二極管疊陣側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) (中國科學院空天信息創新研究院, 北京 100094)

2) (中國科學院大學光電學院, 北京 100049)

3) (中國科學院物理研究所, 北京 100190)

4) (中國科學院大學物理科學學院, 北京 100049)

本文報導了一種二極管疊陣側面折返泵浦的多邊形薄片Nd:YAG激光器, 通過對其增益特性和光學特性的優化, 得到了泵浦光耦合效率為97%, 增益介質吸收效率達87%, 增益介質內泵浦吸收分布均勻性為3.21% (root mean square, RMS)的結果.實驗測得與模擬數據吻合較好的增益介質熒光分布.在泵浦能量為2.2 J時, 獲得了能量0.85 J的激光輸出, 光-光效率達38.8%, 斜效率為40.1%.在1 Hz～100 Hz的頻率范圍內輸出能量保持穩定，在重復頻率1 Hz時測得單脈沖能量穩定性為2.7%(RMS), 在穩腔下測得激光衍射極限倍數β約為10.

1 引 言

高平均功率全固態激光器是當前國際激光技術領域的主要研究方向之一, 在空間探測、國防、精密加工等領域有重大應用[1].高平均功率固體激光器中的熱效應問題主要是由增益介質泵浦過程引起的[2].傳統棒狀、板條結構固體激光器的熱管理性能較差, 導致熱沉積, 進而產生熱透鏡效應、熱致雙折射和熱應力損傷, 這些熱效應造成了激光的波前畸變, 影響了激光的光束質量, 限制了激光功率的進一步提升[3,4].1994年, 德國航空航天研究院技術物理所的研究人員Giesen等[5]提出薄片激光器概念, 薄片作為一種大口徑/厚度比的增益介質構型, 能夠減小高泵浦功率產生的熱沉積, 大大減弱溫度梯度帶來的波前畸變, 實現較好的激光光束質量[6,7].

2004年德國Trumpf-Laser公司[8]采用多通耦合結構泵浦單個Yb:YAG薄片, 獲得5.3 kW的連續激光輸出, 光-光效率達到65%.2009年美國Boeing公司[9]報道了10個Yb:YAG薄片串接的激光器, 實現了超過25 kW的連續輸出, 斜效率接近70%, 這是有報道的最大功率的薄片激光器.2013年, 清華大學柳強教授課題組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, 實現峰值功率為1346 W的激光輸出, 激光的近場均勻.2016年, 德國Stuttgart大學報道了采用端面多通泵浦薄片介質的方式, 在泵浦功率為1.7 kW時,得到了635 W的激光輸出, 單脈沖能量為2.1 mJ,光束質量 M2為2.3[11].2017年中國工程物理研究院[12]報道了大口徑( ? 60 mm × 2 mm)高質量Nd:YAG透明陶瓷薄片激光器, 激光器在重頻500 Hz時最大輸出功率為2052 W.

從以上國內外研究現狀可以看出, 增益介質選用薄片結構是減小熱效應、提高光束質量的有效途徑之一.國外薄片激光器的增益介質材料多采用Yb:YAG, 因其具有高量子效率和低熱效應的優勢.但Yb:YAG晶體閾值高、增益小、自吸收效應嚴重, 為保證泵浦光被薄片介質完全吸收, 通常需要采用非常復雜的多通耦合結構或鍵合結構來增加泵浦吸收路徑[13].本文采用Nd:YAG薄片作為激光增益介質, 通過側面折返泵浦的方式降低泵浦耦合結構的系統復雜度[14].

薄片激光器常見的泵浦方式為端面泵浦和側面泵浦兩種[15], 與端面泵浦方式相比, 側面泵浦方式為泵浦光提供了一個較長的吸收路徑[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的影響.日本Dascalu等人人[17]、清華大學柳強課題組[18,19]、伊斯蘭自由大學[20]等報道了側面邊緣泵浦復合薄片結構的激光器,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, 多次經過增益介質, 儲能呈近似高斯分布.Grigore等[21]研制的Nd:YAG/YAG復合介質薄片激光器采用平凹鏡構型, 在2 Hz重復頻率下的斜效率為31%.

本文報道了采用激光二極管疊陣(laser diode array, LDA)側面泵浦一定厚度的非鍵合薄片Nd:YAG所得到的實驗結果.我們在分析泵浦光在增益介質中的分布和吸收情況及測量多邊形Nd:YAG薄片增益介質熒光分布的基礎上, 實現了薄片激光器的準連續輸出, 斜效率為40.1%, 激光脈沖的能量穩定性為2.7%(RMS), 輸出光束衍射極限倍數 β約為10.

2 側面折返泵浦多邊形薄片泵浦吸收均勻性模擬分析

2.1 激光器系統結構

我們設計采用的LDA側面折返泵浦多邊形薄片激光器的結構如圖1所示, 增益介質為正五邊形Nd:YAG薄片晶體.為方便觀察, 下方主圖部分僅給出一個方向的泵浦耦合結構, 圖1(a)為五邊旋轉對稱泵浦結構俯視圖.多邊形Nd:YAG晶體的側面為泵浦光入射面, 呈梯形, 與端面成45°.泵浦光正入射晶體側面, 如圖1(b)所示.晶體前端面為激光輸出面, 鍍激光波長的增透膜.晶體后端面與散熱結構相連, 鍍激光波長高反膜.

圖1 側面泵浦多邊形薄片激光器結構示意圖 (a)結構俯視圖; (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LDA包含6個巴條, 單個巴條上有23個發光點, 單條激光二極管快軸發散角大, 需要采用快軸準直器(fast axis collimator, FAC)將發散角壓縮至近平行, 準直后的快軸發散角 ≤ 0.5°.泵浦源發光面積較大約為10 mm × 10 mm, 需要通過縮束耦合結構將其壓縮至與多邊形薄片側面(入射面)尺寸匹配.通過計算追跡光線, 泵浦光經耦合結構到達泵浦面時的光斑尺寸約為12.6 mm ×1.6 mm, 傳輸效率約為97.5%, 實際測量得到的傳輸耦合效率為97%.

2.2 增益介質內泵浦光吸收分布特性

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

泵浦光通過縮束耦合結構由晶體側面入射, 在介質內部符合全內反射條件, 以折返光路傳輸, 在傳輸過程中泵浦光被Nd:YAG介質吸收.以折返方式傳輸的泵浦光在增益介質厚度方向交疊, 從而保證厚度方向上均勻的吸收.多個方向入射的泵浦光在介質中心區域交疊, 這種泵浦方式能夠有效地提高增益介質內泵浦光吸收分布的均勻性.側面切角的非對稱泵浦五邊形構型有助于降低薄片晶體內寄生振蕩.

增益介質內泵浦光的吸收可由(1)式表示

其中, α 為介質對特定波長的吸收系數, l 為泵浦光在介質內部傳輸的光程, I0為入射光強, I 為傳輸 l距離后光強.

單個LDA的平均輸出功率為P0, 泵浦總功率Ptotal=5P0.增益介質內各點吸收的泵浦光強度分布用矩陣 [ Ixy] 表示.增益介質吸收泵浦總功率為Pabs. [ Ixy] 、 Pabs可表示為:

5個方向入射的泵浦光在薄片內被吸收, 定義五邊形結構前端面內切圓范圍內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切圓區域內各點被吸收泵浦光強的均方根RMS值[10]

五邊形Nd:YAG薄片增益介質的內切圓直徑為16 mm, 厚度1.5 mm, 摻雜濃度0.3%(原子分數), 基于Zemax光學設計軟件建模計算得出泵浦光在增益介質內分布, 如圖2所示.有效泵浦效率ηa-eff=65.1% , 均勻性RMS為3.12%, 這說明泵浦光強度是均勻分布的.

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

2.3 增益介質熒光分布

五邊形Nd:YAG薄片增益介質的熒光分布如圖3所示, 可見多邊形增益介質內泵浦光分布均勻, 與仿真結果吻合.

圖3 增益介質內熒光分布Fig.3.Fluorescence distribution in disk.

從圖3可以看出增益介質中心區域(內接圓R = 16 mm范圍內)熒光分布呈近平頂分布, 這表明側面折返泵浦多邊形薄片晶體可以實現增益介質內儲能的平頂分布.儲能的平頂分布, 降低了激光對薄片介質的損傷幾率, 同時也意味著可以有效降低增益介質熱效應, 激光輸出功率可以大幅增高.

3 實驗系統及測量結果

薄片激光器實驗裝置如圖4所示, 5個LDA均勻分布在五邊形增益介質周圍, 增益介質前后端面分別鍍有1064 nm增透膜和1064 nm高反膜.增益介質后端面經金屬化后通過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熱沉分別通過冷卻循環水機控制溫度.

圖4 薄片激光器實驗裝置圖Fig.4.Experiment setup of thin disk laser.

實驗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.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, 當泵浦能量達到2.2 J,最大輸出能量為0.85 J, 此時斜效率為40.1%.當前輸出條件下輸出能量曲線沒有明顯飽和趨勢, 還可進一步增加二極管激光器疊陣數量, 提高介質儲能.這也證明了泵浦光的均勻分布可以有效降低增益介質熱效應, 在較高的泵浦能量下仍能保持很高的光-光效率.通過CCD得到的激光束的強度分布如圖6所示, 呈均勻的近平頂分布, 在穩腔下測得激光衍射極限倍數 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 給出了脈沖重復頻率對輸出的影響, 當注入泵浦單脈沖能量為2.2 J, 重復頻率為1 Hz時,輸出能量為0.89 J, 輸出能量在重復頻率為100 Hz時輸出能量略有下降, 降為0.85 J, 這是因為在高重復頻率下由于晶體底部熱沉的冷卻能力有限, 晶體內產生的熱效應導致穩定腔偏離穩定區域, 從而導致激光輸出功率的下降.

圖7 不同脈沖重復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.

在重復頻率為1 Hz, 泵浦能量為2.2 J時, 激光器輸出能量測試結果如圖8所示, 輸出能量穩定性為2.7%(RMS).實驗結果證明Nd:YAG薄片激光器具有良好的能量穩定性.

4 結 論

本文對二極管疊陣側面折返泵浦多邊形Nd:YAG薄片激光器進行了理論和實驗研究.在保證儲能均勻分布的條件下, 研制了前端面內切圓半徑16 mm的多邊形薄片激光器.在100 Hz重復頻率下, 當泵浦能量為2.2 J時, 獲得0.85 J的激光輸出, 光-光效率達38.8%, 斜效率為40.1%, 在1 Hz～100 Hz頻率范圍內輸出能量保持穩定，在重復頻率1 Hz條件下測得單脈沖能量穩定性為2.7%(RMS).穩定，在重復頻率1 Hz在穩腔下測得激光衍射極限倍數β約為10.