LD環狀側面均勻泵浦Nd∶YAG激光振蕩器

韓昌昊,穆 宇,羅 輝,韓 隆,方 聰,王思博,魏 磊

(1.中國電子科技集團公司第十一研究所,北京 100015;2.北京航天控制儀器研究所,北京 100039)

1 引 言

LD側面泵浦Nd∶YAG晶體激光器具有結構簡單、光束質量高、單脈沖能量大等特點,常常在高能脈沖固體激光器中作為MOPA結構的振蕩器,是實現高脈沖能量固體激光器的一種重要方式[1-5]。MOPA結構的大能量激光器通常會存在多級放大后激光光束質量的嚴重退化,科研人員會通過在放大級間采用受激布里淵散射相位共軛鏡(SPS-PCM)、空間濾波器(spatial filter,SF)等方式來改善光束質量[6-7]。但在實際工程應用中,采用過多的光學元件會使系統可靠性降低,并且會使激光器結構更加龐大、冗雜。而單純的采用小能量、高質量的種子源也需要在后續光路種加入預放大系統,同樣會使得激光器系統更加復雜。所以,優化泵浦結構,提高泵浦均勻性,提高大能量激光振蕩器的光束質量,是實現高能脈沖激光器小型化及工程化的關鍵。

LD泵浦方式主要分為端面泵浦和側面泵浦兩種。其中端面泵浦擁有更高的光耦合效率,更容易實現高光束質量的激光輸出,但是其泵浦光耦合系統比較復雜,且不容易輸出高功率激光。相較于端面泵浦,側面泵浦結構更為簡單,具有高可靠性及緊湊性的優點,但是其泵浦光是沿晶體徑向注入,存在泵浦光分布不均勻、工作物質熱效應嚴重等問題,導致輸出激光的光束質量變差。因此,國內外研究人員對側面泵浦構型的光場均勻性進行了大量的研究[8-11],通過對側面泵浦結構、晶體摻雜濃度優化設計,最大程度上提高泵浦的均勻性。

本文主要介紹了一種應用于高能脈沖固體激光器中的激光振蕩器,該振蕩器采用了LD側面均勻泵浦Nd∶YAG晶體的泵浦結構,并結合超高斯非穩腔結構實現大能量輸出。其中,側面泵浦結構沒有采用傳統的線陣或者面陣的泵浦方式,而是直接采用了bar條串聯的環形集成結構,提高了泵浦均勻性及效率。通過Zemax軟件進行側泵均勻性的仿真分析,基于仿真結果設計了20向側泵結構的激光振蕩器,實現了100 Hz重復頻率下,496 mJ的激光輸出,光光效率約為18.5 %,脈沖寬度為12.4 ns,光束質量優于9 mm·mrad。并且該振蕩器可以維持光軸穩定不變的同時,實現20 ns脈寬以內能量變檔可調,對激光振蕩器工程化應用由一定意義。

2 LD側面均勻泵浦結構仿真

側面泵浦結構具有結構簡單、性能穩定等優點,相對與端面泵浦更具備實現小型化激光器的潛力。但是由于其泵浦光在延徑向注入晶體時,會出現晶體內外吸收不均勻,導致熱效應嚴重,從而影響光束質量。為解決泵浦不均勻導致的光束質量退化等問題,采用Zemax軟件對不同側面泵浦條件下光場吸收情況進行仿真,從而為優化激光器設計提供理論基礎。

2.1 不同泵浦方向數下的光場均勻性

由于不同方向的泵浦光在進入晶體棒后會存在交疊,所以激光二極管在晶體棒側面排列方式的對其光場分布的影響較大。圖1為不同泵浦方向數下的吸收光場的對比圖,其中,晶體尺寸、泵浦距離、吸收系數均相同,圖1(a)、(b)、(c)、(d)分別為泵浦方向為3向、5向、9向、20向時的吸收光場。可以看出,隨著泵浦方向數目的增加,晶體內吸收光場分布會逐漸呈中心對稱形狀,光場的均勻性會隨之提高。這種情況應當是由于激光二極管所發射激光的發散角是固定的,通過從多個方向入射能夠增加泵浦頭內激光的空間交疊效率,從而提高晶體對泵浦光吸收的均勻性。

圖1 不同泵浦方向數下的吸收光場

2.2 不同吸收系數下的光場均勻性

在選擇激光晶體時,往往根據實際情況選擇適合的摻雜濃度的晶體,不同濃度晶體的吸收系數差異較大,對晶體內泵浦均勻性也有較大影響。圖2是采用20向的泵浦結構對在不同吸收系數下的吸收光場的對比圖。由圖2可以看出,吸收系數α=4 cm-1時明顯優于其他兩種,當激光晶體的吸收系數較小時,晶體棒中間的吸收強度明顯要高于兩端,這種情況下有利于激光基模的振蕩,但是易造成中心功率密度過高損壞光學器件。當提高激光晶體的吸收系數時,晶體邊緣吸收的泵浦光能量越來越強,這種情況下激光的模式分布會逐漸失配。綜合考慮各因素,在泵浦結構設計時應當選取晶體吸收系數較小的方案,更加有利于泵浦的均勻性。

圖2 不同吸收系數下的吸收光場

3 實驗裝置

根據仿真結果表明,隨著泵浦方向的增加,光場的均勻性會隨之提高。故本研究采用了20個激光二極管bar條直接串聯的環狀結構進行側面均勻泵浦,環狀側面泵浦結構如圖3所示。整個泵浦模塊包含了沿軸向等間距分布的10個環狀結構,總峰值功率最高為20 kW。這種bar條串聯的環狀結構的好處在于可以使bar條在側面進一步集成化,使泵浦光入射方向數增加,盡可能提高泵浦的均勻性。根據仿真結果計算,激光晶體選擇了摻雜濃度為0.6 at %的Nd∶YAG晶體,晶體直徑為10 mm,長度154 mm。

圖3 LD側面泵浦模塊截面圖

LD側面均勻泵浦Nd∶YAG振蕩器實驗裝置如圖4所示,諧振腔總腔長780 mm。其中,M1為鍍有1064 nm高反膜的平-凹鏡,反射率大于99 %。偏振片P1作為起偏器,以保證水平線偏振激光輸出。L1、L2為負透鏡,R1為90°石英旋光器。耦合輸出鏡OC為可變反射率的彎月鏡,中心透過率為70 %,曲率半徑R=±1000 mm,使振蕩器獲得大體積、模式分布光滑均勻的基橫模輸出。為消除自發放大輻射(ASE)振蕩,Nd∶YAG晶體兩端面設計為呈1°梯形斜角的結構。采用升壓式電光調Q的方式,采用BBO雙晶作為電光Q開關,雙晶總長40 mm。

圖4 實驗裝置示意圖

雖然采用均勻泵浦的方式可以一定程度上降低熱效應,但是由于固有的量子損耗,在晶體中的熱效應是不可避免的。在單泵浦模塊測試中,當注入2.31 J泵浦光時,輸出激光光束出現明顯的熱退偏,所以選擇了雙棒串接的方式進行補償,并在晶體棒之間加入90°石英旋光器以補償熱致雙折射。用He-Ne準直光對重復頻率100 Hz時,對注入不同泵浦光能量的熱透鏡進行測量,晶體的熱透鏡焦距隨輸入泵浦光能量的變化情況如圖5所示。考慮到調Q后熱透鏡效應可能會加重,在腔內加入兩個負透鏡L1(R=-2000 mm)、L2(R=-2500 mm),用于補償晶體棒中的熱透鏡效應。

4 實驗結果

輸出耦合鏡的參數設計對激光振蕩器的輸出功率有重要影響。實驗中針對中心透過率分別為60 %、70 %、80 %的耦合輸出鏡進行對比實驗,在重復頻率為100 Hz、泵浦脈寬為220 μs時,輸出激光單脈沖能量隨注入泵浦光能量的變化關系如圖6所示。從圖6可以看出,輸出激光單脈沖能量和輸入泵浦光能量呈線性關系增長,并且沒有出現飽和的趨勢。

圖6 輸出單脈沖能量隨注入單脈沖能量的變化關系

圖7是當注入泵浦光能量為2.31 J時的近場光斑,雖然中心部分略強,但徑向分布相對均勻,說明側泵結構設計有效。可以通過進一步提高晶體摻雜濃度優化側泵結構設計。也可通過對可變反射率反射鏡(Variable Reflectivity Mirrors,VRM)的膜層進行優化設計,改善光斑形態,使近場激光接近平頂分布。將注入泵浦光能量增加到2.68 J時,采用套孔法測量激光光束質量,光束質量優于9 mm·mrad。

圖7 近場光斑分布圖

當注入泵浦光能量為2.68 J時,得到單脈沖能量為496 mJ,此時光-光效率為18.5 %,與國內同類側面泵浦大能量激光振蕩器進行對比(文獻[1]～文獻[5],文獻[12]～文獻[14]),光-光效率處于領先水平,說明該環形側泵設計對效率提升存在明顯效果。使用光電探測器和數字示波器測得激光振蕩器激光脈沖波形如圖8所示,激光脈沖寬度為12.4 ns。當繼續提高泵浦光能量時,腔內熱效應會逐漸明顯,導致光束質量惡化,光斑出現畸變。當注入泵浦光能量大于3.2 J時,熱退偏效應會導致Q開關的工作效率下降,激光脈寬不再穩定。

圖8 電光調Q后的單脈沖波形

為實現輸出激光能量變檔可調,同時保證激光光軸穩定,本文采用改變Q延時的方式來進行能量變檔。因為注入的泵浦光能量不變,所以晶體熱分布處于一個穩定的狀態,光軸可以近乎保持穩定狀態。在100 Hz重復頻率下,注入泵浦光能量為2.31 J時,激光單脈沖能量隨Q延遲變化如圖9所示。從圖9可以看出,在Q延時和泵浦脈寬完全匹配時,所得到的單脈沖能量不是最高的,這種現象可能是Q驅動與泵浦電源等器件細小的誤差導致的。隨后對Q延時在260 μs和310 μs時激光脈寬進行測量,分別為16 ns和18.4 ns。并對不同Q信號延時狀態的光軸位移量進行測量,不同Q延時下激光光軸的位移量不大于20 μrad,說明改變Q延時對光軸穩定性影響很小,該激光振蕩器能夠在光軸穩定下實現脈寬20 ns以內的脈沖能量變檔可調。

圖9 激光單脈沖能量隨Q延遲變化關系

5 結 論

本文主要介紹了一種應用于高能脈沖固體激光器中的激光振蕩器,該振蕩器采用了LD側面均勻泵浦Nd∶YAG晶體的泵浦結構,并結合超高斯非穩腔結構實現大能量輸出。其中,側面泵浦結構沒有采用傳統的線陣或者面陣的泵浦方式,而是直接采用了bar條串聯的環形集成結構,提高了泵浦均勻性及效率。通過Zemax軟件進行側泵均勻性的仿真分析,基于仿真結果設計了20向側泵結構的激光振蕩器,實現了100 Hz重復頻率下,496 mJ的激光輸出,光光效率約為18.5 %,脈沖寬度為12.4 ns,光束質量優于9 mm·mrad,并可以實現脈寬20 ns以內的脈沖能量變檔可調。實驗證明了該側泵結構可靠有效,為MOPA結構振蕩級選取提供了一種有效的方案。