雙程放大740 m J TEC冷卻LD泵浦Nd∶YAG激光器

劉學(xué)勝，董　劍，徐愛(ài)東，彭　超，劉友強(qiáng)，曹明真，何　歡，王智勇

(1.北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院，北京　100124;　2.江蘇北方湖光光電有限公司，江蘇無(wú)錫　214035)

1　引　言

激光二極管(LD)泵浦的全固態(tài)激光器有著轉(zhuǎn)換效率高、壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性高、光束質(zhì)量好等諸多特點(diǎn)［1-3］。調(diào)Q技術(shù)可以有效地壓縮激光脈寬，實(shí)現(xiàn)高脈沖能量、高峰值功率的激光輸出，因此高能量全固態(tài)調(diào)Q激光器在材料加工、空間通信、倍頻轉(zhuǎn)換、光通信、光譜分析等研究領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［4-9］。隨著半導(dǎo)體激光二極管技術(shù)的重大突破，半導(dǎo)體激光器得到了飛速發(fā)展［10］，由激光二極管泵浦的全固態(tài)激光器得到強(qiáng)勁的發(fā)展，LD泵浦的全固態(tài)激光器正在逐漸取代閃光燈泵浦的固體激光器，成為了國(guó)內(nèi)外競(jìng)相研究的熱點(diǎn)之一［11］。而無(wú)水冷卻的全固態(tài)激光器更是使得全固態(tài)激光器結(jié)構(gòu)緊湊小型化的特點(diǎn)更加突出，成為了制作小型化、便攜式激光器的一種有效手段。2005年，Ostermeyer等通過(guò)MOPA的方式獲得了最大輸出能量為0.5 J、脈寬為33 ns的1 064 nm激光輸出。在100 Hz、405mJ的條件下，光束質(zhì)量M2為1.5;在250 Hz、402 mJ的條件下，光束質(zhì)量M2為2.1。并通過(guò)倍頻轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)了效率超過(guò)50%的綠光輸出［12］。2008年，Stysley等使用兩個(gè)相同的水冷卻模塊作為泵浦源，并使用梯度反射率鏡制作了一臺(tái)激光探測(cè)雷達(dá)，得到了重復(fù)頻率100 Hz、單脈沖輸出能量100 m J、脈寬13～14 ns的基模激光輸出，兩個(gè)方向的光束質(zhì)量M2分別為 1.6 和 1.3［13］。2010 年，Xu 等報(bào)道了一臺(tái)100W級(jí)別的側(cè)泵Nd∶YAG激光器，他們使用了兩個(gè)相同的模塊作為振蕩級(jí)從而減小熱致雙折射，每個(gè)模塊由3個(gè)LD陣列進(jìn)行泵浦，最后得到了101.4 W、400 Hz的1 064 nm激光輸出，斜效率為 29.4%，光束質(zhì)量 M2=1.14［14］。2012年，伊肖靜等利用LD側(cè)面泵浦Nd∶YAG晶體，并使用BBO晶體進(jìn)行加壓式調(diào)Q，采用1/4波片補(bǔ)償Nd∶YAG晶體的熱退偏，最終實(shí)現(xiàn)了重復(fù)頻率1 kHz、最大單脈沖能量為10.7 mJ的1 064 nm激光輸出［15］。2014年，Ryabtsev等采用振蕩加放大的形式，使用風(fēng)冷卻的方法制作了一臺(tái)激光雷達(dá)。在10 Hz的條件下獲得了400 mJ的激光輸出，脈寬是8～11 ns，作為太空探測(cè)雷達(dá)的有效距離達(dá)到了40 km［16］。國(guó)內(nèi)外對(duì)于高脈沖能量、無(wú)水冷全固態(tài)激光器的報(bào)道較少，本文對(duì)此進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究。

本文介紹了一種緊湊型側(cè)面泵浦Nd∶YAG雙程放大激光器結(jié)構(gòu)。它可以有效地實(shí)現(xiàn)高能量、窄脈寬、TEC冷卻全固態(tài)激光器輸出。主振蕩級(jí)采用了緊湊型、LD側(cè)面泵浦、電光調(diào)Q的方案，使用了 7 mm×100 mm、摻雜摩爾分?jǐn)?shù)為1.1%的Nd∶YAG晶體棒和峰值功率為15 kW的LD陣列集成的脈寬來(lái)縮減激光器體積，總腔長(zhǎng)為280 mm。在重復(fù)頻率10 Hz的條件下，獲得了輸出最大能量為350 mJ、脈寬9.7 ns的激光輸出，在兩個(gè)方向的光束質(zhì)量 M2分別為7.7和12.3。放大級(jí)使用7.5 mm×134 mm、摻雜摩爾分?jǐn)?shù)為1.1%的Nd∶YAG晶體棒和峰值功率為24 kW的LD陣列集成的LD模塊，采用了雙程放大，獲得了740 mJ、10 ns的激光輸出。

2　實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖1所示，激光器采用了主振蕩級(jí)加二次放大的結(jié)構(gòu)。主振蕩級(jí)是一臺(tái)LD泵浦TEC冷卻的電光調(diào)Q激光器，主振蕩級(jí)裝置圖如圖1中Master Oscillator所示。為了增加系統(tǒng)穩(wěn)定性以及縮小激光器體積，主振蕩級(jí)將晶體棒和LD陣列集成為一個(gè)LD模塊，模塊的橫截面圖如圖2所示。主振蕩級(jí)使用了7 mm×100 mm、摻雜1.1% ±0.1%的Nd∶YAG晶體棒作為增益介質(zhì)，晶體棒由銅夾具夾持，在整個(gè)模塊的中心。為了和Nd∶YAG晶體的吸收峰更好地匹配，中心波長(zhǎng)為808 nm、譜線寬度小于3 nm的LD陣列被選做泵浦源，每一個(gè)陣列由30個(gè)巴條組成圍繞在晶體棒周?chē)?，每一個(gè)巴條最大的輸出峰值功率是100 W。為了能在增益介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)泵浦光的均勻分布，主振蕩級(jí)采用了側(cè)面LD對(duì)稱(chēng)泵浦的方式。由于這種泵浦方式可以使泵浦光的能量中心也與晶體的中心重合，從而大大提高了泵浦光的利用率和基橫模的轉(zhuǎn)化效率，利于實(shí)現(xiàn)大能量、高光束質(zhì)量的輸出。LD陣列直接焊接在了銅熱沉上進(jìn)行散熱。主振蕩級(jí)模塊由5個(gè)相似的泵浦部件組成并采用了交替泵浦散熱的結(jié)構(gòu)。所有5個(gè)LD陣列串聯(lián)在一起接入外電路，LD陣列的泵浦電流調(diào)節(jié)范圍為0～120 A，泵浦脈寬調(diào)節(jié)范圍為0～250μs，模塊實(shí)物圖如圖3所示。為了對(duì)LD模塊進(jìn)行散熱，兩個(gè)最大功率為66 W的TEC冷卻片通過(guò)導(dǎo)熱硅脂粘附在LD的模塊下端，另一端與銅熱沉散熱片相連，并由一個(gè)溫控精度為0.01℃的外部電源進(jìn)行供電來(lái)調(diào)節(jié)模塊溫度。起偏器是一個(gè)Tp=99.52%、Ts=0.123%的布儒斯特片。調(diào)Q晶體為KD*P的晶體，輸出耦合鏡的透過(guò)率為75%，總的腔長(zhǎng)為280 mm。

放大級(jí)采用了和主振蕩級(jí)相似的模塊結(jié)構(gòu)，模塊由5個(gè)相似的泵浦部件組成并采用了交替泵浦散熱的結(jié)構(gòu)。每個(gè)泵浦組件都有一個(gè)由48個(gè)峰值功率為100 W的巴條組成的LD陣列，LD陣列直接焊接在了銅熱沉上進(jìn)行散熱，所有LD陣列串聯(lián)在一起接入外電路，LD陣列的泵浦電流調(diào)節(jié)范圍為0～120 A，泵浦脈寬調(diào)節(jié)范圍為0～250 μs。在模塊中心由銅夾具夾持7.5mm×134mm、摻雜1.1% ±0.1%的晶體棒作為增益介質(zhì)，晶體棒周?chē)荓D陣列，模塊的橫截面圖如圖2所示。放大模塊使用了3個(gè)最大功率為66 W的TEC冷卻片，并使用導(dǎo)熱硅脂粘附將整個(gè)LD模塊通過(guò)TEC冷卻片與一個(gè)銅熱沉散熱片相連。放大級(jí)的泵浦電源可由振蕩級(jí)電源提供的同步信號(hào)進(jìn)行泵浦的同步控制。我們使用了兩個(gè)45°全反鏡將光路進(jìn)行了折疊，并在放大器前放置了一個(gè)布儒斯特偏振片來(lái)進(jìn)行激光輸出，在放大器后放置了一個(gè)λ/4波片用來(lái)改變激光的偏振方向，偏振片之后使用了一個(gè)全反鏡將激光反射回放大級(jí)進(jìn)行二次放大，總腔長(zhǎng)為730 mm。

圖1　雙程放大實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖2　LD模塊的橫截面圖

圖3　模塊實(shí)物圖

圖4　(a)不同泵浦電流下主振蕩級(jí)的輸出脈寬;(b)不同泵浦電流下主振蕩級(jí)的輸出能量。

3　結(jié)果與討論

我們先測(cè)試了主振蕩級(jí)的輸出特性，設(shè)置泵浦電流脈寬200μs、頻率10 Hz，通過(guò)調(diào)節(jié)電流得到了電流-能量輸出曲線和電流-脈寬曲線，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

在圖4中可以看出，當(dāng)泵浦電流由40 A逐漸增加時(shí)，輸出能量快速增長(zhǎng)，激光脈寬逐漸減小。當(dāng)泵浦電流達(dá)到60 A時(shí)，輸出能量達(dá)到330 mJ，脈寬減小到10 ns。但是當(dāng)泵浦電流繼續(xù)增加時(shí)，輸出能量增長(zhǎng)的速度開(kāi)始變慢，激光脈寬穩(wěn)定在10 ns。當(dāng)泵浦電流達(dá)到80 A時(shí)，能量輸出曲線趨近飽和。這是因?yàn)楫?dāng)電流超過(guò)閾值繼續(xù)增加時(shí)，泵浦能量迅速增長(zhǎng)，從而致使反轉(zhuǎn)粒子數(shù)增加，引起了激光輸出能量的增長(zhǎng)以及脈寬的減小。但是當(dāng)電流增長(zhǎng)到60 A時(shí)，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)開(kāi)始趨近于飽和，所以導(dǎo)致激光輸出特性變化變緩慢。而另一方面，由于泵浦功率迅速增長(zhǎng)，大量無(wú)效的能量以熱的形式迅速積累起來(lái)，晶體棒的熱效應(yīng)不斷變強(qiáng)，從而也限制了激光的輸出。我們使用了光束質(zhì)量診斷儀M2-200s和光電探頭分別對(duì)光束質(zhì)量、脈寬進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)量結(jié)果分別如圖5、圖6所示。最終在80 A的條件下，獲得了350 mJ、9.7 ns的激光輸出，激光光束在兩個(gè)方向的光束質(zhì)量參數(shù) M2分別是7.7 和12.3。

圖5　光束質(zhì)量測(cè)量結(jié)果

圖6　脈寬測(cè)量結(jié)果

圖7　(a)不同泵浦電流下雙程放大激光的輸出能量;(b)不同泵浦電流下雙程放大激光的輸出脈寬。

圖8　(a)雙程放大光斑形狀;(b)雙程放大光斑外觀

主振蕩功率放大是一種有效提高激光器能量輸出的方法，為了獲得更高能量輸出的激光，我們使用了350 mJ的調(diào)Q激光器作為主振蕩級(jí)，進(jìn)行了雙程放大實(shí)驗(yàn)。設(shè)置放大的頻率為10 Hz，泵浦脈寬為200μs，改變泵浦電流，得到的電流-能量以及電流-脈寬曲線如圖7所示。

在圖7(a)中可以看出，雙程放大后能量的變化曲線與主振蕩級(jí)的變化趨勢(shì)十分相近。當(dāng)放大級(jí)泵浦電流達(dá)到閾值之后，輸出能量線性快速增長(zhǎng)，在泵浦電流為60 A時(shí)達(dá)到730 m J。但是之后繼續(xù)增加泵浦電流，輸出增長(zhǎng)速度變緩慢，最終在80 A時(shí)達(dá)到了飽和。放大后的脈寬、光束質(zhì)量與主振蕩級(jí)相似，基本不發(fā)生改變。雙程放大的光斑測(cè)量圖如圖8所示。最終，在放大泵浦電流為80 A時(shí)得到了740 mJ、10 ns的激光輸出。

4　結(jié)　論

報(bào)道了一套高能量、緊湊型、TEC冷卻的全固態(tài)Nd∶YAG雙程放大系統(tǒng)。主振蕩級(jí)采用緊湊型結(jié)構(gòu)、LD側(cè)面泵浦、電光調(diào)Q的方式，使用7 mm×100 mm、摻雜摩爾分?jǐn)?shù)為1.1% ±0.1%的Nd∶YAG 晶體棒，泵浦的峰值功率為15 kW，腔長(zhǎng)為280mm。在10 Hz的條件下，主振蕩級(jí)獲得了最大輸出能量為350 mJ、9.7 ns的激光，光束質(zhì)量M2在兩個(gè)方向分別為7.7和12.3。進(jìn)行雙程放大實(shí)驗(yàn)并測(cè)量了激光的輸出特性，使用7.5 mm ×134 mm、摻雜摩爾分?jǐn)?shù)1.1% ±0.1%的 Nd∶YAG 晶體棒，泵浦的峰值功率為24 kW，總腔長(zhǎng)為730 mm。在泵浦電流為80 A 時(shí)得到了740 mJ、10 Hz、10 ns的激光輸出。