大信號(hào)無水冷LD側(cè)泵Nd∶YAG激光放大器

鄒吉躍, 劉學(xué)勝*, 徐愛東， 王聰聰， 閆岸如， 趙 明, 楊 松， 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 100124； 2. 江蘇北方湖光光電有限公司， 江蘇 無錫 214035)

1 引 言

半導(dǎo)體泵浦固體激光器近幾年得到了飛速發(fā)展，尤其因?yàn)榘雽?dǎo)體泵浦源發(fā)出的808 nm波長(zhǎng)的泵浦光處于Nd∶YAG的高吸收峰，不僅會(huì)減少增益介質(zhì)的熱致雙折射效應(yīng)以及熱焦距效應(yīng)，而且也充分改善了輸出激光的光束質(zhì)量和穩(wěn)定性。因此，半導(dǎo)體泵浦激光器已經(jīng)被充分應(yīng)用在激光測(cè)距、激光切割、激光3D打印、激光清洗、激光醫(yī)療、軍事國(guó)防等軍用和民用高科技領(lǐng)域[1]。

2008年,Wandt等[2]基于二極管泵浦Yb∶YAG的MOPA系統(tǒng)，在脈沖能量2 mJ 、重復(fù)頻率10 Hz、脈沖持續(xù)時(shí)間6.4 ns的條件下，得到了220 mJ的穩(wěn)定輸出能量。2016年，趙虎等[3]通過提供調(diào)Q高壓序列，采用側(cè)面泵浦兩級(jí)放大Nd∶YAG,獲得了脈沖寬度小于 8 ns、重復(fù)頻率5 Hz、單個(gè)脈沖能量大于 550 mJ的脈沖序列輸出。2017年，鄒巖等[4]基于主振蕩功率放大結(jié)構(gòu)，采用特殊取向Nd∶YAG 激光放大器得到重復(fù)頻率為200 Hz、脈寬為25 ns、脈沖能量為425 mJ的激光輸出。

本文利用MATLAB分析了激光放大器的理論模型，并模擬計(jì)算了增益系數(shù)和儲(chǔ)存能量隨泵浦電流的變化規(guī)律，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了TEC冷卻、高能量、側(cè)面抽運(yùn)Nd∶YAG調(diào)Q激光放大器，在LD抽運(yùn)電流為80 A、抽運(yùn)脈寬為200 μs、輸入信號(hào)脈沖能量700 mJ的條件下，獲得脈寬10 ns、重復(fù)頻率10 Hz、脈沖能量1 050 mJ、水平和垂直方向光束質(zhì)量因子M2分別為3.9和4.8的1 064 nm激光輸出。

2 激光放大器的理論分析

2.1 理論模型

圖1中，Ein、Eout分別為輸入放大器的信號(hào)光的能量密度和輸出光能量密度(J·cm-2)；光信號(hào)在行進(jìn)過程中不斷被放大，相關(guān)文獻(xiàn)已經(jīng)精確導(dǎo)出了放大器增益[5]過程表達(dá)式，即

圖1 光放大微元分析圖

(1)

其中，E(x)為x點(diǎn)處的脈沖能量密度，α為單位長(zhǎng)度損耗系數(shù)，x為放大器的長(zhǎng)度坐標(biāo)，ES為飽和能量密度(J·cm-2)，當(dāng)且僅當(dāng)α=0時(shí)公式(1)可求得解析解，并進(jìn)一步得出行波激光放大器輸出能量密度Eout的表達(dá)式為：

Eout=

(2)

根據(jù)公式(2),在確定了激光放大器的增益介質(zhì)之后，與之相關(guān)的損耗系數(shù)α、增益介質(zhì)長(zhǎng)度L以及飽和能量密度ES就被確定了。EP為泵浦光能量，g0為信號(hào)增益系數(shù)。為了得到高能量的激光輸出，只有不斷改善實(shí)際光泵浦的有效能量，從而使信號(hào)增益系數(shù)和儲(chǔ)存的能量達(dá)到最大化。此時(shí)，若注入適當(dāng)信號(hào)脈沖，通過放大器時(shí)，則早已存儲(chǔ)在增益介質(zhì)內(nèi)的能量就會(huì)被盡可能地提取，使得實(shí)際輸出的脈沖激光能量達(dá)到了最大。

2.2 增益與輸出

激光放大器的儲(chǔ)能密度(J·cm-3)與放大器的信號(hào)增益系數(shù)有關(guān)，Nd∶YAG晶體屬于四能級(jí)系統(tǒng)，儲(chǔ)能密度為：

Est=g0ES，

(3)

在放大器工作過程中，進(jìn)一步考慮粒子數(shù)變化微分方程組：

(4)

Pin=Win/hνpπω2l,

(5)

Win=I×ηPI×nbars，

(6)

其中，Φ為增益介質(zhì)內(nèi)光子數(shù)密度，初始狀態(tài)時(shí)，Φ=0；n為增益介質(zhì)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度；σ為受激發(fā)射截面，σ=2.8×10-19cm-2；c為光速，γ為反轉(zhuǎn)因子(四能級(jí)時(shí)，γ=1)；τc為增益介質(zhì)上能級(jí)壽命，取230 μs，pin為平均泵浦速率。ω為增益介質(zhì)橫截面半徑，l為增益介質(zhì)有效長(zhǎng)度，νp為泵浦光子頻率，取νp=3.71×1014，Win為泵浦功率，I的調(diào)節(jié)范圍為40～100 A,每一次調(diào)節(jié)間隔10 A,半導(dǎo)體bar條泵浦固體激光器的功率電流比ηPI參考經(jīng)驗(yàn)值的取值是1.1±0.1，nbars=240。

綜上所述，利用MATLAB數(shù)值模擬，進(jìn)一步全局優(yōu)化求得g0與Est隨泵浦電流的變化如圖2、圖3所示。

圖2 放大器增益系數(shù)隨泵浦電流的變化

圖3 放大器增益介質(zhì)內(nèi)儲(chǔ)存能量隨泵浦電流的變化

由圖2、圖3可以得出：在泵浦電流為40～70 A變化時(shí)，增益系數(shù)與存儲(chǔ)能量都呈現(xiàn)高斜率值線性增長(zhǎng)；70 A之后，增益系數(shù)與存儲(chǔ)能量都趨向于飽和，且在80 A之后，趨于穩(wěn)定，并處于飽和狀態(tài)。飽和的原因是由于增益介質(zhì)中反轉(zhuǎn)粒子數(shù)目的飽和以及ASE(Amplified spontaneous emission)效應(yīng)。

進(jìn)一步地，將公式(3)代入公式(2)求得公式(7)：

Eout=

(7)

將增益系數(shù)與存儲(chǔ)能量帶入公式(7)，取α=0.05，ES=0.667 J·cm-2，則得出輸出能量隨放大器泵浦電流的變化曲線如圖4所示。

圖4 輸出脈沖能量Eout隨放大器泵浦電流的變化

從圖4可以看出，在40～70 A電流調(diào)節(jié)初期，激光器輸出能量呈現(xiàn)高斜率值線性增長(zhǎng)，在70 A之后，逐漸趨向于飽和狀態(tài)，在80 A，輸出能量已達(dá)到飽和狀態(tài)，最終輸出的能量值穩(wěn)定在1.22 J 附近。飽和的主要原因是由于增益的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)目的飽和以及ASE效應(yīng)。

3 放大級(jí)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

設(shè)計(jì)Nd∶YAG棒的直徑時(shí)，可以經(jīng)由公式A=α+φd計(jì)算，A為Nd∶YAG棒的橫截面直徑，α為前一級(jí)放大工作物質(zhì)的橫截面直徑，φ是由前面一級(jí)放大器發(fā)出的激光的發(fā)散角，d為前面一級(jí)放大器與該放大器之間的距離。已知α=3 mrad，d=40 mm,由計(jì)算公式得A=7 mm+(3×10-3) rad×

圖5 放大器實(shí)驗(yàn)圖

圖6 LD模塊橫截面圖

40 mm=7.12 mm，增益介質(zhì)[6-11]長(zhǎng)度在此選擇100 mm，故最終晶體棒尺寸為φ8 mm×100 mm。

為了實(shí)現(xiàn)裝置小型化、高性能、無水冷的目標(biāo)，我們選擇摻雜濃度為(1.1±0.1)%的Nd∶YAG晶體棒作為放大級(jí)增益介質(zhì)[12-20]，其尺寸為φ8 mm×100 mm，整個(gè)系統(tǒng)由5個(gè)相似的泵浦部件組成，每個(gè)組件有48個(gè)bar條，且都環(huán)繞晶體棒一周呈均勻排布狀，所有的bar條全部焊接在銅熱沉上，串接在外電路中。同時(shí)，在LD上安裝靈敏度高的熱敏電阻以提供溫度反饋，將TEC與放大器相接，下面排布銅散熱架構(gòu)和風(fēng)扇，確保晶體工作環(huán)境在室溫25 ℃。放大器輸入電流控制在40～100 A,脈沖寬度0～250 μs。圖5、圖6分別是放大器的實(shí)驗(yàn)圖和橫截面圖,圖7、圖8分別是TEC和散熱結(jié)構(gòu)圖。

圖7 TEC制冷片

圖8 風(fēng)扇和銅散熱結(jié)構(gòu)

放大器由系統(tǒng)的電源提供同步信號(hào)進(jìn)行泵浦同步控制，入射信號(hào)光脈寬為10，光束質(zhì)量為4，脈沖能量為700 mJ，通過該放大器之后，得到1 050 mJ的輸出能量，采用刀口法測(cè)得水平和垂直方向M2分別為3.9和4.8，脈沖寬度如圖9所示，光束質(zhì)量如圖10所示。

圖9 輸出激光脈寬圖

圖10 輸出激光光束質(zhì)量M2

在泵浦頻率10 Hz、抽運(yùn)持續(xù)時(shí)間為200 μs的條件下，將700 mJ能量的信號(hào)激光輸入放大器，用能量計(jì)在放大器的輸出端檢測(cè)輸出能量，記錄輸出能量值隨泵浦電流的變化曲線，如圖11所示。

圖11 輸出能量隨泵浦電流變化圖

從圖11可以看出，輸出能量隨著泵浦電流的增加呈現(xiàn)先迅速增加后趨于飽和的關(guān)系，在40～60 A,輸出脈沖能量增加迅速，在70 A之后，漸漸走向飽和，在80 A,輸出能量達(dá)到飽和，最高的脈沖能量為1 050 mJ,比理論模擬輸出能量稍低，原因是實(shí)際的損耗系數(shù)α要比模擬時(shí)的損耗系數(shù)α偏大，飽和的原因則是由于不斷增加的電流導(dǎo)致的粒子數(shù)的飽和以及晶體內(nèi)的熱效應(yīng)和ASE效應(yīng)。

圖12 輸出能量穩(wěn)定度圖

由圖12可以得到，在泵浦電流80 A、持續(xù)工作5 h、間隔記錄30 min的條件下，得到輸出能量的變化范圍穩(wěn)定在1 020～1 050 mJ，計(jì)算可得其不穩(wěn)定度<3%，完全達(dá)到了穩(wěn)定輸出的目的。

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了一種大信號(hào)高能量LD側(cè)泵 Nd∶YAG激光放大器，采用MATLAB模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法,根據(jù)四能級(jí)激光速率方程模擬出增益系數(shù)和存儲(chǔ)能量隨放大模塊泵浦電流變化規(guī)律，并通過損耗系數(shù)α和飽和能量密度ES計(jì)算出輸出能量隨泵浦電流的變化規(guī)律,同時(shí)設(shè)計(jì)激光放大系統(tǒng)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)輸出最大單脈沖能量達(dá)1 050 mJ，與理論分析得到的1 220 mJ非常吻合，分析產(chǎn)生理論與實(shí)驗(yàn)誤差的原因主要是由于激光工作物質(zhì)熱透鏡效應(yīng)和ASE效應(yīng)，損耗系數(shù)偏大，以及不斷加大泵浦電流帶來的增益飽和。在泵浦頻率為10 Hz、泵浦脈寬為200 μs、泵浦電流80 A的條件下，連續(xù)工作5 h之后，檢測(cè)得到整個(gè)系統(tǒng)的輸出能量不穩(wěn)定度<3%，最后得到脈寬為10 ns、水平和垂直方向的光束質(zhì)量M2分別為3.9和4.8、脈沖能量為1 050 mJ的1 064 nm輸出。很好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)種子光的放大，達(dá)到了小型化、無水冷、高能量、高穩(wěn)定度的要求，對(duì)相關(guān)固體激光放大器的設(shè)計(jì)研究工作提供了一定參考。