1 J高光束質(zhì)量免水冷脈沖Nd∶YAG激光器

劉學(xué)勝，楊 松，司漢英，鄒吉躍，閆岸如，王聰聰，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. 北京市激光應(yīng)用技術(shù)工程技術(shù)研究中心，北京 100124；3. 跨尺度激光成型制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124；4. 光電信息控制和安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300308)

1 引 言

半導(dǎo)體泵浦固體激光器[1-6]結(jié)構(gòu)緊湊、功耗低、光束質(zhì)量穩(wěn)定，已廣泛應(yīng)用于材料加工、醫(yī)療檢測(cè)、軍事和國(guó)防等領(lǐng)域[7-9]。近年來(lái)，半導(dǎo)體泵浦固體激光器的輸出功率和其在非線性頻率變換的應(yīng)用取得了很大的進(jìn)展。增益介質(zhì)Nd∶YAG晶體具有良好的光學(xué)、熱學(xué)、機(jī)械性能[10]，易于實(shí)現(xiàn)調(diào)Q激光輸出。2014年，Ryabtsev等報(bào)道了一種全固態(tài)多波長(zhǎng)激光器，其激光束輸出光束質(zhì)量因子M2<6[11]，脈沖寬度8～11 ns可調(diào)，脈沖重復(fù)頻率10 Hz，最大輸出能量400 mJ，將其應(yīng)用于激光雷達(dá)，大氣探測(cè)距離為40 km[12]。2016年，邱吉思等使用六級(jí)放大器，獲得了1.53 J、脈寬7.41 ns的激光輸出，使用相位匹配技術(shù)補(bǔ)償光束畸變，光束質(zhì)量接近衍射極限[13]。2017年，李朝陽(yáng)等報(bào)道了一種全固態(tài)雙程放大Nd∶YAG激光器，使用電光調(diào)Q獲得脈沖種子源，經(jīng)兩級(jí)雙程放大結(jié)合水冷方式，其激光輸出脈沖能量達(dá)到2.36 J，脈沖寬度9.4 ns，脈沖重復(fù)頻率50 Hz[14]。

本文研究了一種無(wú)水冷、具有兩級(jí)激光放大系統(tǒng)的高脈沖能量二極管側(cè)泵浦Nd∶YAG激光器，主振蕩器采用結(jié)構(gòu)緊湊的二極管側(cè)泵浦電光調(diào)Q激光器，腔長(zhǎng)280 mm。摻雜濃度為1.1%的φ7mm×100 mm Nd∶YAG棒和最大峰值輸出功率15 kW的LD bar條陣列用于主振蕩器，最終獲得350 mJ的激光脈沖，脈沖寬度9.7 ns，重復(fù)頻率10 Hz，水平方向和垂直方向的M2分別為3.3和3.8；摻雜濃度為1.1%的φ7.5 mm×134 mm Nd∶YAG棒和最大峰值輸出功率24 kW的LD bar條陣列用于第一級(jí)放大器中；摻雜濃度為1.1%的φ8 mm×100 mm Nd∶YAG棒和最大峰值輸出功率24 kW的LD bar條陣列被用在第二級(jí)放大器中。兩級(jí)放大系統(tǒng)的總長(zhǎng)度為730 mm，主振蕩器輸出經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大后得到單脈沖能量為1 085 mJ、脈沖寬度為10 ns的激光脈沖，在水平和垂直方向上，光束質(zhì)量因子M2分別為3.8和4.9。

2 激光放大分析

光在增益介質(zhì)中傳播時(shí)被放大，Avizonis和Grotbeck[15-16]精確推導(dǎo)出了激光放大器的特性如下：

(1)

其中，脈沖能量密度由E(x)表示，單位長(zhǎng)度的損耗系數(shù)由α表示，放大器的長(zhǎng)度坐標(biāo)由x表示，飽和能量密度由Es(J/cm2)表示，輸出能量密度由Eout(J/cm2)表示，當(dāng)且僅當(dāng)α=0，得到解析解。因此，得到如下的激光放大器輸出能量密度表達(dá)式為：

Eout=

(2)

確定激光放大器的增益介質(zhì)后，α、Es、L(增益介質(zhì)的長(zhǎng)度)就確定了。信號(hào)增益系數(shù)用g0表示，儲(chǔ)能密度用Est表示。Nd∶YAG晶體屬于四能級(jí)系統(tǒng)，儲(chǔ)能密度與信號(hào)增益系數(shù)的關(guān)系為:

Est=g0Es，

(3)

(4)

Pin=Win/hνpπω2l，

(5)

Win=I×ηPI×nbars，

(6)

公式(3)～(6)中，增益介質(zhì)中的光子數(shù)密度用Φ表示，初始狀態(tài)下Φ=0；增益介質(zhì)反轉(zhuǎn)粒子密度用n表示；受激輻射截面表示為σ，σ=4.6×10-19cm2[17]；光速用c表示；反轉(zhuǎn)系數(shù)用γ表示，γ=1；增益介質(zhì)的上能級(jí)壽命用τc表示，τc=230 μs；平均泵浦速率用Pin表示；增益介質(zhì)截面半徑用ω表示；增益介質(zhì)的有效長(zhǎng)度用l表示；泵浦光的頻率用νp表示，νp=3.71×1014；泵浦功率用Win表示；電流用I表示，電流從40 A到100 A可調(diào)，調(diào)節(jié)幅度10 A；功率與電流的比例用ηPI表示，ηPI=1.1；半導(dǎo)體激光器的數(shù)量用nbars表示，nbars=240。

綜上所述，利用MATLAB數(shù)值模擬，得到第一級(jí)放大和第二級(jí)放大g0和Est對(duì)泵浦電流的關(guān)系。

如圖1(a)所示，當(dāng)泵浦電流從40 A增加到60 A時(shí)，信號(hào)增益系數(shù)線性增加。當(dāng)泵浦電流進(jìn)一步增大時(shí)，曲線開(kāi)始平緩。這種現(xiàn)象的發(fā)生一方面是因?yàn)楫?dāng)激光器在高平均功率下工作時(shí)，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)開(kāi)始飽和；另一方面，是由于自發(fā)輻射對(duì)泵浦光產(chǎn)生了強(qiáng)烈的吸收。顯而易見(jiàn)，二級(jí)放大曲線高于一級(jí)放大曲線。如圖1(b)所示，當(dāng)泵浦電流從40 A增加到70 A時(shí)，儲(chǔ)存的能量在增加，當(dāng)泵浦電流進(jìn)一步增大時(shí)，儲(chǔ)存的能量達(dá)到飽和。同樣，二級(jí)放大儲(chǔ)能曲線高于一級(jí)放大儲(chǔ)能曲線。

圖1 不同放大系統(tǒng)的增益和儲(chǔ)存的能量與泵浦電流的關(guān)系。(a)增益；(b)儲(chǔ)存的能量。

Fig.1 Gain and saved energyversuspumping current for different amplification systems. (a) Gain. (b) Saved energy.

如圖2(a)所示，當(dāng)泵浦電流從40 A增加到60 A時(shí)，輸出脈沖能量線性增加。當(dāng)泵浦電流進(jìn)一步增大時(shí)，輸出能量增長(zhǎng)緩慢，曲線趨于飽和，第二級(jí)放大的輸出脈沖能量明顯高于第一級(jí)放大的輸出脈沖能量。如圖2(b)所示，計(jì)算了不同重復(fù)頻率下的輸出脈沖能量，參數(shù)設(shè)置如下:注入電流80 A，泵浦脈沖寬度200 μs。重復(fù)頻率從10 Hz增加到40 Hz時(shí)，1 064 nm激光器的輸出能量降低，脈沖能量與輸出能量達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的重復(fù)頻率成反比。

圖2 不同放大系統(tǒng)輸出脈沖能量與泵浦電流和重復(fù)頻率的關(guān)系。(a)電流；(b)重復(fù)頻率。

Fig.2 Output pulse energyversuspumping current and repetition frequency for different amplification systems. (a) Current. (b) Repetitive frequency.

從以上仿真結(jié)果可以看出，主振蕩器經(jīng)單級(jí)放大無(wú)法實(shí)現(xiàn)1 J以上的高能量輸出，因此我們選擇了兩級(jí)放大結(jié)構(gòu)作為激光放大系統(tǒng)。

3 實(shí)驗(yàn)裝置與熱仿真分析

3.1 激光器實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。主振蕩器采用二極管側(cè)泵浦的電光調(diào)QNd∶YAG激光器。 摻雜濃度(1.1±0.1)%的Nd∶YAG棒作為諧振腔增益介質(zhì)，Nd∶YAG晶體棒的尺寸為φ7 mm×100 mm，兩端面均鍍1 064 nm增透膜。為了匹配Nd∶YAG的吸收帶寬，采用5個(gè)由波長(zhǎng)808 nm、帶寬小于3 nm的激光二極管陣列組成的模塊作為泵浦源，每個(gè)泵浦模塊的二極管陣列由30個(gè)二極管bar條組成，每個(gè)bar條的最大輸出峰值功率為100 W，二極管陣列沿晶體棒圓周布置，使泵浦光在增益介質(zhì)中分布均勻，提高光-光轉(zhuǎn)換效率，并使熱分布相對(duì)均勻；LD陣列泵浦模塊的使用可以提高穩(wěn)定性并減小尺寸，LD泵浦模塊的截面如圖4所示。輸出耦合器(OC)為1 064 nm處透射率為T=75%的平面鏡；為了獲得線性偏振激光，在腔內(nèi)插入了布魯斯特偏振器(Brewster polarizer)；采用KD*P晶體作為調(diào)Q開(kāi)關(guān)，其兩端鍍1 064 nm增透膜；1/4波片用于改變偏振方向，總腔長(zhǎng)280 mm。第一級(jí)放大器和第二級(jí)放大器的泵浦源與主振蕩器類似，每個(gè)泵浦模塊的二極管陣列由48個(gè)二極管bar條組成，每個(gè)bar條的最大輸出峰值功率為100 W，第一級(jí)放大Nd∶YAG晶體棒的尺寸是φ7.5 mm×134 mm，第二級(jí)放大Nd∶YAG晶體棒的尺寸是φ8 mm×100 mm, 為防止一級(jí)放大器與二級(jí)放大器間ASE，提高激光器的工作穩(wěn)定性，在第一級(jí)放大器和第二級(jí)放大器之間插入一個(gè)光隔離器。晶體棒散熱與支撐裝置如圖5所示，上下兩個(gè)半塊的半圓形凹槽構(gòu)成圓形通孔，所有凹槽處均有銦箔，用來(lái)固定晶體棒，并進(jìn)行晶體棒的散熱。中間的5個(gè)空隙用以放置泵浦模塊。在圖5裝置的底部，放置TEC制冷片(30 mm×30 mm)和銅制散熱片，使用風(fēng)扇加強(qiáng)空氣對(duì)流，強(qiáng)化散熱效果。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖

圖4 泵浦模塊橫截面

圖 5 晶體棒散熱裝置

3.2 激光器熱仿真分析

采用COMSOL對(duì)Nd∶YAG晶體棒與泵浦模塊散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱仿真分析。 Nd∶YAG晶體被放置在分段式的銅制熱沉上，通過(guò)TEC制冷及散熱片風(fēng)冷對(duì)流的方式降低溫度。泵浦源被焊接在銅熱沉上，均布在晶體四周(忽略電極引出槽)，形成分段側(cè)面泵浦方式。為了方便分析側(cè)面泵浦Nd∶YAG棒及泵浦模塊銅制熱沉的溫度場(chǎng)分布狀態(tài)，用COMSOL進(jìn)行仿真分析時(shí)，對(duì)熱模型作了一定的近似條件處理：熱沉底部采用了TEC冷卻裝置，可以認(rèn)為熱沉底部溫度保持恒定。由于激光晶體采用側(cè)面?zhèn)鲗?dǎo)冷卻，晶體端面是空氣對(duì)流冷卻，故可以忽略晶體端面散熱，認(rèn)為端面絕熱。泵浦源均勻地分布在Nd∶YAG棒四周，泵浦光在Nd∶YAG棒上的強(qiáng)度分布為均勻分布。

圖6 (a)晶體棒軸向切面溫度分布；(b)泵浦模塊切面溫度分布。

Fig.6 (a) Distribution of temperature on axial section of crystal rod. (b) Section temperature distribution of pump module.

用COMSOL對(duì)第二級(jí)放大熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，在最大泵浦功率下，當(dāng)溫度場(chǎng)穩(wěn)定后，Nd∶YAG棒及泵浦源模塊熱沉的溫度場(chǎng)分布分別如圖6(a)、(b)所示。

如圖6(a)所示，由于采用分段式側(cè)面泵浦方式，在晶體棒軸向上，存在周期性的溫度場(chǎng)分布，整體上看，晶體棒與熱沉接觸的區(qū)域溫度較低，最低溫度約為20 ℃，而直接泵浦區(qū)域溫度較高，最高溫度約為65 ℃，溫差45 ℃產(chǎn)生的晶體熱應(yīng)力遠(yuǎn)小于晶體的損傷閾值，因此Nd∶YAG晶體能正常工作。 圖6(b)為泵浦模塊切面溫度分布，其整體溫度分布梯度差別不大，靠近TEC制冷片的熱沉底部溫度最低，約為20 ℃，遠(yuǎn)離TEC制冷片的熱沉頂部，溫度最高約為24 ℃，環(huán)LD泵浦源一周的熱沉溫差約為2～3 ℃，導(dǎo)致LD中心波長(zhǎng)差為0.6～0.9 nm,但是LD泵浦源的光譜寬度為(808±3) nm，所以溫差導(dǎo)致的中心波長(zhǎng)漂移幾乎不會(huì)影響晶體棒的吸收率。故從仿真結(jié)果可以看出設(shè)計(jì)的激光器散熱結(jié)構(gòu)能夠?qū)w棒和泵浦模塊進(jìn)行有效的散熱，使它們工作在正常的溫度范圍。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 主振蕩器實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

設(shè)置泵浦電流脈寬200 μs、輸出重復(fù)頻率10 Hz，通過(guò)調(diào)節(jié)泵浦電流，測(cè)量不同電流下主振蕩器的輸出能量和脈沖寬度。

圖7 不同泵浦電流下主振蕩器的輸出特性

Fig.7 Output characteristics of master oscillator versus pumping current

如圖7所示，當(dāng)泵浦電流從40 A增加到60 A時(shí)，輸出脈沖能量從170 mJ線性增加到330 mJ，脈沖寬度從25 ns迅速減小到10 ns。當(dāng)泵浦電流進(jìn)一步增大時(shí)，輸出能量增加較慢，曲線在80 A處趨于飽和，此外，脈沖寬度穩(wěn)定在10 ns。隨著泵浦電流的增加，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)增加，導(dǎo)致輸出脈沖特性發(fā)生變化，但是當(dāng)泵浦電流增加到60 A時(shí)，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)開(kāi)始飽和。

另一方面，測(cè)量了OC透射率不同(T=75%，80%，85%)情況下主振蕩器的輸出特性。參數(shù)設(shè)置如下：泵浦注入電流80 A、200 μs泵浦脈沖寬度、重復(fù)頻率10 Hz。圖8顯示了75%、80%和85%時(shí)的輸出能量和脈沖寬度與電流的關(guān)系。

如圖8所示，當(dāng)透射率不同時(shí)，主振蕩器的輸出脈沖能量變化不大。然而，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)透射率為75%時(shí)，輸出脈沖寬度可以更小。因此，在設(shè)計(jì)輸出耦合鏡時(shí)，我們選擇透射率為75%的平面鏡作為輸出耦合鏡。

圖8 不同泵浦電流下，不同OC透射率時(shí)主振蕩器的輸出特性。(a)輸出能量；(b)脈寬。

Fig.8 Output characteristics for different output coupler (OC) transmittance levelsversuspumping current. (a) Output energy. (b) Pulse duration.

采用刀口法[18]測(cè)量光束質(zhì)量因子M2，刀口法采用f=600 mm的聚焦透鏡，采用光電探測(cè)器測(cè)量脈沖寬度，測(cè)量結(jié)果如圖9所示。當(dāng)泵浦電流為80 A時(shí)，獲得了350 mJ的激光脈沖，脈沖寬度為9.7 ns，水平和垂直方向光束質(zhì)量因子M2分別為3.3和3.8。

圖9 測(cè)量結(jié)果。(a)光束質(zhì)量；(b)脈沖形狀。

Fig.9 Measurement results. (a) Beam quality. (b) Pulse shape.

4.2 放大器實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了獲得更高的能量，采用了兩級(jí)放大結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)設(shè)置如圖3所示。摻雜濃度為(1.1±0.1)%的Nd∶YAG晶體棒用于一級(jí)放大、二級(jí)放大器中，尺寸分別為φ7.5 mm×134 mm和φ8 mm×100 mm。每級(jí)放大使用5個(gè)相同的泵浦模塊，每個(gè)模塊包含48個(gè)bar，每個(gè)bar條的最大輸出峰值功率為100 W。為了能夠有效散熱，保證激光器穩(wěn)定工作，計(jì)算出諧振腔泵浦源熱功率約為30 W，第一級(jí)與第二級(jí)放大器泵浦源熱功率均約為48 W，實(shí)驗(yàn)采用單片制冷功率為66 W的TEC對(duì)諧振腔和放大級(jí)進(jìn)行散熱，其中諧振腔泵浦源采用2片TEC制冷，一級(jí)及二級(jí)放大器模塊均采用3片TEC制冷，控溫精度為0.01 ℃。

圖10 不同泵浦電流下，第二放大器的輸出特性。

Fig.10 Output characteristics of the second stages amplificationversuspumping current

LD模塊由外部電源注入電流驅(qū)動(dòng)，電流0～120 A，電流脈沖寬度100～250 μs。主振蕩器的電源產(chǎn)生的同步信號(hào)用來(lái)控制放大器的電源。通過(guò)調(diào)節(jié)泵浦電流，測(cè)量不同電流下的輸出能量和脈沖寬度，如圖10所示。第二級(jí)放大輸出能量曲線與主振蕩器相似。泵浦電流從40 A增加到60 A時(shí)，輸出能量從930 mJ迅速增加到1 020 mJ。當(dāng)泵浦電流進(jìn)一步增大時(shí)，輸出能量增加較慢，能量在80 A處趨于飽和，脈沖寬度穩(wěn)定在10 ns左右。當(dāng)泵浦電流為80 A時(shí)，得到了1 085 mJ激光脈沖，脈沖寬度為10 ns，輸出脈沖能量與激光放大分析模擬結(jié)果接近，且輸出脈沖能量與泵浦電流的變化趨勢(shì)也較為接近，但飽和泵浦電流存在一定差距，從該結(jié)果可以看出激光放大分析與模擬較好地反映了激光器的真實(shí)工作狀態(tài)。 激光光束質(zhì)量因子M2在水平和垂直方向分別為3.9和4.8，光束質(zhì)量因子M2的測(cè)量結(jié)果如圖11所示。

圖11 光束質(zhì)量因子M2的測(cè)量結(jié)果

同時(shí)，對(duì)激光系統(tǒng)的輸出能量穩(wěn)定性和二級(jí)放大泵浦模塊熱沉的頂端表面溫度進(jìn)行了200 min的測(cè)試，并每20 min記錄一次。由圖12可知，輸出能量集中在1 050～1 085 mJ之間，能量不穩(wěn)定性趨于3%，采用紅外測(cè)溫儀測(cè)得泵浦模塊熱沉的頂端表面溫度為30 ℃ 左右，受限于測(cè)量精度，溫度存在小于1 ℃的波動(dòng)。實(shí)測(cè)結(jié)果略高于COMSOL仿真結(jié)果24 ℃。但是若TEC的控制精度從±0.01 ℃降低到±0.3 ℃，激光器的輸出能量隨溫度變化，波動(dòng)幅度在40～50 mJ,精度越差，能量波動(dòng)幅度更大。但是不影響激光器的輸出脈寬、工作頻率，對(duì)光束質(zhì)量幾乎沒(méi)有影響。所以風(fēng)冷激光器能量輸出穩(wěn)定性相比水冷激光器略差，必須采用高精度的TEC控制器提高輸出能量的穩(wěn)定性。

圖12 能量輸出和泵浦模塊溫度穩(wěn)定度的測(cè)量

Fig.12 Output energy and temperature of pump moduleversustime

5 結(jié) 論

本文介紹了一種TEC冷卻的結(jié)構(gòu)緊湊、高能量、雙級(jí)放大激光器系統(tǒng)。主振蕩器采用緊湊的二極管側(cè)泵浦與電光調(diào)Q結(jié)合的結(jié)構(gòu)。尺寸為φ7 mm×100 mm、摻雜1.1%的Nd∶YAG晶體棒用于主振蕩器，LD陣列的最大輸出峰值功率為15 kW，諧振腔總長(zhǎng)度為280 mm。當(dāng)主振蕩器泵浦源運(yùn)轉(zhuǎn)電流為80 A、脈沖寬度為200 μs時(shí)，得到350 mJ的脈沖能量輸出，脈沖寬度9.7 ns，重復(fù)頻率10 Hz，水平和垂直方向的光束質(zhì)量因子M2分別為3.3和3.8。我們?cè)囼?yàn)了不同OC透射率的輸出特性，確定最佳透射率為75%。然后我們建立了兩級(jí)放大系統(tǒng)，φ7.5 mm×134 mm、摻雜濃度1.1%的Nd∶YAG晶體棒用于第一個(gè)放大器，φ8 mm×100 mm、摻雜濃度1.1%Nd∶YAG晶體棒用于第二個(gè)放大器，LD陣列的最大輸出峰值功率為24 kW，當(dāng)泵浦脈沖電流為80 A時(shí)，獲得了1 085 mJ的激光脈沖，脈沖寬度10 ns，重復(fù)頻率10 Hz，水平和垂直方向的光束質(zhì)量因子M2分別為3.9和4.8。實(shí)現(xiàn)了焦耳級(jí)高光束質(zhì)量Nd∶YAG激光器的小型化、無(wú)水冷化。本研究可為今后固體激光器的研制提供有意義的參考。