王 喆,劉 洋,劉 磊,劉善超,趙 鴻

(固體激光技術(shù)重點實驗室,北京 100015)

·激光器技術(shù)·

LD側(cè)泵Nd∶YAG薄板條MOPA激光器

王 喆,劉 洋,劉 磊,劉善超,趙 鴻

(固體激光技術(shù)重點實驗室,北京 100015)

報道了一種基于主振蕩—功率放大(MOPA)方式工作的脈沖激光器。為了獲得高重復頻率、高平均功率的激光輸出，采用尺寸為4 mm×35 mm×160 mm，摻雜濃度為1%的Nd∶YAG薄板條。通過對側(cè)面出光的浸入式板條激光器進行LD陣列側(cè)面泵浦，在泵浦光平均功率為15 kW時，實現(xiàn)了穩(wěn)定的4.15 kW的激光輸出，諧振腔的光光轉(zhuǎn)換效率為27.7%。在此基礎(chǔ)上，采用兩個放大模塊建立了一級振蕩二級放大的MOPA裝置，輸出光平均功率達6.4 kW。

固體激光器；激光二極管；側(cè)抽運； Nd∶YAG晶體；MOPA

1 引 言

板條激光器是利用介質(zhì)幾何結(jié)構(gòu)對稱性和“之”字形光路來補償熱透鏡效應、應力雙折射和退偏效應，可以避免傳統(tǒng)的棒狀固體激光器在高功率泵浦條件下產(chǎn)生的嚴重熱效應，從而獲得好的光束質(zhì)量[1]。采用泵浦源進行側(cè)面泵浦，熱效應相較端面泵浦較小，并且可以充分利用激活區(qū)域，通過簡單的增加抽運長度來承載更多的抽運能量，從而獲得高功率輸出。

近年來,美國諾格公司和達信公司在美國聯(lián)合高功率固體激光器(JHPSSL)計劃中取得了很多進展,諾格公司利用主振蕩-功率放大(MOPA)類型固體激光器單鏈路輸出功率達到15 kW,并通過7束激光進行相干合束,獲得了105 kW的強光輸出[2],為MOPA類型激光器走向大規(guī)模和實用化奠定了堅實的基礎(chǔ)[3-4]。

達信公司則通過利用Textron公司的ThinZag專利技術(shù)和大尺寸Nd∶YAG薄板條激光增益介質(zhì)，實現(xiàn)了單模塊17 kW的輸出。通過6個17 kW的大口徑Thinzag板條模塊串聯(lián)組成諧振腔，利用自適應系統(tǒng)進行波前相位校正，單口徑實現(xiàn)了100 kW的激光輸出。這些成果引起了世界各國對高能固體激光技術(shù)的新一輪研究熱潮。

在此基礎(chǔ)上，我們設(shè)計了千瓦級高平均功率、高重復頻率、微秒量級脈沖寬度的Nd∶YAG 板條激光器。采用以大面積脈沖二極管陣列作為泵浦源，并用非成像耦合方式對板條側(cè)面進行泵浦[5-6]，同時保證泵浦光分布均勻；諧振腔增益介質(zhì)采用摻雜濃度為1%的大尺寸Nd∶YAG薄板條，大尺寸薄板條可以在保證泵浦光被充分吸收的條件下，有效緩解熱管理問題，減小熱效應；冷卻方式采用冷卻液直接冷卻增益介質(zhì)；激光器采用“之”字形激光光路[7]，通過主振蕩—功率放大(MOPA)裝置，最終獲得了重復頻率為1 kHz,脈沖寬度為168 μs，平均功率為6.4 kW的脈沖激光輸出。

2 實驗裝置及其設(shè)計

2.1 激光器冷卻結(jié)構(gòu)

二極管側(cè)面泵浦的大口徑Thinzag板條激光增益模塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,Nd∶YAG板條尺寸為4 mm×35 mm×160 mm，Nd3+摻雜濃度為1%，光束在激活介質(zhì)內(nèi)形成5次反射。 該結(jié)構(gòu)中大尺寸的Nd∶YAG薄板條夾置于兩片熔融石英窗口之間形成“三明治”結(jié)構(gòu)，泵浦光透過熔融石英窗口泵浦Nd∶YAG薄板條的兩個大側(cè)面。激光束以“之”字形光路通過Nd∶YAG薄板條、冷卻液，并在石英窗口外表面形成全內(nèi)反射?！爸弊中喂饴芬约皩ΨQ的抽運結(jié)構(gòu)和冷卻方式有效地補償了泵浦的不均勻性，能夠保證較好的輸出光束質(zhì)量。在熔融石英窗口和薄板條之間的夾縫中利用冷卻液以層流方式對板條進行冷卻，冷卻液的流動方向可以沿著板條的長度(z方向)或者是寬度(y方向)方向。保證冷卻液在板條兩側(cè)的流動方向相反，這樣可以有效地降低板條的溫度梯度，有利于高光束質(zhì)量的激光輸出。并且由于激光器在工作時，腔內(nèi)激光以“之”字形傳輸，激光要多次經(jīng)過冷卻液，因此，我們需要通過比對不同冷卻液對激光的吸收系數(shù)，采用最佳的冷卻液成分，減小吸收損耗。

圖1 側(cè)泵側(cè)出Thinzag板條激光增益模塊

2.2 激光器泵浦結(jié)構(gòu)設(shè)計

采用波長為808nm的高功率準連續(xù)LD疊陣對晶體進行泵浦，各個疊陣的峰值功率為3750W，占空比為20%。采用20支同樣的疊陣，5支一組，組成雙側(cè)泵浦結(jié)構(gòu)，如圖2所示。通過分析泵浦源二極管線陣的近場以及遠場光強分布，光譜構(gòu)成，指向性偏差等數(shù)據(jù)，有序排列二極管泵浦源。采用非成像技術(shù)、泵浦光勻化技術(shù)，用光線追跡軟件對泵浦光傳播進行仿真，設(shè)計出使得泵浦光在增益介質(zhì)內(nèi)均勻分布的泵浦源耦合結(jié)構(gòu)。

4組泵浦源組成雙側(cè)泵浦結(jié)構(gòu)，為使泵浦光盡量集中，每一側(cè)的兩組LD在水平方向(x方向)以一定的角度照射在同一區(qū)域。為實現(xiàn)泵浦的均勻性，兩組LD形成交錯泵浦形式，從而有效實現(xiàn)LD疊陣在快軸方向進行填空。另外為避免兩側(cè)LD剩余泵浦光的對照而影響LD的使用壽命，四組LD在豎直方向(y方向)上以一定角度照射到模塊上，為保證未被完全吸收的泵浦光錯開對面的LD模塊，剩余的泵浦光利用808nm的全反射鏡反射進入模塊中。泵浦結(jié)構(gòu)從整體上看類似于一個“蝶”形結(jié)構(gòu)，如圖2(b)所示。

圖2 泵浦結(jié)構(gòu)示意圖

使用CCD拍攝兩種泵浦結(jié)構(gòu)下泵浦光的熒光分布，如圖3所示。與傳統(tǒng)的平直型泵浦結(jié)構(gòu)圖2(a)相比，“蝴蝶”型泵浦結(jié)構(gòu)可以使泵浦區(qū)域更加集中，并且通過傾斜交錯的結(jié)構(gòu)設(shè)計還可以實現(xiàn)泵浦光的勻化。

圖3 泵浦光熒光分布示意圖

2.3 激光入射角度的設(shè)計

由于激光光學腔由玻璃、冷卻液和YAG板條三種材料組成，激光器工作時，腔內(nèi)激光以“之”字形傳輸，激光在各介質(zhì)中的傳輸光路如圖4所示。激光傳輸過程中需經(jīng)過20個以上不同介質(zhì)間的反射面，并且在某些界面上由于入射角較大，即使利用鍍膜的方法也不能保證高透過率，因此需合理設(shè)計入射角度以減小光路中的菲涅爾反射從而提高系統(tǒng)的總體透過率，同時保證系統(tǒng)的線偏振輸出。下面簡要介紹一下光學腔角度設(shè)計過程。

圖4 光路圖

光線在石英板、冷卻液層和Nd∶YAG板條內(nèi)傳輸滿足折射定律，即:

nSiO2sinθ1=nwatersinθ2=nNd∶YAGsinθ3

(1)

同時，為保證激光在石英外表面發(fā)生全反射以及石英內(nèi)表面和冷卻液層之間不發(fā)生全反射，θ1需滿足下列條件：

(2)

菲涅爾反射公式原理圖如圖5所示。

圖5 入射光、反射光和折射光p，s，k正交系的選取

由菲涅爾公式可以得到兩種偏振態(tài)的透過率分別為：

(3)

那么兩種線偏振光單程通過板條的透過率可以表示為：

(4)

利用式(1)中的θ1表示θ2、θ3帶入到式(3)、(4)中，求解極值，從而得到透過率最大時的入射角θ1。

求解不同θ1值對應的系統(tǒng)透過率，如圖6所示。三條曲線分別代表P光、S光以及圓偏振光在不同的入射角θ1單次通過板條的透過率。從圖中可以看出在選取入射角θ1=47°時，單次通過板條的透過率最高，P光的透過率高達99.92%，所以選取此角度作為入射角度。系統(tǒng)在諧振腔工作時，S光的損耗較P光要大，由于模式競爭從而實現(xiàn)P光的線偏振輸出。

圖6 不同入射角度對應的透過率

2.4 諧振腔的參數(shù)設(shè)計

在工作過程中，激光振蕩器在諧振腔內(nèi)從噪聲中建立起來的輻射通量將迅速增大，增益系數(shù)因輻射通量的增大而減小，最終穩(wěn)定在確定的值上。部分腔內(nèi)功率從諧振腔中耦合輸出，有效的激光輸出功率為：

Pout=A1-R1+RIs2g0lL-lnR-1

(5)

由于輸出功率在特定的耦合輸出透射率T時達到最大，因此為了確定輸出功率達到最大時的最佳透射率，可以用上式對T求導，即得到：

Tout=(2g0l/L-1)L

(6)

其中諧振腔的損耗L為5%，當信號光強遠小于飽和光強IS時，此時增益系數(shù)為小信號增益系數(shù):

g0=ηQηSηBPab/IsV

(7)

其中，ηQ,ηS,ηB分別是量子效率、斯托克斯效率、空間交疊效率。對于由中心波長為808nm的激光二極管泵浦的Nd∶YAG固體激光器，空間交疊效率為0.8。增益介質(zhì)尺寸為4mm×35mm×160mm。當泵浦光峰值功率為75kW時，g0=0.287。帶入式(6)中，求得最佳耦合透過率Tout=30%。

3 實驗結(jié)果

3.1 振蕩級輸出實驗結(jié)果

單模塊激光器采用20支峰值功率為3750 W，占空比為20%，TM偏振，偏振度在96%以上的高功率準連續(xù)二極管，對尺寸為4 mm×35 mm×160 mm的Nd∶YAG板條進行側(cè)面泵浦。全反鏡曲率半徑R為4m，輸出鏡透過率T為30%，在泵浦電流200μs，重復頻率1kHz的條件下，測量了不同泵浦電流條件下Nd∶YAG板條諧振腔的輸入輸出曲線，如圖7所示。

圖7 輸出激光光功率與泵浦電流的變化關(guān)系

泵浦電流230A時諧振腔輸出功率為4.15kW，諧振腔的光光效率為27.7%。激光輸出波形及近場光斑形狀如圖8所示。由于冷卻液折射率分布的不均勻以及板條增益介質(zhì)光學不均勻等原因造成近場光斑分布不均勻。

圖8 激光輸出波形及近場光斑形狀

3.2MOPA實驗

放大器同樣采用類似于圖1所示側(cè)泵側(cè)出的Thinzag結(jié)構(gòu)，不同的是耦合輸入輸出棱鏡改成了在兩側(cè)的石英玻璃板上切成斜角的方式實現(xiàn)激光的耦合輸入輸出。為抑制放大器模塊本身的自激振蕩造成輸出效率的下降，該模塊采用厚度為6mm，摻雜濃度為1%的單晶Nd∶YAG。泵浦源采用20支峰值功率為6kW，占空比為20%，的高功率準連續(xù)二極管，為保證泵浦光高效充分的吸收以及泵浦均勻性采用與前述諧振腔同樣的泵浦耦合結(jié)構(gòu)，MOPA裝置圖如圖9所示。

圖9 MOPA裝置圖

諧振腔到放大器之間采用像傳遞系統(tǒng)以保證諧振腔輸出激光尺寸能夠與放大器尺寸實現(xiàn)較好的匹配。保持諧振腔輸出功率4150W不變，在放大器泵浦電流脈寬200μs，重復頻率1kHz條件下，精確調(diào)整諧振腔和放大器的放電延時，得到最大輸出功率。測量了放大器不同泵浦電流時對應的輸出功率曲線。在本振級泵浦電流為230A，放大器泵浦電流200A時，MOPA結(jié)構(gòu)輸出的平均功率達到了6.4kW。示波器顯示的激光脈沖波形如圖10所示，單脈沖寬度為168μs。

圖10 激光單脈沖波形

實驗中任意截取的4ms的激光脈沖序列如圖11所示。

4 結(jié) 論

對二極管側(cè)面泵浦Nd∶YAGThinZag板條激光器的冷卻結(jié)構(gòu)、泵浦結(jié)構(gòu)、激光輸入輸出角度以及諧振腔進行了設(shè)計及實驗研究，通過MOPA結(jié)構(gòu)，對振蕩級輸出的4150W的激光進行放大，最終獲得了重復頻率為1kHz,脈沖寬度為168μs，平均功率為6.4kW的脈沖激光輸出。下一步的工作重點是采取更為有效的技術(shù)手段和方法,在保證高重復頻率、高峰值功率激光輸出的前提下,進一步提高激光器的光束質(zhì)量。

圖11 實驗中提取的4 ms內(nèi)的激光脈沖序列

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Laser diode side-pumped Nd∶YAG thin slab laser based on MOPA

WANG Zhe，LIU Yang，LIU Lei，LIU Shan-chao，ZHAO Hong

(Science and Technology on Solid-state Laser Laboratory，Beijing 100015，China)

A pulsed laser based on master-oscillator power amplifier (MOPA) is reported.In order to get laser output of high repetition frequency and high average power，the Nd∶YAG thin slab was used，whose size is 4 mm×35 mm×160 mm and the Nd3+doping concentration is 1%.Through side-pumped LD array for the immersion slab laser，stable laser output power of 4.15 kW is obtained when the average power of pump light is 15 kW，and the optical-optical conversion efficiency of resonant cavity is 27%.On the basis of that，two amplifiers were adopted to establish MOPA，the average output power of laser reaches 6.4kW.

solid state laser；laser diode；side-pumped；Nd∶YAG crystal；MOPA

王 喆(1990-)，女，碩士，主要從事固體激光技術(shù)方面的研究。E-mail：schu.dm@163.com

2014-12-10

1001-5078(2015)04-0364-05

TN248.1

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.04.005