200 mJ半導(dǎo)體端面泵浦MOPA激光器研究

熊 波，郁彩亮，褚召華，趙 翀，考笑梅，伍家凱，崔 瑩，毛鳴峰，辛 潮，魏曉羽

(江蘇曙光光電有限公司 激光裝備研發(fā)部，江蘇 揚(yáng)州 225009)

引言

采用LDA泵浦的固體激光器具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量小、轉(zhuǎn)換效率高及壽命長等優(yōu)點(diǎn)，近年來成為固體激光器發(fā)展的主流[1-4]。LDA泵浦的電光調(diào)Q固體激光器可以產(chǎn)生10 MW量級(jí)高峰值功率輸出，能夠滿足多方面的應(yīng)用需求。其在非線性變換、激光測距、激光目標(biāo)指示(LTD)等重要應(yīng)用場合已經(jīng)獲得越來越多的重視[5-8]。

LDA端面泵浦激光棒的設(shè)計(jì)具有諸多優(yōu)點(diǎn)[9-12]。如泵浦源采用單個(gè)LDA，泵浦結(jié)構(gòu)簡單；激光晶體側(cè)面全部用來散熱，晶體散熱效果好；泵浦光照射區(qū)域位于激光棒軸線附近，容易實(shí)現(xiàn)泵浦光與振蕩光腔模匹配，激光輸出模式好，發(fā)散角小；泵浦光吸收長度長，可提高不同波長泵浦光的吸收效率，激光器溫度適應(yīng)范圍寬。同樣以LDA端面泵浦激光棒的形式對激光進(jìn)行放大，可以在不影響激光發(fā)散角的條件下，對振蕩級(jí)激光能量進(jìn)行有效放大，同時(shí)還能保證緊湊的結(jié)構(gòu)[13-15]。而 LDA端面泵浦激光器的難點(diǎn)則在于LDA發(fā)光面尺寸較大，需要設(shè)計(jì)特殊的耦合系統(tǒng)將泵浦光有效匯聚進(jìn)入激光棒端面，從而提高耦合效率。另外，LDA端面泵浦激光器腔內(nèi)激光峰值功率密度較高，腔內(nèi)光學(xué)元件極易發(fā)生損傷，需要采取有效措施避免該現(xiàn)象。

我們使用2個(gè)峰值功率為3 500 W的準(zhǔn)連續(xù)(QCW)LDA分別作為振蕩級(jí)和放大級(jí)的泵浦源，以透鏡組為端面泵浦耦合系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)研究了LDA端面泵浦MOPA激光器的輸出特性，取得了較好的結(jié)果。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。LDA最高峰值功率為3 500 W，波長808 nm，光譜半寬4 nm。陣列有35個(gè)發(fā)光條，發(fā)光條間距為0.4 mm，發(fā)光面總尺寸為10 mm×13.6 mm。快軸發(fā)散角θ⊥=40°，慢軸發(fā)散角θ‖=10°。LDA固定在金屬熱沉上并使用閉環(huán)溫控電路進(jìn)行溫度控制。

圖1 激光器實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schmetic diagram of laser experimental device

LDA的每一發(fā)光條前安放微柱透鏡壓縮激光管的快軸發(fā)散角。此時(shí)LD慢軸發(fā)散角不變，快軸發(fā)散角壓縮為5°左右。采用透鏡組對泵浦光束進(jìn)行進(jìn)一步壓縮，泵浦光束被壓縮成直徑Φ4.5 mm的光斑，從Nd:YAG端面進(jìn)入激光棒中。

Nd:YAG晶體的尺寸為Φ5 mm×50 mm，摻雜濃度1.0%，兩端面鍍增透膜。Nd:YAG激光棒固定于銅熱沉中進(jìn)行散熱，諧振腔采用凸凹非穩(wěn)腔設(shè)計(jì)，全反鏡M1為平凹鏡，凹面鍍對808 nm增透、1 064 nm高反膜；輸出鏡為平凸鏡，凸面鍍反射率R=55%的分光膜。整個(gè)腔長約360 mm，諧振腔G參數(shù)約為1.3。RTP晶體與偏振片共同組成電光Q開關(guān)，對諧振腔內(nèi)品質(zhì)因子進(jìn)行調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)Q脈沖激光輸出。

LDA工作頻率設(shè)定為20 Hz，使用Coherent能量計(jì)(型號(hào)LABMAX TOP)測量脈沖能量，用響應(yīng)速度1 ns的PIN光電二極管和LeCroy示波器(型號(hào)104MXI)觀察和記錄脈沖波形。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

由于Nd:YAG激光晶體上能級(jí)壽命為230 μs，所以LDA泵浦時(shí)間寬度應(yīng)選擇該值附近以獲得高轉(zhuǎn)換效率。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最終選定泵浦時(shí)間寬度為220 μs。圖2給出了不同泵浦功率條件下振蕩級(jí)輸出激光能量及脈寬的變化。

圖2 輸出脈沖能量及脈寬隨泵浦功率的變化Fig.2 Output energy and pulse width versus pump power

當(dāng)振蕩級(jí)LDA泵浦功率增加到3 300 W時(shí)(電流90 A)，輸出能量達(dá)到103 mJ，對應(yīng)光光轉(zhuǎn)換效率為14.2%。脈沖寬度則隨泵浦功率的增加而減小，這是因?yàn)楸闷止β试礁撸す饩w的增益密度越大，激光晶體存儲(chǔ)的能量被抽取的速率越快，因而脈沖上升沿越小，致使脈寬減小[1]。當(dāng)激光輸出能量為103 mJ時(shí)，脈寬減為10.5 ns。

振蕩級(jí)激光經(jīng)45°反射鏡進(jìn)入放大級(jí)激光棒后，當(dāng)放大級(jí)LDA泵浦功率增加到3 000 W時(shí)，MOPA激光器輸出的激光平均能量達(dá)到203 mJ，激光器總體光光效率為14.6%。采用套孔法測量得到激光遠(yuǎn)場發(fā)散角<2.1 mrad，光束質(zhì)量因子M2≈7.5。MOAP激光器輸出的激光脈寬為12 ns，相對振蕩級(jí)激光10.5 ns有一定的展寬,這是因?yàn)榉糯笃鲗す饷}沖產(chǎn)生時(shí)間畸變引起的[1]。圖3為測量到的MOPA激光脈沖波形圖。

圖3 脈沖波形圖Fig.3 Pulse waveform

激光器工作20 s時(shí)間的能量穩(wěn)定性曲線如圖4所示。在起初約2 s時(shí)間內(nèi)，輸出能量近似線性爬升，之后輸出能量基本保持穩(wěn)定。能量爬升的原因是起初激光棒的溫度分布還沒有穩(wěn)定，熱透鏡還在建立過程中，同時(shí)隨著熱透鏡的建立，諧振腔G參數(shù)逐步減小向穩(wěn)腔靠近，因此能量逐漸增加。約2 s后熱透鏡基本穩(wěn)定，諧振腔參數(shù)不再變化，輸出能量則保持穩(wěn)定。不計(jì)前2 s的能量數(shù)據(jù)，激光器輸出能量的波動(dòng)性<±2.5%。

圖4 20s能量波動(dòng)曲線Fig.4 Curve of energy fluctuation for20s

為了滿足工程化應(yīng)用的需求，激光器的工作溫度范圍必須足夠?qū)挕⒃摷す馄鞣湃敫叩蜏卦囼?yàn)箱中進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證了該激光器的溫度適應(yīng)范圍可達(dá)95 ℃(-40 ℃～55 ℃)，可滿足大部分工程化應(yīng)用的需求。對于LD泵浦的激光器而言，高溫下工作是一個(gè)難點(diǎn)，因?yàn)長DA自身在高溫下工作效率會(huì)急劇降低且容易損傷。因此在55℃高溫時(shí)我們對LDA進(jìn)行傳導(dǎo)冷卻，將其溫度控制在合適的數(shù)值，使LDA高效、安全地工作，同時(shí)保證激光器在高溫下具有較高的光光效率。在-40℃低溫時(shí)則對LDA進(jìn)行加熱，同樣保證激光器具有較高的光光效率。另外，由于LDA在不同的溫度條件下發(fā)光效率和波長都會(huì)發(fā)生改變，因此LDA注入電流不變時(shí)，不同的溫度下激光器輸出能量會(huì)有一定的波動(dòng)。為了保證-40 ℃～55 ℃全溫度區(qū)間范圍激光器輸出能量都大于200 mJ，我們采用了LDA注入補(bǔ)償?shù)姆椒?，即根?jù)不同溫度下激光器輸出能量變化適當(dāng)改變LDA的注入電流。

激光器光路經(jīng)過多次折轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)之后，同時(shí)對激光器結(jié)構(gòu)件進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，最終激光器體積為175×91×49 mm3，質(zhì)量<1 kg(不含電源)，具有較好的工程化應(yīng)用前景。在該激光器后加上8×發(fā)射天線對激光發(fā)散角進(jìn)行壓縮，采用焦距為3 m的透鏡進(jìn)行套孔法測試，測得經(jīng)過天線后的激光發(fā)散角<0.3 mrad。該發(fā)散角可以滿足一般激光測距機(jī)或激光目標(biāo)指示器對激光光源的要求。

3 結(jié)論

本文采用LDA端面泵浦Nd:YAG激光棒組成MOPA激光器的設(shè)計(jì)，獲得了20 Hz運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，激光器平均能量>200 mJ、發(fā)散角<2.1 mrad、能量波動(dòng)<±2.5%的脈沖激光輸出。該MOPA激光器光光轉(zhuǎn)換效率約為14.6%，體積為175×91×49 mm3，質(zhì)量<1 kg，能夠在-40℃～+55℃溫度范圍內(nèi)正常工作，具有較高的工程化水平。加上8×發(fā)射天線對激光發(fā)散角進(jìn)行壓縮后，發(fā)散角可小于0.3 mrad，可以作為激光測距機(jī)或激光目標(biāo)指示器的激光光源。