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(cè)面泵浦Nd∶YAG晶體激光器具有結(jié)構(gòu)簡單、光束質(zhì)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(jié)構(gòu)的振蕩器,是實現(xiàn)高脈沖能量固體激光器的一種重要方式[1-5]。MOPA結(jié)構(gòu)的大能量激光器通常會存在多級放大后激光光束質(zhì)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(zhì)量[6-7]。但在實際工程應(yīng)用中,采用過多的光學元件會使系統(tǒng)可靠性降低,并且會使激光器結(jié)構(gòu)更加龐大、冗雜。而單純的采用小能量、高質(zhì)量的種子源也需要在后續(xù)光路種加入預放大系統(tǒng),同樣會使得激光器系統(tǒng)更加復雜。所以,優(yōu)化泵浦結(jié)構(gòu),提高泵浦均勻性,提高大能量激光振蕩器的光束質(zhì)量,是實現(xiàn)高能脈沖激光器小型化及工程化的關(guān)鍵。

LD泵浦方式主要分為端面泵浦和側(cè)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(xiàn)高光束質(zhì)量的激光輸出,但是其泵浦光耦合系統(tǒng)比較復雜,且不容易輸出高功率激光。相較于端面泵浦,側(cè)面泵浦結(jié)構(gòu)更為簡單,具有高可靠性及緊湊性的優(yōu)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(zhì)熱效應(yīng)嚴重等問題,導致輸出激光的光束質(zhì)量變差。因此,國內(nèi)外研究人員對側(cè)面泵浦構(gòu)型的光場均勻性進行了大量的研究[8-11],通過對側(cè)面泵浦結(jié)構(gòu)、晶體摻雜濃度優(yōu)化設(shè)計,最大程度上提高泵浦的均勻性。

本文主要介紹了一種應(yīng)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(cè)面均勻泵浦Nd∶YAG晶體的泵浦結(jié)構(gòu),并結(jié)合超高斯非穩(wěn)腔結(jié)構(gòu)實現(xiàn)大能量輸出。其中,側(cè)面泵浦結(jié)構(gòu)沒有采用傳統(tǒng)的線陣或者面陣的泵浦方式,而是直接采用了bar條串聯(lián)的環(huán)形集成結(jié)構(gòu),提高了泵浦均勻性及效率。通過Zemax軟件進行側(cè)泵均勻性的仿真分析,基于仿真結(jié)果設(shè)計了20向側(cè)泵結(jié)構(gòu)的激光振蕩器,實現(xiàn)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(zhì)量優(yōu)于9 mm·mrad。并且該振蕩器可以維持光軸穩(wěn)定不變的同時,實現(xiàn)20 ns脈寬以內(nèi)能量變檔可調(diào),對激光振蕩器工程化應(yīng)用由一定意義。

2 LD側(cè)面均勻泵浦結(jié)構(gòu)仿真

側(cè)面泵浦結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定等優(yōu)點,相對與端面泵浦更具備實現(xiàn)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(xiàn)晶體內(nèi)外吸收不均勻,導致熱效應(yīng)嚴重,從而影響光束質(zhì)量。為解決泵浦不均勻?qū)е碌墓馐|(zhì)量退化等問題,采用Zemax軟件對不同側(cè)面泵浦條件下光場吸收情況進行仿真,從而為優(yōu)化激光器設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。

2.1 不同泵浦方向數(shù)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(cè)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(shù)下的吸收光場的對比圖,其中,晶體尺寸、泵浦距離、吸收系數(shù)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?？梢钥闯?隨著泵浦方向數(shù)目的增加,晶體內(nèi)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(yīng)當是由于激光二極管所發(fā)射激光的發(fā)散角是固定的,通過從多個方向入射能夠增加泵浦頭內(nèi)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(shù)下的吸收光場

2.2 不同吸收系數(shù)下的光場均勻性

在選擇激光晶體時,往往根據(jù)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(shù)差異較大,對晶體內(nèi)泵浦均勻性也有較大影響。圖2是采用20向的泵浦結(jié)構(gòu)對在不同吸收系數(shù)下的吸收光場的對比圖。由圖2可以看出,吸收系數(shù)α=4 cm-1時明顯優(yōu)于其他兩種,當激光晶體的吸收系數(shù)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(shù)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(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)當選取晶體吸收系數(shù)較小的方案,更加有利于泵浦的均勻性。

圖2 不同吸收系數(shù)下的吸收光場

3 實驗裝置

根據(jù)仿真結(jié)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(lián)的環(huán)狀結(jié)構(gòu)進行側(cè)面均勻泵浦,環(huán)狀側(cè)面泵浦結(jié)構(gòu)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(huán)狀結(jié)構(gòu),總峰值功率最高為20 kW。這種bar條串聯(lián)的環(huán)狀結(jié)構(gòu)的好處在于可以使bar條在側(cè)面進一步集成化,使泵浦光入射方向數(shù)增加,盡可能提高泵浦的均勻性。根據(jù)仿真結(jié)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(cè)面泵浦模塊截面圖

LD側(cè)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(fā)放大輻射(ASE)振蕩,Nd∶YAG晶體兩端面設(shè)計為呈1°梯形斜角的結(jié)構(gòu)。采用升壓式電光調(diào)Q的方式,采用BBO雙晶作為電光Q開關(guān),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(yīng),但是由于固有的量子損耗,在晶體中的熱效應(yīng)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(xiàn)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?？紤]到調(diào)Q后熱透鏡效應(yīng)可能會加重,在腔內(nèi)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(yīng)。

4 實驗結(jié)果

輸出耦合鏡的參數(shù)設(shè)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(guān)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(guān)系增長,并且沒有出現(xiàn)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(guān)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(cè)泵結(jié)構(gòu)設(shè)計有效。可以通過進一步提高晶體摻雜濃度優(yōu)化側(cè)泵結(jié)構(gòu)設(shè)計。也可通過對可變反射率反射鏡(Variable Reflectivity Mirrors,VRM)的膜層進行優(yōu)化設(shè)計,改善光斑形態(tài),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(zhì)量,光束質(zhì)量優(yōu)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(nèi)同類側(cè)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(lǐng)先水平,說明該環(huán)形側(cè)泵設(shè)計對效率提升存在明顯效果。使用光電探測器和數(shù)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(xù)提高泵浦光能量時,腔內(nèi)熱效應(yīng)會逐漸明顯,導致光束質(zhì)量惡化,光斑出現(xiàn)畸變。當注入泵浦光能量大于3.2 J時,熱退偏效應(yīng)會導致Q開關(guān)的工作效率下降,激光脈寬不再穩(wěn)定。

圖8 電光調(diào)Q后的單脈沖波形

為實現(xiàn)輸出激光能量變檔可調(diào),同時保證激光光軸穩(wěn)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(wěn)定的狀態(tài),光軸可以近乎保持穩(wěn)定狀態(tài)。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(xiàn)象可能是Q驅(qū)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(tài)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(wěn)定性影響很小,該激光振蕩器能夠在光軸穩(wěn)定下實現(xiàn)脈寬20 ns以內(nèi)的脈沖能量變檔可調(diào)。

圖9 激光單脈沖能量隨Q延遲變化關(guān)系

5 結(jié) 論

本文主要介紹了一種應(yīng)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(cè)面均勻泵浦Nd∶YAG晶體的泵浦結(jié)構(gòu),并結(jié)合超高斯非穩(wěn)腔結(jié)構(gòu)實現(xiàn)大能量輸出。其中,側(cè)面泵浦結(jié)構(gòu)沒有采用傳統(tǒng)的線陣或者面陣的泵浦方式,而是直接采用了bar條串聯(lián)的環(huán)形集成結(jié)構(gòu),提高了泵浦均勻性及效率。通過Zemax軟件進行側(cè)泵均勻性的仿真分析,基于仿真結(jié)果設(shè)計了20向側(cè)泵結(jié)構(gòu)的激光振蕩器,實現(xiàn)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(zhì)量優(yōu)于9 mm·mrad,并可以實現(xiàn)脈寬20 ns以內(nèi)的脈沖能量變檔可調(diào)。實驗證明了該側(cè)泵結(jié)構(gòu)可靠有效,為MOPA結(jié)構(gòu)振蕩級選取提供了一種有效的方案。