成果介绍：浸入式液冷固体激光器用冷却液体的研究

     作者：郑晓蒙

    浸入式液冷固体激光器的核心是高通透匹配折射率冷却液体，因此激光器对这种冷却液体的要求也十分苛刻。  针对Nd:YAG浸入式液冷固体激光器（对应泵浦光和激光波长分别为808 nm和1 064nm），笔者对冷却液体的性能特性进行了研究，总结出与这些性质有关的理论基础，并以此为依据，通过自行设计并合成，制备出性能优良的冷却液体。

    1  冷却液体的研究方法

    1.1  808 nm和1064 nm光吸收机理研究

    808 nm和1064 nm分别为近红外光的短波和长波波长，近红外光谱主要是由于分子振动的非谐振性使分子振动从基态向高能级跃迁时产生的，记录的主要是含氢基团X-H(X=C、N、O)振动的倍频和合频吸收。不同基团（如甲基、亚甲基、苯环等）或同一基团在不同化学环境中的近红外吸收波长与强度都有明显差别。不同基团对近红外的吸收谱图如图1所示，( 808±50)  nm主要是伯胺( RNH2)的N-H三阶谐波吸收，(1 064 +50) nm主要是伯胺( RNH2)的N-H二阶谐波和芳香类化合物上烷基( ArCH)的C-H吸收。但这记录的只是引起近红外不同波段吸收的主要基团，实验证明，其余含氢基团在808nm和1 064 nm也会存在一定的吸收。所以在溶剂的筛选和结构的设计上，主要选择和设计分子中不带含氢基团的溶剂，以使808 nm和1 064 nm透过率最高。

    1.2液体折射率影响因素研究

    折射率是一个重要的物理参数，他反映了物质的光学基本性质。光从一种介质进入另一种介质时，一部分被反射，另一部分透射进入介质按折射方向继续前行。被反射的光强大小取决于2种介质的折射率，如果2种介质的折射率越接近，反射的光越少，也就是由于反射产生的光强损耗越少。

    对于浸入式液冷固体激光器，若冷却液体与窗口或增益介质的折射率不能匹配，则光每次通过界面时会由于反射而产生界面损耗，使透过的激光能量减小。浸入式液冷固体激光器一般采用多层冷却液体薄层对激光器进行换热，光多次震荡通过冷却液体，会产生多次界面损耗，所以冷却液体折射率与窗口和增益介质的匹配是影响激光能量损失大小的重要因素。

    浸入式液冷固体激光器（增益介质为Nd:YAG，石英窗口）激光震荡60次，通过冷却液体时的透过率（假设液体对激光无吸收）随液体折射率的变化曲线如图2所示。由图2可以看出，当液体折射率为1. 45~1.47或1.81~1.82时，透过率达到最大。对于液体，大部分折射率低于1. 45，所以选择折射率为1. 45～1. 47的液体进行研究。

    根据经典的电磁理论，折射率的Lorentz -Lorenz( LL)关系式为：

    式中，RLL为摩尔折射度；n为折射率；v为摩尔体积。

    由式(1)可见，分子体积越小，折射率越大；摩尔折射度越大，折射率越大。而摩尔折射度与介质极化率成正比。所以为了提高液体的折射率，优先选择具有较高极化率和较小分子体积的液体，或者可以通过在液体分子结构中引入具有较高的摩尔折射度和较小分子体积的基团（如硫、卤素等）。

    1.3液体热导率影响因素研究

    对于作为冷却介质的液体来说，热导率的大小直接影响到其导热能力，所以对液体热导率的研究对于冷却介质的选取具有非常重要的指导意义。

    根据之前的研究发现，在标准沸点，大多数有机溶剂的热导率都低于0. 17 W/( m- K)，但是水、氨和其他高极性分子的热导率值要大数倍。液体的热导率与分子结构之间也有一定的关系。分子小、分子间缔合作用强的溶液结构比较致密，导热能力好。相反，分子较大，分子间有较大位阻效应的溶液，不利于分子间缔合，导热能力会比较差一些。

    在分子设计阶段，可以通过一些经验公式来估算液体的热导率。纯液体热导率的所有估算方法都是根据经验得出的，一般都相当精确，比如简单实用的Latini关系式和Sastric关系式：  Latini关系式：

    式中，AL为液体的导热系数，W·m-1．K-1；Th为标准沸点( lbar)，K；Te为临界温度，K；M为摩尔质量，g.mol-l；Tr为T/Tc。  Sastric关系式：

    对于醇类和酚类，a=0. 856，6=1.23。对于其他化合物，a=0. 16，6=0.2。标准沸点下的导热系数λb可根据基团贡献值和修正求得。

    这2个公式都比较简单实用，误差在10 010以内，在分子设计阶段没有热导率数据的情况下可以用来估算液体的热导率。

    目前人们对有关液体热导率的机理和影响因素研究还不是很深，对液体热导率的深入研究以及将液体热导率理论和实验的相互验证是目前需要解决的问题，也是下一步的研究目标之一。

    1.4液体黏度的影响因素

    黏度是冷却液体的一个重要性质，直接影响液体的流动性和循环泵的性能，进而影响换热效果。在一般溶液中，当溶液的分子质量小，溶液的浓度低时，黏度也比较小。黏度随温度而变化，温度升高，液体的黏度变小，符合牛顿摩擦定律。但是在实际应用中，有些溶液黏度并不遵守牛顿摩擦定律，因此，总结了溶剂或溶液黏度有关的一些规律：

    (1)沸点低，蒸气压低，溶解能力强的溶剂一般生成低黏度的溶液；

    (2)添加溶解能力差的溶剂，其溶液的黏度增加；

    (3)具有不饱和结构的溶剂可生成低黏度溶液；

    (4)溶剂本身的分子质量大，黏度也大；

    (5)缔合程度高的溶液黏度大；

    (6)分子能发生凝聚作用的溶剂，一般黏度大；

    (7)温度上升，黏度减小。

    在分子设计时依据这些规律为指导，设计出黏度尽量低的冷却液体。

    2  冷却液体研究结果

    2.1冷却液体的研制

    主要通过以下3个步骤进行冷却液体的研制：

    步骤1：首先进行分子设计，设计的原则为：分子中不带含氢基团；分子体积和分子质量尽量小；极化度高；具有不饱和结构；分子中尽量含有摩尔折射度高的基团（如硫、卤素等）。

    步骤2：对设计出来的分子结构进行热导率的估算，估算的依据为Latini关系式和Sastric关系式。如果热导率估算值>0.05 W/( K-m)，则进行合成，反之重新设计分子结构。

    步骤3：对合成的样品进行光透过率测试、热导率测试、折射率测试和黏度测试。筛选出适于作浸入式液冷固体激光器冷却液体的样品。

    2.2冷却液体测试结果

    以上述理论研究和筛选方案为依据进行冷却液体的设计、合成和测试，性能较好的几种样品和美国冷却液体样品性能如表1所示。

    从表1中可以看出，这几种冷却液体的808nm和1064 nm光的透过率较高，黏度较小，热导率较高，总体性能比较好，与美国冷却液体样品相比不相上下，这说明以上的设计原则比较可靠。这几种样品的折射率并没有完全处于1. 45~1.47之间，而是有所偏离，可以通过混合的方法进行折射率的调配，通过调节混合比例使最终的样品折射率满足要求。这也是下一步计划研究的内容。

    3结论

    针对浸入式液冷固体激光器用冷却液体的性能进行了机理研究，设计并合成了几种性能比较好的冷却液体，这几种冷却液体性能与美国样品接近，甚至透过率超过美国。结果表明，这些规律对于冷却液体的制备具有显著的指导作用。对冷却液体制备规律的更深入研究和应用将有利于更高性能冷却液体的研制。

    4摘要：浸入式液冷固体激光器是一种新型二极管泵浦的固体激光器，由于其能够很好地解决固体激光器的热管理问题以及具有良好的定标放大性而倍受世界关注。这种新型激光器的核心是在固体激光器中引入折射率匹配的高通透冷却液体。研究了浸入式液冷固体激光器用冷却液体的各项性能，设计冷却液体的分子结构并进行合成，筛选出具有优势分子结构的样品，通过测试各项性能，得到几种性能较好的冷却液体样品，并希望通过进一步的研究，制备出各项性能更好的冷却液体。