黃 濤,王克強,羅 旭,何利杰

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

相比于傳統(tǒng)有溫控激光器,無溫控LD泵浦激光器可以完全消除主動溫度控制,不需要制冷器件和溫控電路,從根本上解決了溫控系統(tǒng)易發(fā)生故障的問題,大大提高了激光器的可靠性；由于去除了復(fù)雜的溫控系統(tǒng),使得激光器的結(jié)構(gòu)更加緊湊,不需要溫控準(zhǔn)備時間即可工作,同時大幅度降低待機功耗,在小型無人機以及單兵裝備作戰(zhàn)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。

無溫控LD泵浦激光器的核心技術(shù)是解決不同溫度下電光效率不一致的問題,并且使全溫度范圍均具有較高電光效率。實現(xiàn)激光器無溫控運轉(zhuǎn)有兩種途徑[2],第一種是展寬激光二極管的發(fā)射波長,進(jìn)行多波長泵浦,第二種是增加增益介質(zhì)的有效吸收長度,以使泵浦光在吸收峰之外時能夠充分吸收。通常兩種方法結(jié)合使用效果更好。

SELXGALILIO公司開發(fā)的163型激光器[3],同時使用了多波長泵浦和增加吸收長度長度的方案。將工作物質(zhì)設(shè)計成Zig-Zag形板條,通過控制光路增加有效吸收長度。不僅滿足在-30～+50 ℃范圍內(nèi)正常使用,而且提高了激光器的整體光電效率,從而降低功耗,減少熱管理問題,進(jìn)而減少熱交換器和底盤尺寸和電池容量。實現(xiàn)激光器的小型化、低功耗的要求。

2 基本原理

2.1 增益介質(zhì)的選擇

摻釹釔鋁石榴石(Nd∶YAG)晶體的綜合性能較好[4],被很多激光器用作增益介質(zhì)。圖1為在780～828 nm光譜范圍內(nèi),Nd3+摻雜濃度為1.0 at %的Nd∶YAG晶體的吸收系數(shù)隨波長的變化曲線圖[5]。如圖1所示,Nd∶YAG(1.0 at %)晶體對不同波長的泵浦光吸收能力不同,吸收系數(shù)越小表示吸收能力越弱,吸收系數(shù)越大表示吸收能力越強。泵浦光強一定時,晶體對泵浦光的吸收效率與晶體的吸收系數(shù)和晶體的有效吸收長度有如下關(guān)系[6]:

η=(1-e-αL)

(1)

式中,η為晶體的吸收效率;α為晶體的吸收系數(shù);L為泵浦光在增益介質(zhì)中傳輸路徑的長度。

由公式(1)可知,吸收相同能量的泵浦光時,晶體的吸收能力越弱,所需要晶體的長度越長。因此當(dāng)激光二極管的發(fā)射波長處于晶體吸收能力較弱的位置時,需要增加晶體的有效吸收長度來提高晶體的吸收效率[7]。

圖1 1.0 % Nd∶YAG晶體的吸收光譜

本文增加晶體的有效吸收長度采用的是側(cè)面雙通鍵合Nd∶YAG晶體方形棒結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)如圖2所示。兩側(cè)是Nd3+摻雜濃度為1.0 at %的Nd∶YAG晶體,中間是非摻雜的YAG晶體,靠近泵浦源一側(cè)鍍(808±20)nm增透膜,遠(yuǎn)離泵浦源一側(cè)鍍(808±20)nm全反膜,泵浦光2次穿過晶體,理論上晶體對泵浦光的最大有效吸收長度可以達(dá)到20 mm,經(jīng)計算,該吸收長度下,即使晶體的吸收系數(shù)只有0.7 cm-1,吸收效率也能達(dá)到75 %,能在一定程度上滿足激光器的穩(wěn)定輸出。

(a)晶體圖 (b)光路模擬圖

圖2 Nd∶YAG方形棒鍵合晶體及光路模擬圖

Fig.2 Nd∶YAG square bar bonded crystal and optical path simulation

2.2 泵浦模塊的選擇

實現(xiàn)多波長泵浦有兩種方法,第一種是展寬單波長泵浦源LD的譜線寬度,這種方法只能滿足小溫度范圍內(nèi),LD的部分發(fā)射譜線和晶體的吸收譜線相匹配,但大部分泵浦光的能量不能被利用,大大降低光光轉(zhuǎn)換效率。第二種是合理選擇不同bar條的中心波長,整合成泵浦模塊,對增益介質(zhì)進(jìn)行同時泵浦。在不同溫度下,不同波長LD的泵浦效率可以相互補償,穩(wěn)定泵浦模塊總的泵浦效率,實現(xiàn)激光穩(wěn)定輸出。

本文采用的是四波長泵浦源,泵浦模塊有8個bar,分為四種不同中心波長,分別為為802 nm @25 ℃、804 nm @25 ℃、806 nm @25 ℃、808 nm @25 ℃,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

多波長泵浦時,光譜線寬會對晶體的吸收效率產(chǎn)生影響,因此需要對泵浦模塊的光譜線寬進(jìn)行篩選,LD的發(fā)射譜線可近似看成高斯函數(shù)(如圖4所示),其強度分布可用下列公式進(jìn)行表示[8]:

(2)

式中,I0為頻域中譜線中心光強；λ0為LD中心波長；δ為發(fā)射譜線的半高全寬。

圖3 四波長泵浦模塊

圖4 LD泵浦光光譜圖(25 ℃)

計算多波長泵浦時增益介質(zhì)吸收的總能量E,需要對組成泵浦源的不同中心波長的LD被增益介質(zhì)吸收的能量進(jìn)行加權(quán)求和,可以用下式表示[9]:

(3)

式中,Ni表示不同中心波長的LD在相同泵浦條件下,單個LD輸出能量占總能量的比例,均取0.25；L表示有效吸收長度,均取20 mm。

則晶體的吸收效率η可以表示為:

(4)

可以得到晶體的吸收效率與LD光譜線寬的關(guān)系如圖5所示,考慮到LD的發(fā)射波長隨溫度漂移系數(shù)為0.28 nm/ ℃,為保證激光器在范圍-40～+60 ℃內(nèi)穩(wěn)定輸出能量≥40 mJ,則LD的發(fā)射波長波動范圍需控制在30 nm內(nèi),為了獲得較高的崩盤效率,需保證晶體的吸收效率≥75 %。由此可見,采用單波長或者寬光譜線寬泵浦時,不能同時在寬溫度范圍工作以及穩(wěn)定輸出能量方面達(dá)到要求；而將LD泵浦光的光譜線寬控制在5～10 nm范圍內(nèi),可以很好的滿足上述要求。

圖5 光譜線寬與吸收率的關(guān)系曲線(吸收長度20 mm)

3 實驗裝置

本文中的激光器需要在嚴(yán)峻環(huán)境下正常工作,因此在設(shè)計諧振腔時需要考慮諧振腔對溫度的敏感性。該激光器選擇直角棱鏡折疊腔作為諧振腔,其光路示意圖如圖6所示,主要由兩個直角棱鏡和兩個偏振分光棱鏡組成,用直角棱鏡替代反射鏡來改變光束的方向,可以降低激光器對大的溫度變化保持不靈敏性,并且可以最大程度的縮短整個系統(tǒng)的長度；脈沖激光通過波片和分光棱鏡組成的耦合系統(tǒng)輸出,通過調(diào)節(jié)波片的方位角可以獲得最佳耦合輸出[10]。

激光二極管面陣列經(jīng)過快軸準(zhǔn)直,減小快軸發(fā)散角,使輸出的能量更加集中,有利于長距離傳輸；泵浦光從側(cè)面對Nd∶YAG鍵合晶體進(jìn)行泵浦,鍵合晶體中間是沒有摻雜Nd3+的YAG,兩邊是Nd3+摻雜濃度均為1.0 at %的Nd∶YAG晶體?？拷闷衷匆粋?cè)鍍(808±20)nm增透膜,遠(yuǎn)離泵浦源一側(cè)鍍(808±20)nm全反膜,泵浦光2次穿過晶體,晶體對泵浦光的最大有效吸收長度可以達(dá)到20 mm,有效提高晶體在低吸收能力時對泵浦光的利用率。

圖6 折疊型直角棱鏡腔光路圖

4 實驗結(jié)果

4.1 脈沖能量

影響單脈沖能量的因素有輸出鏡透過率、調(diào)Q晶體初始透過率、工作物質(zhì)摻雜濃度以及泵浦光和產(chǎn)生激光的模式匹配等因素。該激光器在不需要外加溫控器件的情況下,在高低溫箱里做輸出能量測試實驗,其結(jié)果如圖7所示。激光器在-40～+60 ℃范圍內(nèi),激光器輸出能量≥40 mJ,經(jīng)計算,光光轉(zhuǎn)換效率最高為12 %。

圖7 不同溫度下激光器的輸出能量

4.2 脈沖寬度

激光器的脈沖寬度主要與輸出鏡透過率、腔長等有關(guān),本文中諧振腔腔長為300 mm,通過調(diào)節(jié)波片和分光棱鏡組成的耦合系統(tǒng)中波片的方位角,可以改變輸出鏡的透過率,最終得到脈沖寬度為(11 ±1)ns。輸出激光脈沖寬度測試結(jié)果如圖8所示。

圖8 輸出激光脈沖寬度測試

4.3 光束質(zhì)量及發(fā)散角

圖9 激光束光束質(zhì)量測試

5 結(jié) 論