高效率基模模式匹配側(cè)面泵浦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

顏凡江 桑思晗 李夢龍 羅萍萍 馮文 鄧永濤 李旭

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高效率基模模式匹配側(cè)面泵浦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

顏凡江 桑思晗 李夢龍 羅萍萍 馮文 鄧永濤 李旭

（北京空間機(jī)電研究所，北京100094）

在星載傳導(dǎo)冷卻側(cè)面泵浦棒狀固體激光器中，由于激光晶體的側(cè)面需考慮傳導(dǎo)散熱，不能被均勻泵浦，因此，存在基模模式匹配程度不佳、吸收效率不高的問題，從而影響了光束質(zhì)量的提高。為了實(shí)現(xiàn)高光束質(zhì)量激光輸出，設(shè)計(jì)了基于光錐多次反射整形的三向泵浦結(jié)構(gòu)，綜合考慮基模高斯模式匹配程度與吸收效率，提出了泵浦質(zhì)量（quality，以下同）因子概念，對不同泵浦結(jié)構(gòu)參數(shù)下的泵浦質(zhì)量進(jìn)行了量化評價(jià)；進(jìn)而對泵浦結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了增益介質(zhì)內(nèi)泵浦光切向分布的勻化、徑向分布與基模高斯線型的匹配，以及增益介質(zhì)對泵浦光的高效率吸收；通過試驗(yàn)測定了熒光分布，并與仿真結(jié)果進(jìn)行了量化比對；在此基礎(chǔ)上，搭建了激光器的試驗(yàn)樣機(jī)，得到了光束質(zhì)量較為優(yōu)異的激光輸出，證明了該泵浦結(jié)構(gòu)對光束質(zhì)量具有較好的改善作用。

傳導(dǎo)冷卻 固體激光器 半導(dǎo)體側(cè)面泵浦 模式匹配 吸收效率 航天遙感

0 引言

自從1992年美國NASA火星觀測激光高度計(jì)MOLA（Mars Observer Laser Altimeter）首次應(yīng)用了半導(dǎo)體泵浦全固態(tài)激光器以來，多個(gè)國家相繼開展了星載固體激光器的空間應(yīng)用研究[1-3]。我國從2007年開始在相繼發(fā)射的“嫦娥一號”、“嫦娥二號”、“資源三號”等衛(wèi)星上也采用了全固態(tài)激光器的星載激光高度計(jì)[4-6]。這些空間任務(wù)中應(yīng)用最為廣泛的是側(cè)面泵浦、傳導(dǎo)冷卻的脈沖固體激光器。其中，棒狀增益介質(zhì)的側(cè)面泵浦傳導(dǎo)冷卻固體激光器能夠以較為緊湊的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)較高的脈沖能量，從而滿足衛(wèi)星平臺對于相應(yīng)指標(biāo)的嚴(yán)格要求。然而，在星載平臺應(yīng)用中，一方面，由于激光器不能采用液體制冷，棒狀激光晶體的側(cè)面就不能大面積均勻覆蓋泵浦——需要留出足夠的傳導(dǎo)散熱面積；而另一方面，遠(yuǎn)距離測距等應(yīng)用通常又需要較高的光束質(zhì)量（quality，全文同），平臺的功耗限制通常要求其具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率。這對側(cè)面泵浦的棒狀固體激光器的設(shè)計(jì)提出了較大的挑戰(zhàn)。對于該體制的激光器，光束質(zhì)量和轉(zhuǎn)換效率的設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要有兩個(gè)方面[7]：1）分立LD（Laser Diode）陣列多向泵浦使得沿晶體棒切向的吸收分布不均勻，同時(shí)由于缺少量化指標(biāo)難以最大限度優(yōu)化沿晶體棒徑向的泵浦光與基模模式的匹配，最終使得整個(gè)截面內(nèi)泵浦光與腔內(nèi)模式難以形成良好的匹配，從而使輸出光束質(zhì)量難以提升；2）泵浦光沿晶體棒的徑向傳播，其有效吸收路徑短、吸收效率不高，增加了系統(tǒng)功耗。為了解決上述問題，需要設(shè)計(jì)有效的泵浦系統(tǒng)，以獲得較好的模式匹配和較高的吸收效率。

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種應(yīng)用于傳導(dǎo)冷卻固體激光器的高效側(cè)面泵浦系統(tǒng)。首先對側(cè)面泵浦系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題進(jìn)行分解，考慮星載固體激光器的工作特點(diǎn)，對泵浦系統(tǒng)進(jìn)行了初步構(gòu)型設(shè)計(jì)。然后選取一系列結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用ZEMAX軟件的光線追跡算法對泵浦光分布進(jìn)行仿真，得到了相應(yīng)的吸收效率和模式匹配評價(jià)指標(biāo)。提出了一種兼顧這兩種指標(biāo)的泵浦質(zhì)量評價(jià)因子，選取接近其最大值對應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)作為優(yōu)化結(jié)果。最后通過試驗(yàn)測定了增益介質(zhì)內(nèi)的熒光分布特性，并將其與仿真結(jié)果進(jìn)行了定量比較，試驗(yàn)與仿真結(jié)果符合度較高，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)仿真的正確性。

1 泵浦系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

側(cè)面泵浦系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要需要考慮以下三個(gè)方面的要素：1）半導(dǎo)體激光器（LD）與增益介質(zhì)的相對位置；2）泵浦光到增益介質(zhì)的傳輸裝置；3）高效吸收以及均勻度優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

常用的LD放置方法有三向、四向、五向等[8-10]。一般來說，方向越多，增益介質(zhì)截面內(nèi)的泵浦光均勻度越好，但是會使系統(tǒng)更加復(fù)雜。泵浦光傳輸系統(tǒng)多采用光學(xué)元件或部件組成的整形系統(tǒng)，如透鏡、波導(dǎo)[11-12]，拋物面聚光鏡等[13]，通過在表面鍍膜提高泵浦光傳輸效率。若需要進(jìn)一步提高泵浦光均勻度和利用率，可以采用內(nèi)部鍍有介質(zhì)反射膜或金屬膜的泵浦腔[14-15]，或者引入特殊材料的散射結(jié)構(gòu)[16]。對于液體制冷高功率棒狀激光器來說，若能合理地采用上述方法，則可以實(shí)現(xiàn)較好的均勻泵浦，減小熱效應(yīng)，提高輸出光束的光束質(zhì)量。而對于傳導(dǎo)冷卻側(cè)面泵浦棒狀固體激光器，泵浦結(jié)構(gòu)在考慮泵浦光整形的同時(shí)也要兼顧LD和激光晶體的控溫與散熱，即泵浦光整形系統(tǒng)既需要完成泵浦光的傳導(dǎo)、整形，又要完成LD和激光晶體的散熱控溫，這使得星載側(cè)面泵浦固體激光器難以采取傳統(tǒng)方法。圖1（a）所示的結(jié)構(gòu)是根據(jù)實(shí)際需求，考慮上述問題后提出的初步構(gòu)型設(shè)計(jì)。為了簡化結(jié)構(gòu)、增加系統(tǒng)可靠性，采用了三向泵浦。增益介質(zhì)選用Nd:YAG晶體棒，直徑5mm，長度100mm。摻雜原子百分比濃度1.0。晶體兩端通過沉套進(jìn)行傳導(dǎo)散熱。整形結(jié)構(gòu)由主體材料為鋁的三個(gè)完全相同的反射錐組成。該結(jié)構(gòu)和LD（Laser Diode）陣列固定在腔體外殼上，從而實(shí)現(xiàn)對激光晶體及LD的熱傳導(dǎo)。LD陣列沿晶體棒長度方向順序放置，發(fā)射的泵浦光進(jìn)入反射錐之間的通道，經(jīng)多次反射混合均勻后注入晶體棒。泵浦光沿棒切向的吸收分布應(yīng)具有較高的均勻度，利于在整個(gè)截面內(nèi)實(shí)現(xiàn)模式匹配。通道反射面之間存在一定的夾角，使泵浦光在快軸方向（發(fā)散角較大的方向）以適當(dāng)?shù)某叽?、角度和較高的功率密度進(jìn)入增益介質(zhì)；沿通道返回的未吸收光將被分散，避免LD的光學(xué)損傷。反射錐一端加工成直徑為的圓弧（圖1（b）），使未吸收的泵浦光能夠再次通過晶體，提高吸收效率。整形結(jié)構(gòu)的所有反光表面上蒸鍍理化性質(zhì)較為穩(wěn)定的金膜，以提高反射效率。與傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)相比，該整形設(shè)計(jì)不需要復(fù)雜的支撐結(jié)構(gòu)，易于實(shí)現(xiàn)。

（a）整形結(jié)構(gòu)

（a）Optical shaping structure

（b）圓弧面附近放大圖

2 仿真驗(yàn)證與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了驗(yàn)證并優(yōu)化上述設(shè)計(jì)，采用光線追跡算法對泵浦光的傳輸情況進(jìn)行仿真，分析結(jié)構(gòu)參數(shù)和對泵浦分布和吸收效率的影響。由于LD陣列沿晶體軸向周期性排列，為了提高計(jì)算效率，仿真時(shí)只考慮單個(gè)截面內(nèi)的三組陣列。每組陣列在快軸方向由5個(gè)巴條組成，設(shè)其發(fā)射光為高斯分布，發(fā)散角（半高全寬）為35°；偏振方向?yàn)檠芈S向（發(fā)散角較小的方向），發(fā)散角（半高全寬）為10°。通道壁表面金膜的反射率取94%。在晶體內(nèi)部，泵浦光的吸收遵循Lambert-Beer定律，發(fā)射功率不影響泵浦分布，計(jì)算中每個(gè)LD陣列的發(fā)射功率取250W。為了保證足夠高的計(jì)算精度，每組LD陣列分配4×105條分析光線。Nd:YAG晶體棒吸收系數(shù)取3.5 cm–1[16]。

首先研究反射通道夾角對泵浦分布的影響。圖2（a）為=10°，=6mm時(shí)，泵浦光到達(dá)晶體側(cè)面時(shí)的泵浦光功率密度二維分布。由于通道的多次反射，泵浦光在快軸方向分布接近平頂（圖2（b））。雖然慢軸方向的LD發(fā)光點(diǎn)之間有一定距離，但是光束在傳播一段距離后發(fā)散并產(chǎn)生疊加，在中心區(qū)域呈近平頂分布（圖2（c））。表1列出了取一組不同值時(shí)，對應(yīng)反射通道的傳輸效率t（出反射通道的泵浦光功率密度與進(jìn)入反射通道的泵浦光功率密度之比）和快軸方向均勻度（快軸光功率密度分布曲線的最小值與最大值之比）的大小。由于泵浦光在較小時(shí)經(jīng)歷更少的反射次數(shù)即可到達(dá)晶體表面，所以在=10°時(shí)，傳輸效率t最大；側(cè)面均勻度相差不大，都超過了70%，在=15°時(shí)達(dá)到最大值。

圖3是泵浦光進(jìn)入晶體后，內(nèi)部的光功率分布。仿真結(jié)果顯示，在晶體棒的整個(gè)截面內(nèi)，泵浦光沿徑向基本呈中心高邊緣低的分布，與設(shè)計(jì)相符。隨著夾角增大，泵浦光對晶體棒的覆蓋降低，中心強(qiáng)度減小，形狀偏離設(shè)計(jì)目標(biāo)。

（a）泵浦光功率密度二維分布

（a）Two-dimensional distribution of pump light power density

（b）快軸方向

（b）Along the fast axis direction

（c）慢軸方向

表1=6mm時(shí)結(jié)構(gòu)傳輸效率和泵浦光快軸方向均勻度

Tab.1 φ=6mm,transmission efficiency and the uniformity of pump light in fast axis direction

為了定量描述泵浦光分布與基模模式的匹配程度，將泵浦光在晶體棒截面內(nèi)的分布進(jìn)行歸一化后與基模高斯線型函數(shù)做最小二乘擬合，得到兩者的MSSE（最小誤差平方和）?？紤]到晶體棒的尺寸限制，設(shè)定模式半徑不大于2.5 mm。圖4是=10°時(shí)歸一化后的泵浦光分布與基模高斯線型函數(shù)的最小二乘擬合結(jié)果，即兩種分布下激光晶體內(nèi)部各點(diǎn)泵浦光相對強(qiáng)度（相對強(qiáng)度為激光晶體內(nèi)各點(diǎn)泵浦光功率與最大泵浦光功率的比值）及其相互對比。對棒內(nèi)部所有點(diǎn)的吸收功率求和，不考慮通道對泵浦光的損耗，可以得到吸收效率a。各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果共同列于表2中。對比可以發(fā)現(xiàn)MSSE與a隨通道夾角的變化規(guī)律一致，在夾角為10°時(shí)，MSSE最小。由于晶體邊緣吸收泵浦光不為零，所以擬合得到的模式半徑都為2.5 mm。對比表1數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)吸收效率相對角度的變化規(guī)律（表1）與傳輸效率相對角度的變化規(guī)律（表2）也是一致的，但是吸收效率的變化幅度更大，這說明通道夾角的大小不僅僅決定了可吸收功率。當(dāng)較大時(shí)，到達(dá)晶體表面的泵浦光具有較大的入射角。根據(jù)菲涅爾公式，此時(shí)透射系數(shù)較小，進(jìn)入晶體的泵浦光變少，導(dǎo)致吸收效率下降。

（a）=10°

（b）=15°

（c）=20°

（d）=25°

圖3=6mm時(shí)晶體棒截面內(nèi)吸收泵浦光功率分布

Fig.3=6mm, power distribution of absorbed pump light in cross section of crystal rod

采用相同的方法能夠得到圓弧直徑為5.5mm和6.5mm時(shí)的結(jié)果（見表3)。與表2對比可以發(fā)現(xiàn)，在相同時(shí)，雖然=6mm時(shí)吸收效率較高，但最小誤差平方和較大。為了實(shí)現(xiàn)吸收效率和模式匹配的兼顧，提出一種綜合評價(jià)指標(biāo)泵浦質(zhì)量因子，

式中a和g分別為關(guān)注傳輸效率和關(guān)注光束質(zhì)量的權(quán)重因子；g為高斯線型符合率，定義為

式中 SSE代表=0時(shí)的誤差平方和；g表征了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下，泵浦光與高斯線型的相對符合程度，取值范圍在（0，1）區(qū)間內(nèi)。值的大小表征了泵浦質(zhì)量的高低，值越接近1，泵浦質(zhì)量越高。實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)對激光光束質(zhì)量與光光轉(zhuǎn)換效率的指標(biāo)分配情況，為吸收效率和高斯線型符合率分配適當(dāng)?shù)臋?quán)重。本文中，根據(jù)指標(biāo)分配情況，兩個(gè)參數(shù)權(quán)重相同，都取0.5。據(jù)此，計(jì)算=6mm時(shí)，不同角度下的泵浦質(zhì)量因子如表3所示。

（a）吸收泵浦光相對強(qiáng)度分布

（a）Relative intensity distribution of absorbed pump light

（b）擬合得到的高斯基模相對強(qiáng)度分布

（b）Relative intensity distribution of the fitting Gaussian fundamental mode

（c）兩者比較（剖面上的黑色輪廓線表示水平和豎直方向的分布）

表2=6mm時(shí)得到的吸收效率和高斯擬合結(jié)果

Tab.2 φ=6mm,absorption efficiency and Gaussian fitting results

表3=6mm時(shí)，不同參數(shù)對應(yīng)的泵浦質(zhì)量因子

Tab.3 φ=6mm,the pump quality factors of different parameters

同理，計(jì)算晶體棒直徑為5.5mm以及6.5mm時(shí)，不同角度下的擬合結(jié)構(gòu)及質(zhì)量因子，如表4所示。

表4=5.5mm，6.5mm時(shí)，不同參數(shù)對應(yīng)的泵浦質(zhì)量因子

Tab.4 φ=5.5mm and 6.5mm,the pump quality factors of different parameters

對比可以發(fā)現(xiàn)，采用較小的夾角能夠?qū)崿F(xiàn)較高的泵浦質(zhì)量。最大值為0.836，對應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)為=5.5mm，=10°，此時(shí)吸收效率為72%，高斯線型符合度達(dá)到了最高值95.19%。但在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，由于安裝和加工因素限制，通道夾角須在10°以上。經(jīng)過進(jìn)一步篩選，該范圍內(nèi)的最高泵浦質(zhì)量因子為0.812，因此選取=6mm，=15°作為最終結(jié)構(gòu)參數(shù)，此時(shí)吸收效率為71.47%，與72%很接近，且普遍高于能夠查到的具有明確數(shù)值的文獻(xiàn)中的報(bào)道[17-18]，高斯線型符合率達(dá)到了90.88%。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證與討論

根據(jù)上述選取的結(jié)構(gòu)參數(shù)，開展了泵浦光熒光分布特性測試試驗(yàn)。在腔內(nèi)無激光振蕩時(shí)，介質(zhì)內(nèi)部的增益分布由泵浦強(qiáng)度分布所決定。泵浦越強(qiáng)的區(qū)域增益越強(qiáng)，熒光發(fā)射也就越強(qiáng)。因此測量熒光分布是一種直觀地驗(yàn)證泵浦光分布的方法。試驗(yàn)中使用的LD陣列和晶體棒的參數(shù)與仿真時(shí)相同，泵浦模塊溫度控制在21℃±0.5℃，泵浦電流為70A。系統(tǒng)安裝時(shí)結(jié)構(gòu)與相對豎直方向存在15°的夾角。通過一臺4倍的成像系統(tǒng)，將晶體內(nèi)部熒光分布成像到CCD焦面上，獲取的熒光圖像如圖5所示。

圖5 晶體棒內(nèi)部熒光成像結(jié)果

Fig.5The fluorescence imaging results in crystal rod

將實(shí)際測試熒光分布與仿真結(jié)果同時(shí)歸一化后，在水平及豎直兩個(gè)方向進(jìn)行定量比較（圖6）。可以發(fā)現(xiàn)，在中心2mm直徑范圍內(nèi)，仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)在水平方向上比較接近，兩者的最大偏差為8%；但豎直方向的強(qiáng)度中心偏離了幾何中心，使得最大偏差達(dá)到了12%。經(jīng)分析主要原因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)加工以及安裝環(huán)節(jié)產(chǎn)生的誤差，以及各個(gè)LD陣列的發(fā)射譜不完全相同所致。在棒邊緣附近，兩者的最大偏差超過了20%，試驗(yàn)結(jié)果分布更平緩、均勻，產(chǎn)生這種結(jié)果的主要原因?yàn)榫w側(cè)面打毛對泵浦光的散射作用導(dǎo)致，因此，結(jié)果較為合理，驗(yàn)證了泵浦光徑向分布仿真結(jié)果的正確性。對兩個(gè)方向上，兩條曲線偏差進(jìn)行平均，實(shí)測熒光分布的各點(diǎn)強(qiáng)度與仿真結(jié)果平均偏差小于10%，總體來看，偏差在可接受范圍內(nèi)，這一結(jié)果驗(yàn)證了仿真的合理性。

圖6 實(shí)測熒光分布與仿真結(jié)果的量化比較

在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并搭建了虛共焦非穩(wěn)諧振腔的試驗(yàn)驗(yàn)證激光器，對輸出激光的光束質(zhì)量進(jìn)行了測試，在注入能量為1.8J時(shí)，輸出激光能量為104mJ，脈沖寬度6.1ns，束腰直徑4.0mm，發(fā)散角1.03mrad，光束質(zhì)量因子2約為3.0。相對于目前在軌運(yùn)行的主流固體激光器光束質(zhì)量指標(biāo)（2為8~10），有了大幅提升。發(fā)散角測試中，CCD焦面處光斑如圖7所示。

圖7 CCD焦面處光斑

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種適用于星載傳導(dǎo)冷卻固體激光器的泵浦系統(tǒng)，其整形結(jié)構(gòu)能同時(shí)完成泵浦光的高效傳輸和勻化，在增益介質(zhì)截面內(nèi)形成中心高邊緣低的泵浦強(qiáng)度二維分布。對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的泵浦分布進(jìn)行了仿真，得到了傳輸效率、快軸方向均勻度、吸收效率、高斯擬合最小誤差平方和、吸收效率等指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果。根據(jù)實(shí)際需要提出了一種兼顧模式匹配和吸收效率的泵浦質(zhì)量評價(jià)參數(shù)——泵浦質(zhì)量因子，以此來確定最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的優(yōu)化。選取接近最高泵浦質(zhì)量因子對應(yīng)的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了晶體內(nèi)熒光分布特性的測試，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相符；同時(shí)搭建了諧振腔，得到了光束質(zhì)量較為優(yōu)異的激光輸出，驗(yàn)證了泵浦結(jié)構(gòu)對光束質(zhì)量的改善作用。對于星載固體激光器的泵浦設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

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（編輯：夏淑密）

Design and Experimental Study of High Efficiency Fundamental-mode Matching Side Pump Structure

YAN Fanjiang SANG Sihan LI Menglong LUO Pingping FENG Wen DENG Yongtao LI Xu

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity，Beijing 100094, China）

In the space-borne conductive cooling side-pumped rod solid state laser, the side of crystal need thermal conduction, therefore, the problems resulted from this poor such as base mode matching and low absorption efficiency restrict the improvement of beam quality. In order to achieved high beam quality laser output, three-dimensional pump structure is designed based on multiple reflection light cone. Based on base Gaussian mode matching degree and absorption efficiency, a factor of pump quality is proposed, to optimize pump structure parameter achieved uniform distribution in tangential direction of pump light, good matching between pump light and fundamental-mode line style in radial direction, and high efficiency absorption in gain media. Fluorescence distribution is determined by experiment. The experiment result verify the design and simulation. On this basis, an experimental prototype of laser is built, and get an excellent beam quality of laser output, proving that the pump structure has improved the beam quality a lot.

conduction cooled; solid state laser; diode side pump; mode matching; absorption efficiency; space remote sensing

TN24

A

1009-8518(2017)02-0055-09

10.3969/j.issn.1009-8518.2017.02.008

2017-01-16

顏凡江，男，1983年生，2009年畢業(yè)于北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院，工程師。研究方向?yàn)樾禽d全固態(tài)激光器技術(shù)。E-mail：yanfj508@163.com。