多波長半導(dǎo)體激光陣列端泵Nd∶YAG脈沖激光器

彭 超, 劉學(xué)勝*, 司漢英 , 董 劍, 曹明真, 劉友強(qiáng), 王智勇

(1. 北京工業(yè)大學(xué) 激光工程研究院， 北京 100022；2. 中國電子科技集團(tuán)第五十三研究所， 遼寧 錦州 121000)

1 引 言

激光二極管(Laser diode，LD)端面泵浦小體積高能量全固態(tài)激光器由于具備重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、功耗低、輸出能量大等優(yōu)點(diǎn)，在激光雷達(dá)、激光測距、激光制導(dǎo)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但是，激光二極管作為泵浦源，其發(fā)射波長隨著工作溫度的升高而發(fā)生紅移，其變化量通常為0.2～0.4nm/℃，溫漂將導(dǎo)致LD的發(fā)射譜線與Nd∶YAG的吸收譜線失配，增益介質(zhì)的吸收系數(shù)降低，激光器的輸出效率急劇的降低，一般會采取復(fù)雜的溫控系統(tǒng)對激光器進(jìn)行制冷[1-9]，溫控系統(tǒng)增加系統(tǒng)的體積與功耗，不能滿足無人駕駛、激光測距、激光雷達(dá)等特殊應(yīng)用對激光器的小型化的要求。因此，拓展激光器穩(wěn)定工作的溫度范圍，精簡激光器的溫控散熱系統(tǒng)，已成為小型化全固態(tài)激光器設(shè)計(jì)與工程化的關(guān)鍵問題。

多波長LD泵浦技術(shù)的原理是通過拓展LD的譜線數(shù)量，使得在寬溫度范圍內(nèi)，總有泵浦光能被工作物質(zhì)吸收，該系統(tǒng)有利于降低溫控系統(tǒng)的壓力，減小激光器的體積與功耗，同時保證激光器的高能量輸出。至今為止，國內(nèi)外關(guān)于多波長LD泵浦全固態(tài)激光器的研究還很少見。2007年，美國海軍夜視與電子傳感指揮部的Lew Goldberg等首次采用360mJ的3-λ半導(dǎo)體堆棧通過透鏡導(dǎo)管耦合系統(tǒng)泵浦端面口徑5mm×5mm×20mm的Nd∶YAG晶體得到輸出能量50mJ的1064nm激光輸出，脈寬為25～30ns[10]。2013年，長春理工大學(xué)孫建楠等采用在工作溫度分別為23，24，25，26，27℃時中心波長為808.3nm的5-λ半導(dǎo)體堆棧側(cè)面泵浦長度為22mm的Nd∶YAG晶體，在重頻20Hz、溫控精度1.5℃的條件下，得到了74mJ能量的激光輸出，工作環(huán)境溫度為-40～50℃[11]，該實(shí)驗(yàn)雖然采用了多波長LD作為泵浦源得到了高能量的激光輸出，但是未對免溫控下的激光器的輸出特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。2016年，武漢軍械士官學(xué)校的劉旭等以LD的光譜特性、溫漂特性與Nd∶YAG晶體的吸收特性為基礎(chǔ)，提出了一種激光器免溫控泵浦源的多波長選擇理論，為寬溫度范圍激光器免溫控工作提供了新思路[12-15]。

本文設(shè)計(jì)了一款4-λ多波長激光二極管陣列(Laser diode array，LDA)端面泵浦φ6mm×60mm的Nd∶YAG晶體的電光調(diào)Q激光器，未對激光器采取任何溫控措施，在LDA泵浦能量676mJ、重復(fù)頻率10Hz、環(huán)境溫度25℃的條件下，最高輸出能量為74.4mJ，脈寬為15ns，光光轉(zhuǎn)換效率為11%。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

2.1 多波長泵浦方案

本文所選用的泵浦源為4-λ的準(zhǔn)連續(xù)激光二極管陣列，由20條LD封裝構(gòu)成，發(fā)光區(qū)域尺寸為10mm×7.6mm，bar條之間節(jié)距為0.38mm。LD的輸出峰值功率為200W/bar，最大輸入電流為205A/bar，輸入電壓為2V/bar，溫漂系數(shù)為0.26nm/bar，光束發(fā)散角為8°×36°。波長變化范圍為790～820nm，LD額定中心波長為799.5，804.4，809，812.7nm(在25℃)。4種波長以806nm為基準(zhǔn)波長在其兩側(cè)對稱分布，每種波長具有5-bars。圖1為在780～825nm的變化范圍內(nèi)摻雜摩爾分?jǐn)?shù)為1%的Nd∶YAG晶體的吸收系數(shù)隨波長的變化曲線圖。由圖可知，摻雜摩爾分?jǐn)?shù)為1%的Nd∶YAG晶體對780～825nm范圍內(nèi)的泵浦光存在多個吸收峰，中心波長為795，805，808.3nm的Nd∶YAG吸收峰要強(qiáng)于其他吸收峰的吸收效率，且對808.3nm附近的泵浦光吸收系數(shù)最高，吸收帶寬為2nm，上能級壽命一般是230μs。

圖1 1%Nd∶YAG晶體的吸收光譜

為了準(zhǔn)確確定LDA的輸出波長，采用光纖光譜儀對LDA在25,35,45,55℃的中心波長進(jìn)行測定[16-18]，如圖2所示。當(dāng)LDA的工作溫度為25℃時，LDA輸出光譜的中心波長為801.8，804，808.5，811.7nm。當(dāng)LDA的工作溫度為35℃時，LDA輸出光譜的中心波長為802.3，805.7，809，812.3nm。當(dāng)LDA的工作溫度為45℃時，LDA輸出光譜的中心波長為804.5，811.6，814.5，818nm。當(dāng)LDA的工作溫度達(dá)到55℃時，LDA的輸出激光的波長在810～830nm的范圍內(nèi)無序分布，主輸出波長為811，817，820.2，823.3nm，并伴隨強(qiáng)烈的寄生波長輸出，如813.5，808.4nm，這是由于LD波導(dǎo)內(nèi)存在巨大的熱損耗，LDA產(chǎn)生了劇烈的寄生振蕩。

圖2多波長LDA的發(fā)射波長隨溫度的變化曲線圖。(a)25℃；(b)35℃；(c)45℃；(d)55℃。

Fig.2Muti-color pump-diode wavelengthversustemperature. (a)25℃. (b)35℃. (c)45℃. (d)55℃.

采用的多波長LDA泵浦源出射的各中心波長的泵浦光在1%Nd∶YAG中的吸收系數(shù)如表1所示。LDA的4種中心波長的LD按照1∶1∶1∶1配比。當(dāng)泵浦源工作溫度在25,35,45,55℃時，Nd∶YAG晶體對泵浦光的吸收系數(shù)分別為0.33，0.24，0.188，0.165mm-1。

表1Nd∶YAG的吸收系數(shù)隨泵浦波長的變化

Tab.1 Absorption coefficient of Nd∶YAG as pump wavelength

波長/nm吸收系數(shù)/cm-1波長/nm吸收系數(shù)/cm-1801．81804．54．18043811．61．4808．58814．50．9811．71．28181．1802．30．98111．3805．738171．88094820．21．6812．31．7823．31．9

Nd∶YAG晶體對多波長LDA泵浦源的吸收系數(shù)會比單一中心波長808.3 nm泵浦源小，Nd∶YAG晶體對不同工作溫度下多波長LDA的吸收系數(shù)相差不大，采用多波長LDA作為泵浦源雖然犧牲了增益介質(zhì)泵浦光的吸收系數(shù)，但是卻能減緩在寬的溫度范圍內(nèi)激光器輸出功率的下降速度。因此，為了保證各工作溫度下Nd∶YAG晶體都能對泵浦光保持很高的吸收效率，應(yīng)采用長吸收距離的增益介質(zhì)。

2.2 多波長LDA泵浦電光調(diào)Q激光器的實(shí)驗(yàn)方案

多波長LDA端面抽運(yùn)Nd∶YAG電光調(diào)Q激光器實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，本實(shí)驗(yàn)采用直腔式結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)裝置由多波長LDA、Nd∶YAG晶體、透鏡導(dǎo)管耦合系統(tǒng)、諧振腔、電光調(diào)Q開關(guān)組成。

圖3 多波長LDA泵浦Nd∶YAG全固態(tài)激光器的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

Fig.3 Experimental device of muti-color LDA pumped Nd∶YAG all-solid-state laser

LDA固定于紫銅支架上，并使用導(dǎo)熱硅脂與一個15 W的風(fēng)扇改善其散熱性能。額定輸出峰值功率4 000 W的LDA采用一個40 V的外接直流電源驅(qū)動，電源的工作頻率在1～20 Hz連續(xù)可調(diào)。為了減小快軸方向的發(fā)散角，在LDA表面安裝快軸準(zhǔn)直鏡對快軸發(fā)散角進(jìn)行壓縮，再通過透鏡導(dǎo)管對泵浦光束進(jìn)行傳輸與壓縮，將泵浦光束尺寸壓縮至3.5 mm×3.5 mm。整個耦合系統(tǒng)的耦合效率為58%，透鏡導(dǎo)管輸出光束的快慢軸發(fā)散角為27.8°×12.8°。透鏡導(dǎo)管的泵浦光輸入面與輸出面未鍍減反射膜，泵浦光束在傳輸?shù)倪^程中損耗比較嚴(yán)重，導(dǎo)致透鏡導(dǎo)管耦合系統(tǒng)的光束傳輸效率不高。由于透鏡導(dǎo)管的輸出光束的發(fā)散角比較大，透鏡導(dǎo)管貼近泵浦Nd∶YAG晶體。Nd∶YAG晶體的尺寸為φ6 mm×60 mm，摻雜摩爾分?jǐn)?shù)為1%，選用長吸收距離的增益介質(zhì)使多波長泵浦光被充分吸收，晶體的前表面鍍有雙色膜，透過率大于95.5%的790～830 nm增透介質(zhì)膜與反射率大于99.8%的1 064 nm全反介質(zhì)膜，后表面鍍有1 064 nm的增透介質(zhì)膜，晶體的前表面與輸出耦合鏡(OC)組成平行平面腔，腔長為132 mm。調(diào)Q晶體是由兩塊沿通光方向正交的RTP晶體封裝組成，采用雙晶體結(jié)構(gòu)抵消了RTP晶體自然雙折射產(chǎn)生的相位差。兩塊RTP晶體的通光孔徑為7.7 mm×7.7 mm×10 mm，整個調(diào)Q開關(guān)的物理長度為25 mm，與λ/4波片(QWP)、線偏振片共同實(shí)現(xiàn)電光調(diào)Q。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

首先進(jìn)行1 064 nm激光輸出的自由振蕩實(shí)驗(yàn)，在輸出鏡透過率T=45%、泵浦脈沖寬度為200 μs、環(huán)境溫度25 ℃的條件下，自由振蕩輸出能量隨泵浦電流的變化，如圖4所示。采用透鏡導(dǎo)管耦合系統(tǒng)的激光器自由振蕩輸出的能量隨泵浦電流的升高而上升，當(dāng)電流達(dá)到200 A時，輸出能量達(dá)到最高的174 mJ，激光器的最高輸出能量隨著重復(fù)頻率的升高而減小，這是由于隨著頻率的上升，晶體內(nèi)的熱透鏡效應(yīng)越來越嚴(yán)重，導(dǎo)致輸出能量減小。在同一頻率下，當(dāng)泵浦電流從60 A增加至160 A時，輸出能量隨著電流的增加而快速增大，當(dāng)泵浦電流超過160 A后，腔內(nèi)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)慢慢飽和，激光器的增益逐漸減小，輸出能量也趨于飽和。

圖4 自由振蕩輸出能量隨電流的變化

Fig.4 Output energy of free oscillationversuscurrent in the different repetition rates

在諧振腔中依次插入45°線偏振片、RTP晶體、λ/4波片，進(jìn)行電光調(diào)Q實(shí)驗(yàn)，激光器的Q開關(guān)關(guān)斷效果良好，在泵浦脈寬200 μs、調(diào)Q延時200 μs的條件下，采用透過率為30%、45%、60%、70%的輸出鏡進(jìn)行對比分析實(shí)驗(yàn)，輸出鏡取不同的透過率時，調(diào)Q輸出能量隨泵浦電流的變化如圖5所示。當(dāng)重復(fù)頻率5 Hz、注入電流200 A時，LDA的抽運(yùn)能量為676 mJ，輸出1 064 nm的單脈沖能量達(dá)到最高的74.4 mJ，脈寬15 ns，光光轉(zhuǎn)換效率為11%。由于透鏡導(dǎo)管輸出的泵浦光束的發(fā)散角太大，透鏡導(dǎo)管輸出光束耦合進(jìn)Nd∶YAG晶體時的損耗過大而使激光器的光光轉(zhuǎn)換效率偏低。 激光器輸出耦合鏡的最佳透過率為45%，諧振腔內(nèi)的損耗包括散射損耗、吸收損耗、輸出損耗，當(dāng)輸出鏡的透過率高于最佳輸出透過率時，輸出損耗過大，激光器的輸出能量會不斷減小，當(dāng)輸出鏡的透過率低于最佳輸出透過率時，激光器的能量提取率太低。

圖5 不同重復(fù)頻率下調(diào)Q輸出能量隨泵浦電流的變化

Fig.5 AverageQ-switched output powerversuspumped current at different repetition rates

采用SPL光電二極管接收調(diào)Q輸出脈沖的散射光，連接到Tektronix MDO3000示波器來顯示輸出波形，5 Hz重復(fù)頻率下的激光輸出的脈沖寬度隨泵浦電流的變化如圖6所示。在一定的重復(fù)頻率下，激光輸出的脈沖寬度隨泵浦電流的增加而逐漸變窄，這是由于隨著泵浦能量的增加，工作物質(zhì)的上能級的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)積累的時間越短，能量的提取效率越高，則Q開關(guān)打開后，能在最短的時間消耗完反轉(zhuǎn)粒子數(shù)。當(dāng)重復(fù)頻率5 Hz、泵浦電流170 A時，得到的脈沖寬度15.8 ns，相應(yīng)的脈沖波形如圖7所示，激光輸出脈沖波形光滑穩(wěn)定，只存在一個主尖峰且邊緣光滑。

圖6 輸出脈寬隨泵浦電流的變化

圖7 輸出脈寬的波形圖

采用轉(zhuǎn)光片檢測光斑形狀，如圖8所示，輸出光能量均勻，輸出光斑為扁平方形光斑。采用黑白激光調(diào)光像紙測量激光輸出光斑尺寸，在10 cm處激光的輸出光斑尺寸為2.9 mm×5.5 mm，在100 cm處激光輸出光斑尺寸為2.8 mm×5.3 mm。激光器輸出光束的水平方向與豎直方向的發(fā)散角分別是θx=(2.9-2.8)/(1000-100)=0.11 mrad，θy=(5.5-5.3)/(1000-100)=0.22 mrad。

圖8 激光器輸出光斑

對激光器的溫度特性進(jìn)行了測試，將采用球面透鏡導(dǎo)管耦合方式的激光器的殼體溫度控制在25～55 ℃，反復(fù)測試在重復(fù)頻率5 Hz與10 Hz、泵浦電流200 A條件下的激光器的平均單脈沖能量隨工作溫度的變化，如圖9所示，黑線與紅線表示重復(fù)頻率在5 Hz與10 Hz時激光器輸出能量隨溫度的變化。

圖9 脈沖能量隨工作溫度的變化

由圖9可知，在同一重復(fù)頻率下，隨著LDA工作溫度的上升，泵浦光的輸出光譜逐漸漂移出Nd∶YAG晶體的強(qiáng)吸收帶寬，激光器的輸出能量逐漸降低。當(dāng)工作溫度為25～37 ℃時，激光器輸出的能量迅速下降。這是由于紫銅熱沉與風(fēng)扇的散熱效率不是太高，使LDA內(nèi)的熱積累速度過快，隨著工作溫度的上升，LD的輸出波長向長波長迅速漂移，且由于部分bar條受到損傷，能與795，805，808.3 nm吸收峰相匹配的LD輸出光譜會迅速減少，特別是LDA的輸出波長會逐步遠(yuǎn)離808.3 nm的強(qiáng)吸收峰帶寬，Nd∶YAG晶體對泵浦光的吸收系數(shù)迅速下降，這造成了激光器的輸出能量減小。當(dāng)工作溫度在37～55 ℃時，LDA與外界環(huán)境迅速達(dá)到熱平衡，而多波長組合的4種LD的輸出光譜范圍比較窄，LD輸出波長未能與Nd∶YAG晶體的808.3 nm吸收峰相匹配，導(dǎo)致Nd∶YAG晶體對泵浦光的吸收系數(shù)較低，又因?yàn)槲障禂?shù)隨溫度升高的變化緩慢，激光器的能量輸出較為平穩(wěn)。只有拓展LD的泵浦波長范圍與增加泵浦中心波長數(shù)目，才能在寬工作溫度范圍內(nèi)獲得更加穩(wěn)定的激光輸出。隨著工作溫度的上升，激光器的最低輸出能量在5 Hz與10 Hz的條件下分別為48 mJ與37 mJ，這是由于隨著重復(fù)頻率的升高，LDA與激光晶體的熱負(fù)載越來越嚴(yán)重，熱效應(yīng)越來越嚴(yán)重，這導(dǎo)致激光器的輸出能量隨重復(fù)頻率的增加而降低。

4 結(jié) 論

針對高能量激光器的無水冷、免溫控與小型化的需求，采用多波長激光器二極管陣列端面泵浦Nd∶YAG晶體，得到了74.4 mJ、15 ns的1 064 nm的激光輸出，最后對激光器的溫度特性進(jìn)行了測試，激光器的輸出能量隨著泵浦源工作溫度的升高，呈現(xiàn)先迅速減小然后保持穩(wěn)定的趨勢，當(dāng)重復(fù)頻率分別為5 Hz和10 Hz時，激光器對應(yīng)的最低輸出能量穩(wěn)定在48 mJ與37 mJ。本文針對多波長LDA輸出光譜的研究與多波長LDA端泵全固態(tài)激光器的實(shí)驗(yàn)研究，為實(shí)現(xiàn)激光器的無水冷免溫控、拓展激光器的工作溫度范圍提供了一定的借鑒意義。

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