二極管疊陣側(cè)面折返泵浦多邊形薄片激光器*

陳巧 邱基斯 張旭 葛文琦 劉悅亮 劉昊 王昊成

1) (中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院, 北京 100094)

2) (中國(guó)科學(xué)院大學(xué)光電學(xué)院, 北京 100049)

3) (中國(guó)科學(xué)院物理研究所, 北京 100190)

4) (中國(guó)科學(xué)院大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院, 北京 100049)

本文報(bào)導(dǎo)了一種二極管疊陣側(cè)面折返泵浦的多邊形薄片Nd:YAG激光器, 通過(guò)對(duì)其增益特性和光學(xué)特性的優(yōu)化, 得到了泵浦光耦合效率為97%, 增益介質(zhì)吸收效率達(dá)87%, 增益介質(zhì)內(nèi)泵浦吸收分布均勻性為3.21% (root mean square, RMS)的結(jié)果.實(shí)驗(yàn)測(cè)得與模擬數(shù)據(jù)吻合較好的增益介質(zhì)熒光分布.在泵浦能量為2.2 J時(shí), 獲得了能量0.85 J的激光輸出, 光-光效率達(dá)38.8%, 斜效率為40.1%.在1 Hz～100 Hz的頻率范圍內(nèi)輸出能量保持穩(wěn)定，在重復(fù)頻率1 Hz時(shí)測(cè)得單脈沖能量穩(wěn)定性為2.7%(RMS), 在穩(wěn)腔下測(cè)得激光衍射極限倍數(shù)β約為10.

1 引 言

高平均功率全固態(tài)激光器是當(dāng)前國(guó)際激光技術(shù)領(lǐng)域的主要研究方向之一, 在空間探測(cè)、國(guó)防、精密加工等領(lǐng)域有重大應(yīng)用[1].高平均功率固體激光器中的熱效應(yīng)問(wèn)題主要是由增益介質(zhì)泵浦過(guò)程引起的[2].傳統(tǒng)棒狀、板條結(jié)構(gòu)固體激光器的熱管理性能較差, 導(dǎo)致熱沉積, 進(jìn)而產(chǎn)生熱透鏡效應(yīng)、熱致雙折射和熱應(yīng)力損傷, 這些熱效應(yīng)造成了激光的波前畸變, 影響了激光的光束質(zhì)量, 限制了激光功率的進(jìn)一步提升[3,4].1994年, 德國(guó)航空航天研究院技術(shù)物理所的研究人員Giesen等[5]提出薄片激光器概念, 薄片作為一種大口徑/厚度比的增益介質(zhì)構(gòu)型, 能夠減小高泵浦功率產(chǎn)生的熱沉積, 大大減弱溫度梯度帶來(lái)的波前畸變, 實(shí)現(xiàn)較好的激光光束質(zhì)量[6,7].

2004年德國(guó)Trumpf-Laser公司[8]采用多通耦合結(jié)構(gòu)泵浦單個(gè)Yb:YAG薄片, 獲得5.3 kW的連續(xù)激光輸出, 光-光效率達(dá)到65%.2009年美國(guó)Boeing公司[9]報(bào)道了10個(gè)Yb:YAG薄片串接的激光器, 實(shí)現(xiàn)了超過(guò)25 kW的連續(xù)輸出, 斜效率接近70%, 這是有報(bào)道的最大功率的薄片激光器.2013年, 清華大學(xué)柳強(qiáng)教授課題組10]研制了大口徑(50 mm × 30 mm × 5 mm) Nd:YAG薄片激光器, 該薄片激光器采用端面泵浦的方式, 實(shí)現(xiàn)峰值功率為1346 W的激光輸出, 激光的近場(chǎng)均勻.2016年, 德國(guó)Stuttgart大學(xué)報(bào)道了采用端面多通泵浦薄片介質(zhì)的方式, 在泵浦功率為1.7 kW時(shí),得到了635 W的激光輸出, 單脈沖能量為2.1 mJ,光束質(zhì)量 M2為2.3[11].2017年中國(guó)工程物理研究院[12]報(bào)道了大口徑( ? 60 mm × 2 mm)高質(zhì)量Nd:YAG透明陶瓷薄片激光器, 激光器在重頻500 Hz時(shí)最大輸出功率為2052 W.

從以上國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀可以看出, 增益介質(zhì)選用薄片結(jié)構(gòu)是減小熱效應(yīng)、提高光束質(zhì)量的有效途徑之一.國(guó)外薄片激光器的增益介質(zhì)材料多采用Yb:YAG, 因其具有高量子效率和低熱效應(yīng)的優(yōu)勢(shì).但Yb:YAG晶體閾值高、增益小、自吸收效應(yīng)嚴(yán)重, 為保證泵浦光被薄片介質(zhì)完全吸收, 通常需要采用非常復(fù)雜的多通耦合結(jié)構(gòu)或鍵合結(jié)構(gòu)來(lái)增加泵浦吸收路徑[13].本文采用Nd:YAG薄片作為激光增益介質(zhì), 通過(guò)側(cè)面折返泵浦的方式降低泵浦耦合結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)復(fù)雜度[14].

薄片激光器常見(jiàn)的泵浦方式為端面泵浦和側(cè)面泵浦兩種[15], 與端面泵浦方式相比, 側(cè)面泵浦方式為泵浦光提供了一個(gè)較長(zhǎng)的吸收路徑[16], 可降低晶體的摻雜濃度, 在一定程度上可解決大吸收截面晶體自淬滅效應(yīng)的影響.日本Dascalu等人人[17]、清華大學(xué)柳強(qiáng)課題組[18,19]、伊斯蘭自由大學(xué)[20]等報(bào)道了側(cè)面邊緣泵浦復(fù)合薄片結(jié)構(gòu)的激光器,摻雜的Yb:YAG晶體與未摻雜的YAG晶體鍵合,泵浦光從薄片邊緣進(jìn)入晶體, 泵浦面被切成一定角度, 泵浦光在晶體中沿折返光路傳輸, 多次經(jīng)過(guò)增益介質(zhì), 儲(chǔ)能呈近似高斯分布.Grigore等[21]研制的Nd:YAG/YAG復(fù)合介質(zhì)薄片激光器采用平凹鏡構(gòu)型, 在2 Hz重復(fù)頻率下的斜效率為31%.

本文報(bào)道了采用激光二極管疊陣(laser diode array, LDA)側(cè)面泵浦一定厚度的非鍵合薄片Nd:YAG所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.我們?cè)诜治霰闷止庠谠鲆娼橘|(zhì)中的分布和吸收情況及測(cè)量多邊形Nd:YAG薄片增益介質(zhì)熒光分布的基礎(chǔ)上, 實(shí)現(xiàn)了薄片激光器的準(zhǔn)連續(xù)輸出, 斜效率為40.1%, 激光脈沖的能量穩(wěn)定性為2.7%(RMS), 輸出光束衍射極限倍數(shù) β約為10.

2 側(cè)面折返泵浦多邊形薄片泵浦吸收均勻性模擬分析

2.1 激光器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

我們?cè)O(shè)計(jì)采用的LDA側(cè)面折返泵浦多邊形薄片激光器的結(jié)構(gòu)如圖1所示, 增益介質(zhì)為正五邊形Nd:YAG薄片晶體.為方便觀察, 下方主圖部分僅給出一個(gè)方向的泵浦耦合結(jié)構(gòu), 圖1(a)為五邊旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)泵浦結(jié)構(gòu)俯視圖.多邊形Nd:YAG晶體的側(cè)面為泵浦光入射面, 呈梯形, 與端面成45°.泵浦光正入射晶體側(cè)面, 如圖1(b)所示.晶體前端面為激光輸出面, 鍍激光波長(zhǎng)的增透膜.晶體后端面與散熱結(jié)構(gòu)相連, 鍍激光波長(zhǎng)高反膜.

圖1 側(cè)面泵浦多邊形薄片激光器結(jié)構(gòu)示意圖 (a)結(jié)構(gòu)俯視圖; (b)局部放大圖Fig.1.Schematic diagram of side-pumped polygonal thindisk laser structure: (a) Top view of the structure; (b) partial enlarged view.

單個(gè)LDA包含6個(gè)巴條, 單個(gè)巴條上有23個(gè)發(fā)光點(diǎn), 單條激光二極管快軸發(fā)散角大, 需要采用快軸準(zhǔn)直器(fast axis collimator, FAC)將發(fā)散角壓縮至近平行, 準(zhǔn)直后的快軸發(fā)散角 ≤ 0.5°.泵浦源發(fā)光面積較大約為10 mm × 10 mm, 需要通過(guò)縮束耦合結(jié)構(gòu)將其壓縮至與多邊形薄片側(cè)面(入射面)尺寸匹配.通過(guò)計(jì)算追跡光線, 泵浦光經(jīng)耦合結(jié)構(gòu)到達(dá)泵浦面時(shí)的光斑尺寸約為12.6 mm ×1.6 mm, 傳輸效率約為97.5%, 實(shí)際測(cè)量得到的傳輸耦合效率為97%.

2.2 增益介質(zhì)內(nèi)泵浦光吸收分布特性

儲(chǔ)能的平頂分布, 可以降低激光對(duì)薄片介質(zhì)的損傷幾率, 意味著激光輸出的功率可以大幅提高.同時(shí), 薄片增益介質(zhì)的泵浦光吸收分布直接影響到介質(zhì)內(nèi)部的熱分布, 因此均勻的泵浦光吸收分布可以有效減小薄片增益介質(zhì)溫度梯度, 從而降低晶體熱效應(yīng), 提高激光光束質(zhì)量.

泵浦光通過(guò)縮束耦合結(jié)構(gòu)由晶體側(cè)面入射, 在介質(zhì)內(nèi)部符合全內(nèi)反射條件, 以折返光路傳輸, 在傳輸過(guò)程中泵浦光被Nd:YAG介質(zhì)吸收.以折返方式傳輸?shù)谋闷止庠谠鲆娼橘|(zhì)厚度方向交疊, 從而保證厚度方向上均勻的吸收.多個(gè)方向入射的泵浦光在介質(zhì)中心區(qū)域交疊, 這種泵浦方式能夠有效地提高增益介質(zhì)內(nèi)泵浦光吸收分布的均勻性.側(cè)面切角的非對(duì)稱(chēng)泵浦五邊形構(gòu)型有助于降低薄片晶體內(nèi)寄生振蕩.

增益介質(zhì)內(nèi)泵浦光的吸收可由(1)式表示

其中, α 為介質(zhì)對(duì)特定波長(zhǎng)的吸收系數(shù), l 為泵浦光在介質(zhì)內(nèi)部傳輸?shù)墓獬? I0為入射光強(qiáng), I 為傳輸 l距離后光強(qiáng).

單個(gè)LDA的平均輸出功率為P0, 泵浦總功率Ptotal=5P0.增益介質(zhì)內(nèi)各點(diǎn)吸收的泵浦光強(qiáng)度分布用矩陣 [ Ixy] 表示.增益介質(zhì)吸收泵浦總功率為Pabs. [ Ixy] 、 Pabs可表示為:

5個(gè)方向入射的泵浦光在薄片內(nèi)被吸收, 定義五邊形結(jié)構(gòu)前端面內(nèi)切圓范圍內(nèi)吸收的泵浦光功率為有效泵浦功率, 表示為 Pa-eff.其中五邊形晶體前端面內(nèi)切圓 ? 的半徑為 R , 則有效泵浦功率可表示為:

有效泵浦效率 ηa-eff為有效泵浦功率占泵浦總功率的比值

泵浦均勻性定義為內(nèi)切圓區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)被吸收泵浦光強(qiáng)的均方根RMS值[10]

五邊形Nd:YAG薄片增益介質(zhì)的內(nèi)切圓直徑為16 mm, 厚度1.5 mm, 摻雜濃度0.3%(原子分?jǐn)?shù)), 基于Zemax光學(xué)設(shè)計(jì)軟件建模計(jì)算得出泵浦光在增益介質(zhì)內(nèi)分布, 如圖2所示.有效泵浦效率ηa-eff=65.1% , 均勻性RMS為3.12%, 這說(shuō)明泵浦光強(qiáng)度是均勻分布的.

圖2 晶體內(nèi)被吸收的泵浦光強(qiáng)的二維和三維分布Fig.2.2-D and 3-D distributions of the absorbed pump laser in the crystal.

2.3 增益介質(zhì)熒光分布

五邊形Nd:YAG薄片增益介質(zhì)的熒光分布如圖3所示, 可見(jiàn)多邊形增益介質(zhì)內(nèi)泵浦光分布均勻, 與仿真結(jié)果吻合.

圖3 增益介質(zhì)內(nèi)熒光分布Fig.3.Fluorescence distribution in disk.

從圖3可以看出增益介質(zhì)中心區(qū)域(內(nèi)接圓R = 16 mm范圍內(nèi))熒光分布呈近平頂分布, 這表明側(cè)面折返泵浦多邊形薄片晶體可以實(shí)現(xiàn)增益介質(zhì)內(nèi)儲(chǔ)能的平頂分布.儲(chǔ)能的平頂分布, 降低了激光對(duì)薄片介質(zhì)的損傷幾率, 同時(shí)也意味著可以有效降低增益介質(zhì)熱效應(yīng), 激光輸出功率可以大幅增高.

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及測(cè)量結(jié)果

薄片激光器實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示, 5個(gè)LDA均勻分布在五邊形增益介質(zhì)周?chē)? 增益介質(zhì)前后端面分別鍍有1064 nm增透膜和1064 nm高反膜.增益介質(zhì)后端面經(jīng)金屬化后通過(guò)銦焊接在微通道水冷的熱沉組件上.二極管疊陣熱沉和增益介質(zhì)熱沉分別通過(guò)冷卻循環(huán)水機(jī)控制溫度.

圖4 薄片激光器實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.4.Experiment setup of thin disk laser.

實(shí)驗(yàn)中薄片激光器采用平凹腔, 薄片晶體后端面作為平面反射腔鏡, 激光輸出耦合鏡為凹面鏡,曲率半徑為1.5 m.二極管疊陣工作頻率100 Hz,脈寬250 μs, 圖5給出了不同輸出耦合鏡透射率下, 輸出能量隨泵浦能量的變化趨勢(shì).在相同泵浦能量下, 隨著輸出鏡透射率的增加, 激光振蕩閾值增加, 輸出能量下降.在輸出鏡透射率不變的情況下, 隨著泵浦能量增加, 激光輸出能量增加.在輸出耦合鏡透射率T = 3%時(shí), 當(dāng)泵浦能量達(dá)到2.2 J,最大輸出能量為0.85 J, 此時(shí)斜效率為40.1%.當(dāng)前輸出條件下輸出能量曲線沒(méi)有明顯飽和趨勢(shì), 還可進(jìn)一步增加二極管激光器疊陣數(shù)量, 提高介質(zhì)儲(chǔ)能.這也證明了泵浦光的均勻分布可以有效降低增益介質(zhì)熱效應(yīng), 在較高的泵浦能量下仍能保持很高的光-光效率.通過(guò)CCD得到的激光束的強(qiáng)度分布如圖6所示, 呈均勻的近平頂分布, 在穩(wěn)腔下測(cè)得激光衍射極限倍數(shù) β 約為10.

圖5 不同輸出耦合鏡透射率下輸出能量隨泵浦能量的變化關(guān)系Fig.5.Output energy vs pump energy under different transmittance of output coupling mirror.

圖6 激光器輸出光斑Fig.6.Output laser beam.

圖7 給出了脈沖重復(fù)頻率對(duì)輸出的影響, 當(dāng)注入泵浦單脈沖能量為2.2 J, 重復(fù)頻率為1 Hz時(shí),輸出能量為0.89 J, 輸出能量在重復(fù)頻率為100 Hz時(shí)輸出能量略有下降, 降為0.85 J, 這是因?yàn)樵诟咧貜?fù)頻率下由于晶體底部熱沉的冷卻能力有限, 晶體內(nèi)產(chǎn)生的熱效應(yīng)導(dǎo)致穩(wěn)定腔偏離穩(wěn)定區(qū)域, 從而導(dǎo)致激光輸出功率的下降.

圖7 不同脈沖重復(fù)頻率下薄片激光器輸出能量Fig.7.Output energy of thin disk laser under different pulse repetition rates.

在重復(fù)頻率為1 Hz, 泵浦能量為2.2 J時(shí), 激光器輸出能量測(cè)試結(jié)果如圖8所示, 輸出能量穩(wěn)定性為2.7%(RMS).實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明Nd:YAG薄片激光器具有良好的能量穩(wěn)定性.

4 結(jié) 論

本文對(duì)二極管疊陣側(cè)面折返泵浦多邊形Nd:YAG薄片激光器進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究.在保證儲(chǔ)能均勻分布的條件下, 研制了前端面內(nèi)切圓半徑16 mm的多邊形薄片激光器.在100 Hz重復(fù)頻率下, 當(dāng)泵浦能量為2.2 J時(shí), 獲得0.85 J的激光輸出, 光-光效率達(dá)38.8%, 斜效率為40.1%, 在1 Hz～100 Hz頻率范圍內(nèi)輸出能量保持穩(wěn)定，在重復(fù)頻率1 Hz條件下測(cè)得單脈沖能量穩(wěn)定性為2.7%(RMS).穩(wěn)定，在重復(fù)頻率1 Hz在穩(wěn)腔下測(cè)得激光衍射極限倍數(shù)β約為10.