刁偉鵬,劉 洋,王 超,唐曉軍

(固體激光技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100015)

1 引 言

隨著激光器的不斷發(fā)展,高重頻大能量亞納秒脈沖固體激光器在材料加工、激光雷達(dá)、激光測(cè)距和非線性光學(xué)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值[1-4]。在材料加工中,相較于飛秒激光器,亞納秒激光器在材料表面的作用時(shí)間較長(zhǎng),同時(shí)又更容易獲得高能量輸出,帶來(lái)更高的工作效率。因此,如何獲取高平均功率、高單脈沖能量的亞納秒脈沖輸出成為研究熱點(diǎn)。

為了獲得高功率脈沖的輸出,通常采用主振蕩器和多級(jí)功率放大器的結(jié)構(gòu)對(duì)低功率脈沖進(jìn)行功率放大。2012年,王金國(guó)等將主振蕩器輸出的重復(fù)頻率5 Hz、單脈沖能量160 μJ、脈沖寬度964 ps的激光,通過(guò)LD準(zhǔn)連續(xù)抽運(yùn)的Nd∶YAG晶體進(jìn)行雙程放大,獲得了脈沖能量88 mJ的脈沖輸出[5]。2014年,汪超等采用LD抽運(yùn)Nd∶YAG再生放大器和四程放大器,將重復(fù)頻率100 Hz、單脈沖能量1 nJ、脈沖寬度500 ps～2 ns可調(diào)單縱模脈沖進(jìn)行功率放大,獲得了單脈沖能量112 mJ的激光輸出[6]。2014年,童立新等使用LD雙端抽運(yùn)Nd∶YAG板條作為放大模塊,采取小板條三程預(yù)放大和兩個(gè)大板條單程功率放大的結(jié)構(gòu),將重復(fù)頻率1 kHz、單脈沖能量2 mJ、脈沖寬度58 ns的種子光,放大為單脈沖能量1.1 J的脈沖輸出[7]。2019年,呂思奇等將重復(fù)頻率1 kHz、平均功率8.4 W、脈沖寬度127.6 ps的激光,通過(guò)LD側(cè)泵棒狀Nd∶YAG放大模塊,采用兩級(jí)雙模塊放大系統(tǒng)得到單脈沖能量84 mJ的激光輸出[8]。

本文同樣采用主振蕩功率放大(MOPA)的光路結(jié)構(gòu),主振蕩器輸出重復(fù)頻率1 kHz、平均功率4.5 W、脈沖寬度約700 ps、波長(zhǎng)1064 nm的種子激光,將傳導(dǎo)冷卻端面泵浦板條激光器(CCEPS)與角度復(fù)用技術(shù)相結(jié)合,經(jīng)過(guò)四程功率放大得到脈沖能量189 mJ的激光脈沖輸出。

2 理論模型

在激光放大器中,根據(jù)Franz-Nodvik理論,單程放大輸出能量密度可表示為[9]:

(1)

式中,E0為放大器的輸入能量密度；ES為增益介質(zhì)的飽和能量密度；E1為放大器的輸出能量密度；g0為小信號(hào)增益系數(shù)；l為增益介質(zhì)長(zhǎng)度。其中g(shù)0的表達(dá)式為:

(2)

式中,ηT表示泵浦耦合效率；ηa表示增益介質(zhì)的吸收效率；ηS表示斯托克斯效率；ηQ表示量子效率；ηB表示交疊效率；ηST表示晶體能量存儲(chǔ)效率；ηASE表示自發(fā)輻射損耗效率；EP表示泵浦能量密度；A為激光束在增益介質(zhì)中有效橫截面積。

飽和能量密度ES可表示為:

(3)

式中,h表示普朗克常數(shù)；ν表示激光頻率；σ表示受激發(fā)射截面。對(duì)于Nd∶YAG晶體,1064 nm時(shí)的光子能量hν=1.86×10-19J,受激發(fā)射截面σ=2.8×10-19cm2。

第n程放大輸出能量密度可表示為:

(4)

其中:

(5)

(6)

3 實(shí)驗(yàn)裝置

傳導(dǎo)冷卻端面泵浦板條激光放大器的增益介質(zhì)為體摻雜Nd∶YAG晶體,結(jié)構(gòu)如圖1所示,板條尺寸為67 mm×11 mm×1.7 mm,摻雜區(qū)域尺寸為50 mm×11 mm×1.7 mm,摻雜原子分?jǐn)?shù)為0.2 at %。板條兩端斜面為通光面,采用45°角切割,且端面鍍有1064 nm增透膜。為了保證抽運(yùn)光能在板條內(nèi)部滿足全反射及抑制倏逝波,在板條兩大面鍍折射率較小的SiO2膜[10-11]。板條兩大面通過(guò)銦焊接微通道結(jié)構(gòu)金屬熱沉,且使用水冷機(jī)進(jìn)行精確控溫,水溫設(shè)置為25 ℃。實(shí)驗(yàn)中增益介質(zhì)采用雙端LD抽運(yùn)的方式,其輸出中心波長(zhǎng)為808 nm,使用恒溫水冷系統(tǒng)控制溫度,溫度設(shè)置為25 ℃。

圖1 增益板條的結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示,為了提高激光輸出功率,激光放大器采用四程放大的結(jié)構(gòu)。種子源是由微片被動(dòng)調(diào)Q的主振蕩器和LD抽運(yùn)Nd∶YVO4棒狀晶體的功率放大模塊兩部分組成,其輸出重復(fù)頻率1 kHz、平均功率4.5 W、脈沖寬度約700 ps的1064 nm線偏振光。種子光經(jīng)過(guò)由半波片(λ/2 plate)、偏振片(PBS)及法拉第旋光器(FR)組成的光隔離器(isolator),其偏振態(tài)為水平偏振態(tài),光隔離器可以有效地隔離回光,避免對(duì)種子源造成損傷。光束整形裝置將種子光沿垂直方向拉長(zhǎng),使其與板條端面尺寸相匹配。平面反射鏡M1改變種子光傳播方向,使其通過(guò)薄膜偏振片(TFP)和平面反射鏡M2后進(jìn)入板條增益晶體。采用雙角度復(fù)用技術(shù)完成四程放大,種子光與板條端面法線呈26°入射,在板條內(nèi)部發(fā)生全反射,沿“之”字形光路傳輸經(jīng)過(guò)板條完成第一次放大。通過(guò)平面反射鏡M3、M4、M5以及透鏡F1、F2后改變傳播方向,以22°入射再次通過(guò)板條完成第二次放大。水平偏振光經(jīng)過(guò)平面反射鏡M6、四分之一波片及透鏡F3、F4,由0°全反鏡M7反射再次通過(guò)四分之一波片,偏振態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪逼?。之后種子光按照原光路經(jīng)過(guò)板條增益晶體完成第三、第四次放大后經(jīng)TFP反射輸出。其中透鏡F1=F2=250 mm和透鏡F3=F4=300 mm為兩組4F成像系統(tǒng),可以有效減小光束發(fā)散角,保證光斑始終匹配板條端面尺寸。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,針對(duì)板條中自發(fā)輻射的抑制進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)板條側(cè)面處理方法不同對(duì)自發(fā)輻射的抑制效果存在差異。使用三塊側(cè)面分別進(jìn)行酸蝕、粗磨和細(xì)磨處理板條作為增益介質(zhì),在單程放大和單端泵浦條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。種子光重復(fù)頻率為10 Hz,輸出功率為0.04 W。單程放大輸出功率與抽運(yùn)電流的關(guān)系如圖3所示,圖中線型1方形表示側(cè)面酸蝕處理的板條的輸出功率,線型2圓形表示側(cè)面粗磨處理的板條的輸出功率,線型3三角形表示側(cè)面細(xì)磨處理的板條的輸出功率。

從圖3中可以看出,側(cè)面經(jīng)過(guò)三種不同處理方法的板條的單程輸出功率隨電流增長(zhǎng)趨勢(shì)基本相同,但在電流達(dá)到150 A后,側(cè)面酸蝕處理的板條輸出功率不再增長(zhǎng),漸漸穩(wěn)定；側(cè)面粗磨處理的板條輸出功率仍在增長(zhǎng),增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩；側(cè)面細(xì)磨處理的板條輸出功率扔保持原來(lái)趨勢(shì)增長(zhǎng)。由此可以看出,側(cè)面細(xì)磨處理的板條可以有效抑制自發(fā)輻射。在后續(xù)的四程放大實(shí)驗(yàn)中使用側(cè)面細(xì)磨處理的板條。

圖3 單程放大輸出功率與抽運(yùn)電流的關(guān)系曲線

在四程放大實(shí)驗(yàn)中,種子源輸出激光功率約為4.5 W,種子光經(jīng)過(guò)光隔離器、光束整形裝置和平面反射鏡后進(jìn)入板條增益介質(zhì)前的功率為4 W,單程通過(guò)增益晶體功率下降至3.5 W,第二、四次通過(guò)Nd∶YAG晶體后種子光功率分別為3.2 W和2.7 W,激光每次通過(guò)板條的透過(guò)率約為90 %。抽運(yùn)電流重復(fù)頻率1 kHz、時(shí)間寬度為200 μs。圖4為種子源激光通過(guò)增益介質(zhì)單程放大、雙程放大和四程放大后輸出功率與泵浦電流的變化曲線。

圖4 激光單程、雙程和四程放大輸出功率與抽運(yùn)電流的關(guān)系

種子光經(jīng)過(guò)增益介質(zhì)進(jìn)行單程放大、雙程放大和四程放大時(shí),由于種子光輸入板條能量密度小于Nd∶YAG的飽和能量密度,屬于小信號(hào)增益,激光輸出功率隨抽運(yùn)功率增加呈指數(shù)關(guān)系增長(zhǎng)。當(dāng)泵浦電流為210 A,抽運(yùn)功率為1278 W時(shí),單程放大后輸單脈沖能量為40 mJ；雙程放大后單脈沖能量為152 mJ；四程放大后單脈沖能量為189 mJ,光光效率14.78 %。

實(shí)驗(yàn)中使用快速光電探測(cè)器和數(shù)字示波器測(cè)得四程放大后激光脈沖波形如圖5所示,四程放大后激光脈沖寬度為723 ps。

圖5 四程放大激光脈沖波形圖

將四程放大輸出的長(zhǎng)方形光斑經(jīng)過(guò)柱面鏡整形為正方形光斑,消除像散,近場(chǎng)光斑尺寸11 mm×11 mm,使用CCD接收光斑的遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度分布圖像如圖6所示。實(shí)際光束的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角θx=0.41 mrad,θy=0.45 mrad,光束質(zhì)量βx=1.7,βy=1.9。

圖6 四程放大激光光斑圖

從小信號(hào)增益系數(shù)g0的計(jì)算公式(2)可以看出,g0與許多能量轉(zhuǎn)換過(guò)程密切相關(guān),而且實(shí)際中這些能量轉(zhuǎn)換參數(shù)彼此相關(guān)又復(fù)雜,很難測(cè)出具體數(shù)值。根據(jù)實(shí)驗(yàn)中單程放大飽和輸出的能量推算出g0,進(jìn)而可以計(jì)算出雙程放大和四程放大的輸出功率進(jìn)行理論計(jì)算。實(shí)驗(yàn)中,抽運(yùn)功率達(dá)到1278 W提取能量飽和,單程放大的單脈沖能量40 mJ代入公式(1)可以得到g0l=2.4。繼續(xù)代入公式(4)、(5)、(6)可以計(jì)算出雙程放大的單脈沖能量為182 mJ,四程放大的單脈沖能量為307 mJ。圖7為實(shí)驗(yàn)中四程放大輸出功率及根據(jù)理論模型計(jì)算四程放大輸出功率與抽運(yùn)電流的關(guān)系。抽運(yùn)電流小的情況下,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果匹配較好,抽運(yùn)電流增大,兩結(jié)果之間差值變大。

圖7 實(shí)際四程放大輸出功率和理論四程放大輸出功率與抽運(yùn)電流的關(guān)系

對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果,實(shí)驗(yàn)中雙程放大和四程放大的單脈沖能量要小于理論計(jì)算的結(jié)果。一方面在計(jì)算公式中,認(rèn)為激光光束強(qiáng)度是均勻的,而在實(shí)際情況中,激光在增益介質(zhì)中傳輸時(shí)中心光強(qiáng)要強(qiáng)于周邊的光強(qiáng),光強(qiáng)大小會(huì)影響能量的提取,進(jìn)而影響輸出功率。另一方面在激光放大的過(guò)程中,放大的自發(fā)輻射(ASE)會(huì)消耗反轉(zhuǎn)粒子數(shù),影響激光受激輻射的放大輸出,采用更合理的方法減少自發(fā)輻射對(duì)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的消耗可以有效的提高系統(tǒng)的輸出功率。

5 結(jié) 論

介紹了一種高重頻大能量亞納秒板條激光放大器。該放大器采用主振蕩功率放大(MOPA)結(jié)構(gòu),將傳導(dǎo)冷卻端面泵浦板條激光放大器(CCEPS)與角度復(fù)用技術(shù)相結(jié)合,通過(guò)雙端泵浦單塊Nd∶YAG板條進(jìn)行四程放大,最終實(shí)現(xiàn)了重復(fù)頻率1 kHz、脈沖寬度720 ps、單脈沖能量189 mJ、光束質(zhì)量2倍衍射極限的亞納秒激光脈沖。