端面泵浦Yb∶YAG表層摻雜陶瓷板條激光器

陳一豪,梁興波,陳念江,李 寧,賈佑權

(固體激光技術重點實驗室,北京 100015)

1 引 言

激光技術在醫學治療、精密增材制造、高能物理研究中均有廣泛應用,其中固體激光器由于其高功率、高光束質量、體積小、易集成等優點,是該領域中的研究熱點。其中,為了獲取高性能、高光束質量的激光器,對于激光增益材料也提出了更高的要求。晶體和玻璃作為傳統增益介質已無法滿足現階段的需求,透明激光陶瓷的出現為固體激光的提升具有更優異的特性:制作周期短、可摻雜濃度高、可滿足復雜構型及大尺寸制備,因而近年來作為高功率固體激光增益材料被國內外廣泛關注、研究[1-5]。

在20世紀80年代,由于Nd∶YAG晶體在激光領域的優良表現,科學家開始聚焦于Nd∶YAG陶瓷的研究[6-8]。而Yb∶YAG由于其優良的激光特性,也是激光陶瓷研究領域的一大熱點。1995年,Ikesue等[9]利用摻雜濃度為1.1 at %的Nd∶YAG陶瓷首次實現了波長為1064 nm的激光輸出,抽運閾值為309 mW,其斜率效率為28 %。2003年,Takaichi等[10]首次實現了Yb∶YAG陶瓷的連續激光輸出,最高輸出功率為345 mW,斜率效率為28 %。隨著研究進展,以及制作工藝的提升,為了獲取更高輸出功率、更高光束質量的激光輸出,提出了多種的激光陶瓷構型。2008年,Li等[11]利用多層復合Nd∶YAG陶瓷實現了8 mW連續激光輸出。經過Liu等[12]的優化,最終基于復合棒狀Nd∶YAG陶瓷實現了20.3 W的連續激光輸出,斜率效率為10.1 %。2011年,Furuse等[13]基于Zig-Zag光路提出一種新型復合Yb∶YAG陶瓷板條激光器,通過液氮進行散熱,實現了214W的連續輸出,其斜率效率為63 %。2016年Liu等[14]實現了基于平面波導型Nd∶YAG陶瓷的高重頻脈沖激光輸出,峰值功率為1308W。而在2019年,Jiang等[15]利用高質量、10at %摻雜的Yb∶YAG平面波導陶瓷板條,實現了1030 nm高功率連續激光輸出,最高功率為1.25 kW,同時斜率效率達到30 %。為了進一步提高板條儲能性能,2017年Li等[16-17]提出了雙濃度摻雜Nd∶YAG復合陶瓷板條,最終實現了7.08 kW的連續激光輸出,光光轉換效率為39.2 %。

為進一步開發陶瓷板條的性能,本文基于唐曉軍等[18-19]的研究,提出了一種表層摻雜Yb∶YAG陶瓷板條激光器。表層摻雜陶瓷板條不僅具有表層摻雜的結構特性,且由于陶瓷真空燒結特性不存在明顯界面,解決了大面鍵合所帶來的界面問題。基于板條激光諧振腔結構,研究了其輸出性能。在2 Hz低重頻、1 ms脈寬、10 J的單脈沖能量抽運下,獲得了3.035 J的1030 nm激光輸出,光光轉換效率為30.4 %,最高斜率效率為42.0 %。

2 表層摻雜陶瓷板條理論模型

在這一節中,我們首先根據激光動力學理論,對Yb∶YAG表層摻雜陶瓷板條激光器的輸出特性進行了分析[20-22],表層摻雜陶瓷的基本構型如圖1所示,其中摻雜區域長度為L,板條整體厚度為W。并且與Yb∶YAG晶體板條進行了對比,分析其與晶體性能的差異。在940 nm抽運下的Yb∶YAG 的諧振腔激光輸出功率可以表示為[23-24]:

圖1 表層摻雜陶瓷板條構型

Pout=ηslope(ηabsPp-Pth)

(1)

其中,PP為抽運光功率;ηslope為斜率效率；Pth為抽運閾值功率；ηabs為抽運光吸收效率,在設計時對于Yb∶YAG一般采用95 %；Pout為激光輸出功率。

斜率效率ηslope可以表示為:

(2)

其中,ηmode為模式交疊效率;νL，νP分別為激光與抽運光頻率;ROC表示輸出鏡反射率;δ表示激光單程損耗,在本文計算中陶瓷板條采用12 %,晶體為3 %。抽運閾值Pth可以表示為:

(3)

其中,h為普朗克常量;τ為熒光壽命;S為摻雜區截面積;L為摻雜區長度；nU為上能級粒子數密度,可以表示為:

(4)

對于激光輸出所需的最低抽運功率,抽運閾值Pth與ROC的關系則如圖2所示。從圖中可以看出,隨著ROC的增加抽運閾值Pth呈減小趨勢,但陶瓷板條的抽運閾值整體高于晶體板條。這是由于陶瓷板條的單程損耗高于晶體(主要來自于散射損耗),因而需要更高的抽運光才能形成激光振蕩。

圖2 不同輸出鏡反射率下兩種波長激光實現振蕩的抽運閾值

3 實驗設置

1030 nm Yb∶YAG諧振腔激光輸出實驗裝置如圖3所示。兩端鍵合未摻雜YAG晶體的Yb∶YAG復合激光板條作為增益介質。表層摻雜板條的總尺寸為67 mm×11 mm×1.7 mm(長×寬×厚),其中兩邊Yb摻雜區域尺寸均為為50 mm×11 mm×0.3 mm(長×寬×厚),摻雜濃度為1.2 at. %。板條端頭采用45°切割,并且在端面鍍有940 nm和1030 nm增透膜(Anti-reflection Coating)。板條的側邊進行了包邊和磨毛處理,用以抑制ASE和寄生振蕩。板條的兩個大面(Total Internal Reflection，TIR)通過銦層焊接到微通道冷卻熱沉上進行水冷散熱,并且在大面上鍍膜,以保證抽運光和振蕩激光在大面處的全反射,并抑制倏逝波的生成。

圖3 Yb∶YAG陶瓷板條激光器示意圖

板條通過兩只LD進行端面抽運,抽運波長為940 nm,實驗時的抽運總能量達到10 J。抽運光通過包含兩個慢軸柱透鏡和一個快軸柱透鏡的抽運耦合系統,將勻化后的抽運光聚焦、傳遞到板條端面。整個諧振腔采用4f腔結構,由腔鏡HR與OC構成,其中HR為平凹反射鏡,曲率R=2000 mm,反射面鍍有1030 nm高反膜,OC為平面輸出鏡；f1和f2為凸透鏡,焦距均為f=300 mm,f1和f2共同構成熱不靈敏的4f腔,用于降低陶瓷板條的熱效應。M為雙色鏡,用以將激光與抽運光區分開,將激光從光路中導出。

4 結果及分析

根據理論模型,首先計算了輸出功率隨輸出鏡反射率變化的曲線,結果如圖4所示。圖4中為在1.8 kW的抽運功率下,Yb∶YAG表層摻雜陶瓷和晶體板條的激光輸出功率曲線。可以看出,對于諧振腔激光輸出,輸出功率隨著輸出鏡反射率ROC均呈現先增長后下降的趨勢。其中陶瓷板條激光器,在輸出鏡反射率ROC為20 %到40 %左右之間時,隨著輸出鏡反射率ROC的增加,激光輸出也隨著增長,在80 %達到最大值0.67 kW。而對于晶體板條來說,最大值在輸出鏡反射率ROC為70 %左右時達到,且為0.88 kW,高于陶瓷板條的最高輸出。

圖4 抽運功率1.8 kW時輸出功率隨輸出鏡反射率變化曲線

根據計算結果,實驗中采用了不同透過率的輸出耦合鏡進行激光輸出,本文中選取20 %、25 %、30 %、35 %、50 %、55 %、60 %,6種透過率的輸出鏡進行試驗。不同透過率的激光輸出與抽運能量的關系如圖5所示。從圖中可以看出,在相同的抽運能量下,輸出鏡透過率T=55 %時激光輸出能量最高,與之前理論分析結果相吻合。

圖5 激光輸出功率與抽運功率的關系

圖6顯示在T=55 %時,激光器輸出能量以及光光轉換效率關于抽運能量的函數曲線。隨著抽運能量的增強,激光輸出幾乎為線性增長。在2 Hz的低重復頻率、1 ms的脈寬的抽運條件下,抽運能量達到10 J時,單脈沖激光輸出能量為3.035 J,最大斜率效率為42.0 %,光光轉換效率為30.4 %。而且還能發現,激光輸出曲線呈現良好的線性趨勢,并未有明顯飽和現象,可以通過提高抽運能量來獲取更高的激光輸出。

圖6 Yb∶YAG陶瓷輸出能量及光光轉換效率曲線

5 結 論

理論上分析了表層摻雜Yb∶YAG陶瓷板條的激光輸出能力。實驗中,采用表層摻雜構型的Yb∶YAG陶瓷板條激光器,獲得了3.035 J的1030 nm激光輸出,光光轉換效率為30.4 %,最高斜率效率為42.0 %。驗證了該種構型激光陶瓷的激光輸出可能性,且具有較高水平,可以基于該種基本構型設計更復雜的表層摻雜陶瓷。未來為了實現更高能量的激光輸出,需要對高透過率、低損耗激光陶瓷技術和高效冷卻技術等領域進行進一步的研究。