二极管叠阵侧面折返泵浦多边形薄片激光器*

陈巧 邱基斯 张旭 葛文琦 刘悦亮 刘昊 王昊成

1) (中国科学院空天信息创新研究院, 北京 100094)

2) (中国科学院大学光电学院, 北京 100049)

3) (中国科学院物理研究所, 北京 100190)

4) (中国科学院大学物理科学学院, 北京 100049)

本文报导了一种二极管叠阵侧面折返泵浦的多边形薄片Nd:YAG激光器, 通过对其增益特性和光学特性的优化, 得到了泵浦光耦合效率为97%, 增益介质吸收效率达87%, 增益介质内泵浦吸收分布均匀性为3.21% (root mean square, RMS)的结果.实验测得与模拟数据吻合较好的增益介质荧光分布.在泵浦能量为2.2 J时, 获得了能量0.85 J的激光输出, 光-光效率达38.8%, 斜效率为40.1%.在1 Hz～100 Hz的频率范围内输出能量保持稳定，在重复频率1 Hz时测得单脉冲能量稳定性为2.7%(RMS), 在稳腔下测得激光衍射极限倍数β约为10.

1 引 言

高平均功率全固态激光器是当前国际激光技术领域的主要研究方向之一, 在空间探测、国防、精密加工等领域有重大应用[1].高平均功率固体激光器中的热效应问题主要是由增益介质泵浦过程引起的[2].传统棒状、板条结构固体激光器的热管理性能较差, 导致热沉积, 进而产生热透镜效应、热致双折射和热应力损伤, 这些热效应造成了激光的波前畸变, 影响了激光的光束质量, 限制了激光功率的进一步提升[3,4].1994年, 德国航空航天研究院技术物理所的研究人员Giesen等[5]提出薄片激光器概念, 薄片作为一种大口径/厚度比的增益介质构型, 能够减小高泵浦功率产生的热沉积, 大大减弱温度梯度带来的波前畸变, 实现较好的激光光束质量[6,7].

2004年德国Trumpf-Laser公司[8]采用多通耦合结构泵浦单个Yb:YAG薄片, 获得5.3 kW的连续激光输出, 光-光效率达到65%.2009年美国Boeing公司[9]报道了10个Yb:YAG薄片串接的激光器, 实现了超过25 kW的连续输出, 斜效率接近70%, 这是有报道的最大功率的薄片激光器.2013年, 清华大学柳强教授课题组10]研制了大口径(50 mm × 30 mm × 5 mm) Nd:YAG薄片激光器, 该薄片激光器采用端面泵浦的方式, 实现峰值功率为1346 W的激光输出, 激光的近场均匀.2016年, 德国Stuttgart大学报道了采用端面多通泵浦薄片介质的方式, 在泵浦功率为1.7 kW时,得到了635 W的激光输出, 单脉冲能量为2.1 mJ,光束质量 M2为2.3[11].2017年中国工程物理研究院[12]报道了大口径( ϕ 60 mm × 2 mm)高质量Nd:YAG透明陶瓷薄片激光器, 激光器在重频500 Hz时最大输出功率为2052 W.

从以上国内外研究现状可以看出, 增益介质选用薄片结构是减小热效应、提高光束质量的有效途径之一.国外薄片激光器的增益介质材料多采用Yb:YAG, 因其具有高量子效率和低热效应的优势.但Yb:YAG晶体阈值高、增益小、自吸收效应严重, 为保证泵浦光被薄片介质完全吸收, 通常需要采用非常复杂的多通耦合结构或键合结构来增加泵浦吸收路径[13].本文采用Nd:YAG薄片作为激光增益介质, 通过侧面折返泵浦的方式降低泵浦耦合结构的系统复杂度[14].

薄片激光器常见的泵浦方式为端面泵浦和侧面泵浦两种[15], 与端面泵浦方式相比, 侧面泵浦方式为泵浦光提供了一个较长的吸收路径[16], 可降低晶体的掺杂浓度, 在一定程度上可解决大吸收截面晶体自淬灭效应的影响.日本Dascalu等人人[17]、清华大学柳强课题组[18,19]、伊斯兰自由大学[20]等报道了侧面边缘泵浦复合薄片结构的激光器,掺杂的Yb:YAG晶体与未掺杂的YAG晶体键合,泵浦光从薄片边缘进入晶体, 泵浦面被切成一定角度, 泵浦光在晶体中沿折返光路传输, 多次经过增益介质, 储能呈近似高斯分布.Grigore等[21]研制的Nd:YAG/YAG复合介质薄片激光器采用平凹镜构型, 在2 Hz重复频率下的斜效率为31%.

本文报道了采用激光二极管叠阵(laser diode array, LDA)侧面泵浦一定厚度的非键合薄片Nd:YAG所得到的实验结果.我们在分析泵浦光在增益介质中的分布和吸收情况及测量多边形Nd:YAG薄片增益介质荧光分布的基础上, 实现了薄片激光器的准连续输出, 斜效率为40.1%, 激光脉冲的能量稳定性为2.7%(RMS), 输出光束衍射极限倍数 β约为10.

2 侧面折返泵浦多边形薄片泵浦吸收均匀性模拟分析

2.1 激光器系统结构

我们设计采用的LDA侧面折返泵浦多边形薄片激光器的结构如图1所示, 增益介质为正五边形Nd:YAG薄片晶体.为方便观察, 下方主图部分仅给出一个方向的泵浦耦合结构, 图1(a)为五边旋转对称泵浦结构俯视图.多边形Nd:YAG晶体的侧面为泵浦光入射面, 呈梯形, 与端面成45°.泵浦光正入射晶体侧面, 如图1(b)所示.晶体前端面为激光输出面, 镀激光波长的增透膜.晶体后端面与散热结构相连, 镀激光波长高反膜.

图1 侧面泵浦多边形薄片激光器结构示意图 (a)结构俯视图; (b)局部放大图Fig.1.Schematic diagram of side-pumped polygonal thindisk laser structure: (a) Top view of the structure; (b) partial enlarged view.

单个LDA包含6个巴条, 单个巴条上有23个发光点, 单条激光二极管快轴发散角大, 需要采用快轴准直器(fast axis collimator, FAC)将发散角压缩至近平行, 准直后的快轴发散角 ≤ 0.5°.泵浦源发光面积较大约为10 mm × 10 mm, 需要通过缩束耦合结构将其压缩至与多边形薄片侧面(入射面)尺寸匹配.通过计算追迹光线, 泵浦光经耦合结构到达泵浦面时的光斑尺寸约为12.6 mm ×1.6 mm, 传输效率约为97.5%, 实际测量得到的传输耦合效率为97%.

2.2 增益介质内泵浦光吸收分布特性

储能的平顶分布, 可以降低激光对薄片介质的损伤几率, 意味着激光输出的功率可以大幅提高.同时, 薄片增益介质的泵浦光吸收分布直接影响到介质内部的热分布, 因此均匀的泵浦光吸收分布可以有效减小薄片增益介质温度梯度, 从而降低晶体热效应, 提高激光光束质量.

泵浦光通过缩束耦合结构由晶体侧面入射, 在介质内部符合全内反射条件, 以折返光路传输, 在传输过程中泵浦光被Nd:YAG介质吸收.以折返方式传输的泵浦光在增益介质厚度方向交叠, 从而保证厚度方向上均匀的吸收.多个方向入射的泵浦光在介质中心区域交叠, 这种泵浦方式能够有效地提高增益介质内泵浦光吸收分布的均匀性.侧面切角的非对称泵浦五边形构型有助于降低薄片晶体内寄生振荡.

增益介质内泵浦光的吸收可由(1)式表示

其中, α 为介质对特定波长的吸收系数, l 为泵浦光在介质内部传输的光程, I0为入射光强, I 为传输 l距离后光强.

单个LDA的平均输出功率为P0, 泵浦总功率Ptotal=5P0.增益介质内各点吸收的泵浦光强度分布用矩阵 [ Ixy] 表示.增益介质吸收泵浦总功率为Pabs. [ Ixy] 、 Pabs可表示为:

5个方向入射的泵浦光在薄片内被吸收, 定义五边形结构前端面内切圆范围内吸收的泵浦光功率为有效泵浦功率, 表示为 Pa-eff.其中五边形晶体前端面内切圆 ϕ 的半径为 R , 则有效泵浦功率可表示为:

有效泵浦效率 ηa-eff为有效泵浦功率占泵浦总功率的比值

泵浦均匀性定义为内切圆区域内各点被吸收泵浦光强的均方根RMS值[10]

五边形Nd:YAG薄片增益介质的内切圆直径为16 mm, 厚度1.5 mm, 掺杂浓度0.3%(原子分数), 基于Zemax光学设计软件建模计算得出泵浦光在增益介质内分布, 如图2所示.有效泵浦效率ηa-eff=65.1% , 均匀性RMS为3.12%, 这说明泵浦光强度是均匀分布的.

图2 晶体内被吸收的泵浦光强的二维和三维分布Fig.2.2-D and 3-D distributions of the absorbed pump laser in the crystal.

2.3 增益介质荧光分布

五边形Nd:YAG薄片增益介质的荧光分布如图3所示, 可见多边形增益介质内泵浦光分布均匀, 与仿真结果吻合.

图3 增益介质内荧光分布Fig.3.Fluorescence distribution in disk.

从图3可以看出增益介质中心区域(内接圆R = 16 mm范围内)荧光分布呈近平顶分布, 这表明侧面折返泵浦多边形薄片晶体可以实现增益介质内储能的平顶分布.储能的平顶分布, 降低了激光对薄片介质的损伤几率, 同时也意味着可以有效降低增益介质热效应, 激光输出功率可以大幅增高.

3 实验系统及测量结果

薄片激光器实验装置如图4所示, 5个LDA均匀分布在五边形增益介质周围, 增益介质前后端面分别镀有1064 nm增透膜和1064 nm高反膜.增益介质后端面经金属化后通过铟焊接在微通道水冷的热沉组件上.二极管叠阵热沉和增益介质热沉分别通过冷却循环水机控制温度.

图4 薄片激光器实验装置图Fig.4.Experiment setup of thin disk laser.

实验中薄片激光器采用平凹腔, 薄片晶体后端面作为平面反射腔镜, 激光输出耦合镜为凹面镜,曲率半径为1.5 m.二极管叠阵工作频率100 Hz,脉宽250 µs, 图5给出了不同输出耦合镜透射率下, 输出能量随泵浦能量的变化趋势.在相同泵浦能量下, 随着输出镜透射率的增加, 激光振荡阈值增加, 输出能量下降.在输出镜透射率不变的情况下, 随着泵浦能量增加, 激光输出能量增加.在输出耦合镜透射率T = 3%时, 当泵浦能量达到2.2 J,最大输出能量为0.85 J, 此时斜效率为40.1%.当前输出条件下输出能量曲线没有明显饱和趋势, 还可进一步增加二极管激光器叠阵数量, 提高介质储能.这也证明了泵浦光的均匀分布可以有效降低增益介质热效应, 在较高的泵浦能量下仍能保持很高的光-光效率.通过CCD得到的激光束的强度分布如图6所示, 呈均匀的近平顶分布, 在稳腔下测得激光衍射极限倍数 β 约为10.

图5 不同输出耦合镜透射率下输出能量随泵浦能量的变化关系Fig.5.Output energy vs pump energy under different transmittance of output coupling mirror.

图6 激光器输出光斑Fig.6.Output laser beam.

图7 给出了脉冲重复频率对输出的影响, 当注入泵浦单脉冲能量为2.2 J, 重复频率为1 Hz时,输出能量为0.89 J, 输出能量在重复频率为100 Hz时输出能量略有下降, 降为0.85 J, 这是因为在高重复频率下由于晶体底部热沉的冷却能力有限, 晶体内产生的热效应导致稳定腔偏离稳定区域, 从而导致激光输出功率的下降.

图7 不同脉冲重复频率下薄片激光器输出能量Fig.7.Output energy of thin disk laser under different pulse repetition rates.

在重复频率为1 Hz, 泵浦能量为2.2 J时, 激光器输出能量测试结果如图8所示, 输出能量稳定性为2.7%(RMS).实验结果证明Nd:YAG薄片激光器具有良好的能量稳定性.

4 结 论

本文对二极管叠阵侧面折返泵浦多边形Nd:YAG薄片激光器进行了理论和实验研究.在保证储能均匀分布的条件下, 研制了前端面内切圆半径16 mm的多边形薄片激光器.在100 Hz重复频率下, 当泵浦能量为2.2 J时, 获得0.85 J的激光输出, 光-光效率达38.8%, 斜效率为40.1%, 在1 Hz～100 Hz频率范围内输出能量保持稳定，在重复频率1 Hz条件下测得单脉冲能量稳定性为2.7%(RMS).稳定，在重复频率1 Hz在稳腔下测得激光衍射极限倍数β约为10.