一種高效率LD直接端面泵浦技術(shù)研究

萬(wàn)瑋華， 郝培育， 孟 軒， 沈兆國(guó)

(1.光電控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471000； 2.中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司洛陽(yáng)電光設(shè)備研究所，河南 洛陽(yáng) 471000)

0 引言

在激光器領(lǐng)域，二極管泵浦的主要方式有LD側(cè)面泵浦與LD端面泵浦兩種，相比于側(cè)面泵浦，LD端面泵浦具有效率高、模式匹配度好等特點(diǎn)，能獲得更高的光光轉(zhuǎn)化效率和良好的光束質(zhì)量，具有廣闊的研究空間，依據(jù)耦合方式的不同，LD端面泵浦又分為直接端面泵浦與光纖耦合泵浦兩種[1]。相比于直接耦合泵浦，光纖耦合的方式能獲得圓對(duì)稱(chēng)均勻分布的泵浦光，可以明顯改善泵浦光的光束質(zhì)量，使得泵浦光場(chǎng)與振蕩激光場(chǎng)在空間上能具有很好的模式匹配，易獲得較大的泵浦效率，但是，受光纖材料的限制，在機(jī)載的高低溫與振動(dòng)環(huán)境下，光纖的穩(wěn)定性不好，環(huán)境適用性不強(qiáng)，在工程應(yīng)用上仍然以直接耦合泵浦的方式居多，研究并設(shè)計(jì)良好的耦合聚焦系統(tǒng)，能將泵浦光更好地耦合至工作物質(zhì)內(nèi)，獲得較高的光光轉(zhuǎn)化效率，對(duì)實(shí)現(xiàn)高效率、高能量的LD端面泵浦激光輸出具有重要的研究意義。

為了實(shí)現(xiàn)良好的光束質(zhì)量，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，端泵技術(shù)研究多使用帶尾光纖輸出的LD陣列，使用光纖耦合并外加聚焦透鏡聚焦的方式進(jìn)行泵浦，與此相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道較多，主要有：文獻(xiàn)[2]利用四柱透鏡耦合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了光光轉(zhuǎn)化效率為5.6%的473 nm TEM00模式激光輸出；文獻(xiàn)[3]基于光纖耦合設(shè)計(jì)進(jìn)行了模式匹配的理論推導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)8 W的532 nm綠光激光輸出；文獻(xiàn)[4]同樣采用光纖耦合的方式，研究了自聚焦透鏡設(shè)計(jì)對(duì)泵浦耦合效率的影響等;但未見(jiàn)有關(guān)LD直接泵浦技術(shù)研究的報(bào)道。

無(wú)法適應(yīng)機(jī)載環(huán)境是光纖耦合泵浦的弊端之一，另外，光纖耦合的LD端泵模塊的峰值功率一般無(wú)法做大，目前只能達(dá)到百瓦量級(jí)，限制了端面泵浦激光器輸出的能量，本文針對(duì)一種國(guó)產(chǎn)均勻排布高峰值功率的20 Bar LD陣列，設(shè)計(jì)了兩種四棱柱鏡光學(xué)耦合系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)比兩種泵浦耦合系統(tǒng)的耦合效果，基于激光器設(shè)計(jì)構(gòu)型，獲得了實(shí)現(xiàn)高效率LD直接端面泵浦的設(shè)計(jì)方法。

1 基本理論

1.1 端泵效率理論

基于對(duì)空間相關(guān)的四能級(jí)速率方程的分析，運(yùn)用文獻(xiàn)[5-6]中的方法得到激光器閾值功率Pth、輸出功率Pout、激光器斜效率ηs分別為

(1)

(2)

(3)

從式(2)、式(3)可以看出，激光的輸出功率與斜效率正比于重疊效率因子，文獻(xiàn)[7-8]將泵浦光場(chǎng)r(x,y,z)看成是滿(mǎn)足高斯分布的圓對(duì)稱(chēng)型函數(shù)，對(duì)上述理論進(jìn)行了詳細(xì)的理論推導(dǎo)與仿真，其端面泵浦采用的耦合方式為光纖耦合，而LD端面采用直接泵浦耦合的方式，受到LD陣列光源與耦合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)限制，泵浦光場(chǎng)的分布函數(shù)并不規(guī)則，無(wú)法準(zhǔn)確地將該函數(shù)描述出來(lái)，對(duì)最佳耦合效率的問(wèn)題，僅能通過(guò)具體的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)采用的端面泵浦單元由國(guó)產(chǎn)的20 Bar二維LD陣列構(gòu)成，其峰值功率最大能達(dá)到2 kW，陣列橫向尺寸較大，設(shè)計(jì)了兩種四柱透鏡耦合系統(tǒng)，可分別對(duì)陣列橫向與縱向的發(fā)散角進(jìn)行壓縮，泵浦光經(jīng)兩種四柱透鏡耦合系統(tǒng)后能將泵浦光束聚焦至工作物質(zhì)內(nèi)的不同位置處，四柱透鏡耦合系統(tǒng)采用下列兩種思路進(jìn)行設(shè)計(jì)：1) 如圖1a所示，聚焦焦點(diǎn)處于工作物質(zhì)端面附近，工作物質(zhì)前端面面功率密度高，能在工作物質(zhì)前端獲得較大的粒子激發(fā)；2) 如圖1b所示，工作物質(zhì)端面的泵浦光束均勻，耦合焦點(diǎn)位于工作物質(zhì)內(nèi)，能較高效地將泵浦光束耦合至工作物質(zhì)內(nèi)。

當(dāng)泵浦光聚焦的焦點(diǎn)處于工作物質(zhì)不同位置時(shí)，泵浦光的光場(chǎng)分布各不相同，忽略仿真中的各類(lèi)雜散光，考慮在泵浦效率一定時(shí)，依據(jù)1.1節(jié)中的理論，泵浦光與振蕩光重疊效率因子的變化會(huì)影響激光輸出功率與泵浦耦合的效果。兩種泵浦結(jié)構(gòu)與焦點(diǎn)位置如圖1所示。

利用ZEMAX軟件進(jìn)行仿真，可得到泵浦光經(jīng)兩種光學(xué)耦合系統(tǒng)后，工作物質(zhì)端面處的光場(chǎng)強(qiáng)度分布，如圖2所示：焦點(diǎn)較近的光學(xué)耦合系統(tǒng)1，其端面的峰值功率較高，光斑較??；而焦點(diǎn)較遠(yuǎn)的光學(xué)耦合系統(tǒng)2，其工作物質(zhì)端面的泵浦光場(chǎng)分布均勻。

圖2 工作物質(zhì)端面的泵浦光分布Fig.2 The distribution of pumping light on the end surface of the working material

以上述兩種光學(xué)耦合系統(tǒng)為基礎(chǔ)，搭建簡(jiǎn)易的端面泵浦激光器，工作物質(zhì)選用單摻Nd：YAG晶體，摻雜濃度為1at%，在泵浦面鍍上808 nm增透膜與1064 nm的全反射膜(反射率能達(dá)到99.8%)，晶體的尺寸選為4 mm×4 mm×10 mm的長(zhǎng)方體，能與泵浦光場(chǎng)的光斑形狀相匹配。為使激光器容易起振，盡可能減少腔內(nèi)的損耗，選擇的半反射鏡的反射率為80%，激光器結(jié)構(gòu)光路如圖3所示。

圖3 激光器結(jié)構(gòu)光路圖Fig.3 The optical path of the laser

通過(guò)改變耦合系統(tǒng)出光面與工作物質(zhì)之間的相對(duì)距離，能使焦點(diǎn)聚焦在工作物質(zhì)內(nèi)不同的位置，進(jìn)而研究如何設(shè)計(jì)優(yōu)化可獲得最佳的泵浦耦合效果。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)光學(xué)耦合系統(tǒng)1，其泵浦端面光斑較小，焦點(diǎn)光斑大小為3 mm×0.5 mm，面功率密度較大，調(diào)整晶體Nd:YAG與光學(xué)耦合系統(tǒng)的相對(duì)位置，使焦點(diǎn)分別位于工作物質(zhì)端面的前方0 mm,1 mm,1.5 mm,2 mm,2.5 mm,3 mm,4 mm時(shí)，激光器輸出情況如圖4所示。

圖4 基于光學(xué)耦合系統(tǒng)1的激光器輸出情況

從圖4可知，光學(xué)耦合系統(tǒng)1焦點(diǎn)位置的改變對(duì)激光輸出的功率具有一定的影響，對(duì)此耦合系統(tǒng)，焦點(diǎn)位于工作物質(zhì)端面時(shí)能獲得較高的光光轉(zhuǎn)化效率，隨著工作物質(zhì)相對(duì)焦點(diǎn)位置的變化，激光的輸出功率、斜效率與光光轉(zhuǎn)化效率均隨之下降，焦點(diǎn)與工作物質(zhì)前端面的距離小于4 mm時(shí)，影響出光功率與斜效率的主要因素是泵浦光場(chǎng)的分布，即重疊因子對(duì)輸出功率的影響。當(dāng)焦點(diǎn)與工作物質(zhì)距離變遠(yuǎn)，泵浦光斑照射至工作物質(zhì)端面的面積變大，會(huì)導(dǎo)致部分光束無(wú)法成功耦合至工作物質(zhì)內(nèi)，此時(shí)出光效率由重疊因子與泵浦效率ηp共同決定。

針對(duì)遠(yuǎn)焦點(diǎn)光學(xué)耦合系統(tǒng)2，實(shí)驗(yàn)測(cè)量了工作物質(zhì)前端面與耦合系統(tǒng)出光面的距離分別為4.5 mm，6 mm，7 mm，8 mm，9 mm時(shí)的激光輸出情況，在上述各位置時(shí)，利用ZEMAX進(jìn)行光束追跡，可得泵浦光焦點(diǎn)與工作物質(zhì)前端面的相對(duì)距離分別為11 mm，9.3 mm，7.5 mm，5.5 mm，4.2 mm時(shí)的激光器的輸出情況，如圖5所示。

圖5 基于耦合系統(tǒng)2的激光器輸出情況Fig.5 The laser output based on the coupling system 2

從圖5可以看出，選取Nd:YAG工作物質(zhì)的長(zhǎng)度為10 mm，當(dāng)焦點(diǎn)距離工作物質(zhì)前端面11 mm時(shí)，聚焦在工作物質(zhì)外，獲得的輸出功率十分低，隨著焦點(diǎn)進(jìn)入工作物質(zhì)內(nèi)部并逐漸前移，激光輸出的功率與光光轉(zhuǎn)化效率呈先增大后減小的趨勢(shì)，實(shí)驗(yàn)中存在最佳的激光輸出位置，此時(shí)焦點(diǎn)距離前端面5.5 mm，泵浦焦點(diǎn)約處于工作物質(zhì)的1/2處，激光輸出功率與光光轉(zhuǎn)化效率皆能達(dá)到最大，泵浦光與振蕩光的模式匹配程度也最高，重疊因子最大。

對(duì)比兩種光學(xué)耦合系統(tǒng)可知，泵浦光的焦點(diǎn)聚焦至工作物質(zhì)外時(shí),對(duì)泵浦光的有效利用率較低，無(wú)法獲得更高的光光轉(zhuǎn)化效率；而將焦點(diǎn)會(huì)聚至工作物質(zhì)內(nèi)，焦點(diǎn)位置的不同，能影響泵浦光場(chǎng)的分布，進(jìn)而改變泵浦光場(chǎng)與振蕩光的重疊因子，存在一個(gè)最佳耦合位置，此時(shí)重疊因子能達(dá)到最大，激光器能獲得更高的光光轉(zhuǎn)化效率。在最佳位置處對(duì)激光器的輸出性能進(jìn)行后續(xù)測(cè)量，可得到如圖6所示的輸出特性關(guān)系。

圖6 最佳耦合位置處的激光輸出性能

選用光學(xué)耦合系統(tǒng)2，泵浦焦點(diǎn)位置距離工作物質(zhì)前端面5.5 mm，通過(guò)改變陣列的驅(qū)動(dòng)電流來(lái)改變陣列注入的能量，泵浦功率較小時(shí)，隨著陣列注入能量的提高，激光器輸出能量呈線(xiàn)性增長(zhǎng)，輸出的能量暫時(shí)未達(dá)到飽和，但是泵浦光-振蕩光的光光轉(zhuǎn)化效率卻隨著泵浦功率的增加逐步趨于飽和，基于上述構(gòu)型，LD直接耦合端面泵浦激光器最大能獲得40%的光光轉(zhuǎn)化效率。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比兩種不同的耦合光學(xué)系統(tǒng)，研究了最佳泵浦耦合效率問(wèn)題，耦合系統(tǒng)的焦點(diǎn)與工作物質(zhì)的相對(duì)位置會(huì)影響工作物質(zhì)對(duì)泵浦光的吸收效率，以及泵浦光場(chǎng)的空間分布，泵浦光場(chǎng)與激光振蕩光場(chǎng)分布重疊區(qū)域越大，泵浦效率越高?；诖硕嗣姹闷謽?gòu)型，由實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可得，將泵浦光的焦點(diǎn)聚焦至4 mm×4 mm×10 mm工作物質(zhì)的前端面5.5 mm處，能獲得最佳的泵浦效果，在上述最佳狀態(tài)下，激光器靜態(tài)調(diào)試的光光轉(zhuǎn)化效率最大能達(dá)到40%，激光動(dòng)態(tài)輸出的能量由光光轉(zhuǎn)化效率和動(dòng)靜比兩者共同決定，此高效率的LD直接端面泵浦系統(tǒng)能應(yīng)用于對(duì)后續(xù)高能量端泵激光器的設(shè)計(jì)，對(duì)后續(xù)實(shí)現(xiàn)機(jī)載環(huán)境下的LD端泵激光器具有重要的指導(dǎo)意義，并且此LD直接端面泵浦耦合系統(tǒng)的研究思路與方法對(duì)于后續(xù)光學(xué)耦合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。