. Wyrowski and M. Kuhn, “Introduction to field tracing,” J. Mod. Opt. 58, 449–466 (2011). 11. D. W. Berreman, “Optics in stratified and anisotropic media: 4 × 4-matrix formulation,” J. Opt. Soc. Am. 62, 502–510 (1972). 12. G. D. Landry and T. A. Maldonado, “Gaussian beam transmission and reflection from a general anisotropic multilayer structure,” Appl. Opt. 35, 5870–5879 (1996). 13. L. Li, “Reformulation of the Fourier modal method for surface-relief gratings made with anisotropic materials,” J. Mod. Opt. 45, 1313–1334 (1998). 14. L. Li, “Note on the S-matrix propagation algorithm,” J. Opt. Soc. Am. A 20, 655–660 (2003). 15. Physical optics design software “Wyrowski VirtualLab Fusion”, developed byWyrowski Photonics UG, distributed by LightTrans GmbH, Jena Germany. https://www.lighttrans.com. 16. S. Zhang, Applied Computational Optics Group, Institute of Applied Physics, Friedrich Schiller University Jena,Max-Wien-Platz 1, 07743 Jena, Germany, C. Hellmann and F. Wyrowski are preparing a manuscript to be called “Algorithm for the propagation of electromagnetic fields through etalons and crystals.” 17. D. Eimerl, L. Davis, S. Velsko E. K. Graham A. Zalkin, “Optical, mechanical, and thermal properties of barium borate,” J. Appl. Phys. 62, 1968–1983 (1987). 18. W. Martienssen, H. Warlimont, Springer handbook of condensed matter and materials data (Springer, 2005). 19. I. H. Malitson, “Interspecimen comparison of the refractive index of fused silica,” J. Opt. Soc. Am. 55, 1205–1209 (1965). 20. W. L. Bond, “Measurement of the refractive index of several crystals,” J. Appl. Phys. 36, 1674–1677 (1965). 21. V. G. Dmitriev, G. G. Gurzadyan, D. N. Nikogosyan, Handbook of nonlinear optical crystals (Springer, 1999). 22. D. Asoubar, S. Zhang, F. Wyrowski, M. Kuhn, “Laser resonator modeling by field tracing: a flexible approach for fully vectorial transverse eigenmode calculation,” J. Opt. Soc. Am. B 31(11), 2565-573 (2014). 23. D. Asoubar, S. Zhang, F.Wyrowski, “Simulation of birefringence effects on the dominant transversal laser resonator mode caused by anisotropic crystals,” Opt. Express 23, 13848-3865 (2015). 24. D. Asoubar and F. Wyrowski, “Fully vectorial laser resonator modelling of continuous-wave solid-state lasers including rate equations, thermal lensing and stress-induced birefringence,” Opt. Express 23, 1880218822 (2015). 25. P. Ribes-Pleguezuelo, A. Moral, M. Gilaberte, P. Rodríguez, G. Rodríguez, M. Laudisio, M. Galan, M. Hornaff.E. Beckert, R. Eberhardt, A. Tünnermann, “Assembly processes comparison for a miniaturized laser used for the Exomars European Space Agency mission,” Opt. Eng. 55, 116107 (2016). 1. 簡介 現(xiàn)今，激光設(shè)備廣泛分布在不同的市場領(lǐng)域。現(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(jìn)行模擬，重復(fù)晶體的封裝過程并計算出誘導(dǎo)應(yīng)力。然后，通過每個組件的壓電張量，計算應(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(jìn)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(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，為每個激光元件設(shè)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(biāo)系統(tǒng)(晶體學(xué)和實(shí)驗室坐標(biāo)系統(tǒng))來設(shè)計的。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) 稍后一個有限元瞬態(tài)熱分析被耦合到一個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。 表2 焊接合金以及基板的主要物理性質(zhì) 圖4所示， 熱依賴的機(jī)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(shí)驗數(shù)據(jù)中提取了合金熱依賴特性。 2.2 應(yīng)力誘導(dǎo)雙折射方法 在激光晶體上產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力的同時，產(chǎn)生各向異性密度分布，從而在材料的折射率上產(chǎn)生差異，這是由折射率橢球進(jìn)行數(shù)學(xué)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(chǎn)生光學(xué)各向異性元件內(nèi)行進(jìn)的不同光速的效果也被稱為雙折射。這種效應(yīng)可以用材料折射率橢球Bij的變化來描述[7] 得到的結(jié)果ϵij來進(jìn)行晶體的后續(xù)光學(xué)仿真。方程式(1)-(3)在任何坐標(biāo)系中都成立。然而，需要強(qiáng)調(diào)，應(yīng)用每個方程式的張量時，要用同一坐標(biāo)系表示。由于晶體材料的對稱性，在晶體坐標(biāo)系中就很容易描述它們的性質(zhì)，例如，壓電光學(xué)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(shí)驗室坐標(biāo)系中，通過實(shí)際的晶體幾何結(jié)構(gòu)可以便捷描述應(yīng)力σij，為了后續(xù)的光學(xué)模擬，需要給出介電常數(shù)ϵij。更嚴(yán)格的，我們首先定義兩個笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)x-y-z和x，-y，-z，分別代表實(shí)驗室和晶體坐標(biāo)系統(tǒng)，[aij]作為從實(shí)驗室到晶體系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換矩陣。因為應(yīng)力通常在實(shí)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(biāo)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(biāo)系中表示。為了簡易，將二階應(yīng)力張量轉(zhuǎn)換到晶體系統(tǒng)，而不是轉(zhuǎn)換四階壓電張量。由于對稱性，根據(jù)Nye’慣例，應(yīng)力通常以縮寫的方式表達(dá)，如σn，n=1，……，6。應(yīng)用3×3坐標(biāo)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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