10 kW級(jí)表層摻雜板條激光放大器研究

丁小康,劉 洋,張偉橋,王 超,唐曉軍,姜東升

(固體激光技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100015)

1 引 言

激光二極管(LD)抽運(yùn)的高功率全固態(tài)激光器具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊和光束質(zhì)量好的特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于軍事和工業(yè)領(lǐng)域。然而傳統(tǒng)圓棒狀增益介質(zhì)在高功率運(yùn)行時(shí)具有嚴(yán)重的熱透鏡效應(yīng),這嚴(yán)重限制了圓棒激光器的輸出功率和光束質(zhì)量。為了解決這種問(wèn)題,研究人員開(kāi)展了大量研究[1-2],并提出改變?cè)鲆娼橘|(zhì)形狀的方案,由此誕生了板條、薄片、波導(dǎo)等不同增益介質(zhì)形狀的激光器。

最初的板條激光器由美國(guó)通用公司在1969年提出[3],因?yàn)榧す庠诎鍡l內(nèi)部沿“之”字型的光路傳輸,可以很好地抵消厚度方向上的熱畸變,所以能夠輸出較高的光束質(zhì)量和功率。準(zhǔn)三能級(jí)Yb∶YAG晶體因其本身量子效率高、光熱轉(zhuǎn)換效率低和光光轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn),非常適合作為高功率激光器的工作物質(zhì)。因此,科研人員將Yb∶YAG晶體和板條激光器相互結(jié)合,以求獲得更高功率的激光。2016年,陳小明等[4]利用小尺寸板條實(shí)現(xiàn)了3.54 kW的激光輸出,從模塊中提取功率2.7 kW,提取效率達(dá)到41 %。2018年,徐瀏等[5]采用兩塊多段體摻雜板條搭建了Yb∶YAG放大鏈路,在0.3 kW的種子光和50.4 kW的抽運(yùn)光條件下,獲得了11.9 kW的激光輸出,光光轉(zhuǎn)化效率為23 %。鏈路主放大器在3.6 kW信號(hào)光和33.6 kW抽運(yùn)條件下,提取功率8.3 kW,提取效率為24.7 %。

2008年,唐曉軍等人[6]在“之”字形板條的基礎(chǔ)上,提出了表層摻雜板條的結(jié)構(gòu)。表層摻雜板條結(jié)合了傳統(tǒng)板條和薄片的優(yōu)點(diǎn),不僅激光在板條內(nèi)部沿“之”字型傳輸可以消除熱畸變,而且摻雜面與熱沉直接接觸可以有效的散熱,具有輸出更高功率激光的潛力。目前有關(guān)表層摻雜板條的研究成果[7-10],見(jiàn)報(bào)的還不是很多。2018年,李寧等[8]采用小尺寸表層摻雜板條,實(shí)現(xiàn)了2.6 kW的激光輸出,從模塊中提取功率2.4 kW,提取效率為21.4 %。2018年,劉嬌等[9]報(bào)道一種Yb∶YAG梯形表層摻雜板條激光器。在準(zhǔn)連續(xù)實(shí)驗(yàn)中,泵浦能量48J,重復(fù)頻率5 Hz,脈寬1 ms的情形下,輸出了21.6 J的激光脈沖,光光轉(zhuǎn)化效率45 %。

本文在文獻(xiàn)[8]和[9]研究的基礎(chǔ)上,采用梯形結(jié)構(gòu)的Yb∶YAG表層摻雜板條,設(shè)計(jì)了萬(wàn)瓦級(jí)輸出的激光放大器。室溫下,當(dāng)3.5 kW的1030 nm信號(hào)光注入和22.4 kW的940 nm激光二極管抽運(yùn)時(shí),獲得10.6 kW的激光輸出,單模塊提取功率7.1 kW,提取效率為31.7 %。

2 理論分析

對(duì)于MOPA結(jié)構(gòu)的激光放大器,我們需要關(guān)注其中增益模塊的提取效率和提取功率。這是因?yàn)樵鲆婺K的提取效率與放大器的光光轉(zhuǎn)換效率息息相關(guān)。提升單模塊的提取效率,不僅能提升放大器的光光轉(zhuǎn)換效率,還能減少增益介質(zhì)中的放大自發(fā)輻射(ASE),有效提升放大器的光束質(zhì)量[11]。

Yb∶YAG晶體的局域提取效率可以定義為[12]:

(1)

(2)

式中,h為普朗克常量；τ為激光上能級(jí)的熒光壽命；υp和υl代表抽運(yùn)光和激光的頻率；σp和σl分別表示抽運(yùn)光的吸收截面和激光的發(fā)射截面。

圖1表示在300 K和450 K下,局域提取效率隨信號(hào)光強(qiáng)與抽運(yùn)光強(qiáng)的變化。從圖1中可以看出,同溫度下,局域提取效率與信號(hào)光強(qiáng)和抽運(yùn)光強(qiáng)均呈正相關(guān)的關(guān)系,即信號(hào)光強(qiáng)與抽運(yùn)光強(qiáng)越強(qiáng),局域提取效率越高。所以若想實(shí)現(xiàn)單模塊能量的高效提取,高亮度的抽運(yùn)光強(qiáng)和信號(hào)光強(qiáng)非常重要。不同溫度下,450 K時(shí)的局域提取效率在同信號(hào)光強(qiáng)和抽運(yùn)光強(qiáng)下要小于300 K時(shí),且在低信號(hào)光強(qiáng)和抽運(yùn)光強(qiáng)時(shí)表現(xiàn)的更加明顯。這是因?yàn)闇囟壬邥?huì)影響Yb3+離子的能級(jí)分布,使抽運(yùn)上能級(jí)和激光下能級(jí)的粒子數(shù)增多,抽運(yùn)下能級(jí)和激光上能級(jí)的粒子數(shù)減少。從Bourdet建立的準(zhǔn)三級(jí)速率方程[13]可以看出:這樣會(huì)使能級(jí)間的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)減少。從而使得產(chǎn)生同樣強(qiáng)度的激光卻需要比低溫時(shí)更強(qiáng)的抽運(yùn)光。因此想要實(shí)現(xiàn)單模塊能量的高效提取,有效抑制板條溫升亦非常重要。

表層摻雜板條的摻雜層很薄,僅有百微米量級(jí),又直接與熱沉接觸,熱阻降低,這大大提升了摻雜層的散熱,更有助于高強(qiáng)度抽運(yùn)光和激光的注入,實(shí)現(xiàn)單模塊能量高效提取,獲得大功率的激光輸出。而且表層摻雜板條保留了激光的之字形光路,有利于激光光束質(zhì)量的提升。

(a)300 K

(b)450 K

3 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示,M1～M5為反射鏡,鍍有1030 nm波長(zhǎng)的高反膜；M6為半透半反鏡；DM1和DM2為雙色鏡,鍍有940 nm波長(zhǎng)的增透膜和1030 nm波長(zhǎng)的高反膜；F1～F4為焦距300 mm的凸透鏡,表面鍍有1030 nm波長(zhǎng)的增透膜,其作用是在提升信號(hào)光與板條的耦合效率同時(shí)降低增益模塊的熱敏感性。鍍膜后的鏡片對(duì)相應(yīng)波長(zhǎng)的透過(guò)率或發(fā)射率均大于99.9 %。(1)和(2)分別表示信號(hào)光的單程和雙程放大光路。為了提升抽運(yùn)光功率密度,使用條紋鏡、反射鏡和偏振片將4支LD進(jìn)行空間/偏振合成[10],合束效率為95 %。實(shí)驗(yàn)中,對(duì)增益模塊采用雙端抽運(yùn)的方式,抽運(yùn)光總功率達(dá)到22.4 kW,中心波長(zhǎng)為940.5 nm。為使增益介質(zhì)對(duì)抽運(yùn)光的吸收達(dá)到最大,抽運(yùn)光進(jìn)入板條的角度為22°左右。

增益模塊結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示。采用梯形結(jié)構(gòu)的表層摻雜板條,板條尺寸為28 mm(x)×2 mm(y)×120 mm(z)(寬×厚×長(zhǎng))。在一塊純YAG基質(zhì)上鍵合一塊尺寸為28 mm×0.34 mm×100 mm的Yb∶YAG,Yb3+離子的摻雜濃度為2 at%。鍵合有Yb∶YAG的大面焊接在微通道冷卻熱沉上,其余部分直接與空氣接觸。板條的兩個(gè)端面切割為45°,且鍍有940 nm和1030 nm波長(zhǎng)的增透膜。激光在板條內(nèi)部的光路如圖3(b)所示。信號(hào)光單程放大和雙程放大進(jìn)入板條的角度分別為22°和26°。實(shí)驗(yàn)時(shí),將3.5 kW的信號(hào)光注入板條。信號(hào)光是由中心波長(zhǎng)1030 nm、功率0.2 kW的種子光經(jīng)預(yù)放得到。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

實(shí)驗(yàn)中采用恒溫水冷系統(tǒng)對(duì)LD和冷卻熱沉的溫度進(jìn)行控制,溫度分別設(shè)置為25 ℃和20 ℃。板條對(duì)抽運(yùn)光的吸收效率約為92 %；種子光與板條的耦合效率約為95 %；雙程放大時(shí)的交疊效率為95 %。

圖2 激光放大器實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖3 放大器增益模塊結(jié)構(gòu)及激光在板條內(nèi)部光路示意圖

Yb∶YAG表層摻雜板條激光放大器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4(a)所示。室溫條件下,雙端抽運(yùn)光功率22.4 kW,放大器將3.5 kW的種子光功率提升至10.6 kW,從增益模塊中提取功率7.1 kW,提取效率達(dá)到31.7 %。圖4(b)展示了增益模塊提取功率和提取效率的理論值和實(shí)驗(yàn)值。理論曲線是依據(jù)Bourdet提出的準(zhǔn)三能級(jí)模型[13]計(jì)算得到,同時(shí)模型也將溫度和耦合效率、交疊效率等實(shí)驗(yàn)參數(shù)考慮在內(nèi)。通過(guò)比較理論曲線和實(shí)驗(yàn)曲線可以發(fā)現(xiàn),理論值和實(shí)驗(yàn)值在誤差允許的范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)較好的擬合。從圖4中,我們可以看出放大器的光光效率還未達(dá)到最大,放大器的輸出還可以繼續(xù)的提升。所以為了進(jìn)一步提升增益模塊的提取功率和提取效率,我們可以采用如下的方式:①進(jìn)一步提升抽運(yùn)功率。根據(jù)圖4(b)理論曲線及實(shí)驗(yàn)值與理論值的誤差,在抽運(yùn)功率27.6 kW時(shí),單模塊的提取功率可以達(dá)到9 kW,提取效率可以達(dá)到33 %；②提升輸入信號(hào)光功率。根據(jù)理論模型的計(jì)算,若輸入信號(hào)光功率提升至7 kW,在同抽運(yùn)條件下,單模塊的提取功率可以達(dá)到8.1 kW,提取效率達(dá)到36.7 %。

圖4 輸出功率曲線和光光轉(zhuǎn)換效率曲線及增益模塊的提取功率曲率

根據(jù)理論模型的計(jì)算,現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件下的單模塊提取效率的極限在41 %左右。我們認(rèn)為限制提取效率繼續(xù)提升的原因主要有兩個(gè):①抽運(yùn)光的利用率不高。由于抽運(yùn)耦合和抽運(yùn)光與激光的交疊等實(shí)驗(yàn)因素,抽運(yùn)光的額外損耗很多。②板條內(nèi)部的溫度。根據(jù)前面的理論分析,溫度是影響板條提取效率的重要因素,高溫會(huì)限制板條內(nèi)的功率提取。大功率的抽運(yùn)光進(jìn)入板條會(huì)不可避免的帶來(lái)板條內(nèi)部的溫度升高。同時(shí)板條內(nèi)存在的放大自發(fā)輻射(ASE)不僅會(huì)帶來(lái)板條內(nèi)部的溫度升高還會(huì)消耗抽運(yùn)光帶來(lái)額外的抽運(yùn)光損耗,限制提取效率的提升。

實(shí)驗(yàn)中我們對(duì)表層摻雜板條激光波前進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果如圖5所示,在輸出激光10.6 kW時(shí),x方向的波前畸變?yōu)?.6 μm,y方向的波前畸變?yōu)?.5 μm,波前畸變較小。

圖5 Yb∶YAG表層摻雜板條的透射波前分布

5 結(jié) 論

本文在理論方面分析了抽運(yùn)光強(qiáng)、信號(hào)光強(qiáng)和溫度對(duì)模塊提取效率的影響,然后根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)參數(shù)建立了放大器輸出功率的理論模型。在實(shí)驗(yàn)上,主放大器采用了梯形結(jié)構(gòu)的Yb∶YAG表層摻雜板條,設(shè)計(jì)并開(kāi)展了表層摻雜板條的 MOPA鏈路放大實(shí)驗(yàn)。 在22.4 kW的940 nm激光二極管抽運(yùn)下,放大器將3.5 kW的1030 nm信號(hào)光提升至10.6 kW,提取功率7.1 kW,提取效率達(dá)到31.7 %。同時(shí)對(duì)透射波前進(jìn)行了測(cè)量。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分證明了表層摻雜板條可以獲得高功率激光,且還有獲得更高激光輸出的潛力。下一步可以優(yōu)化預(yù)放大器,同時(shí)增加抽運(yùn)光功率,這樣提取效率和輸出功率都將獲得進(jìn)一步的提升。