大功率1.3 μm二極管泵浦Nd∶YAG激光器研究

李 星,張大為,華玉婷,趙書云,包照日格圖

(華北光電技術研究所,北京 100015)

1 引 言

自從1960年第一臺紅寶石固體激光器問世以來,激光技術獲得了蓬勃的發(fā)展,各種波段的激光器相繼問世。尤其隨著半導體技術的日益發(fā)展和成熟,激光二極管在功率、轉換效率、運行壽命等方面已經有極大提高,將其用在固體激光器中光泵浦系統(tǒng)后,因其能夠極大降低注入激光晶體內的無用熱量,能夠明顯降低激光晶體的熱畸變,顯著提高激光器光束質量,從而成為激光泵浦技術中的一個重要突破,激光二極管泵浦固體激光器[1]的迅速發(fā)展逐漸成為一種趨勢。其中1.3 μm波長Nd∶YAG激光器因其輸出波長的特殊性廣泛應用于光纖通信、激光醫(yī)療、非線性頻率轉換、光電對抗等領域。國內外關于1.3 μm激光器的報道主要以大功率連續(xù)或聲光調Q準連續(xù)激光器研究為主[2-4],未見到涉及能夠適應復雜嚴酷環(huán)境條件的產品制造方面的報道。因非線性頻率變換和光電對抗領域對1.3 μm Nd∶YAG激光器的光束質量有很高的要求,所以華北光電技術研究所對如何降低熱效應、如何實現泵浦腔均勻泵浦技術等方面進行了廣泛的基礎研究,通過雙泵浦腔串接、諧振腔優(yōu)化設計、環(huán)形泵浦腔設計等手段,實現了平均功率140 W、光束發(fā)散角10 mrad、脈沖寬度250 ns的1.3 μm連續(xù)激光輸出,能夠在高低溫、振動、沖擊等嚴酷條件下穩(wěn)定、長時間工作,為拓展產品的應用奠定基礎。

2 方案設計

為獲得高光束質量、高功率1.3 μm激光輸出,需要對激光工作介質、增益分布的均勻性、諧振腔選模等方面進行通盤考慮和優(yōu)化設計,并結合專門的工藝設計,保障實際產品的高可靠性運轉工作。

2.1 激光工作介質

目前可以輸出1.3 μm波長激光的固體激光材料有:Nd∶YAG、Nd∶YAP、Nd∶YVO4、Nd∶GdVO4等,以上四種晶體都較適合于LD泵浦。激光晶體的受激發(fā)射截面σ和熒光壽命τ的乘積與激光輸出功率成正比,與激光閾值成反比。表1是各晶體1.3 μm波段躍遷的參數與熱導率的對比?？紤]到晶體的均勻性、消光比等指標因素,激光工作介質選取性能較為全面優(yōu)異的Nd∶YAG晶體,滿足產品性能要求。

表1 各晶體1.3 μm波段躍遷的參數與熱導率的對比

由于Nd∶YAG晶體的發(fā)射光譜中除了1064 nm譜線以外還有1319 nm、1338 nm等發(fā)射譜線,如果不進行專門的抑制措施,很難實現單個波長激光輸出。本文中為了實現1319 nm波段的激光輸出,必須抑制1064 nm、1338 nm等多余譜線振蕩,其方法是通過對諧振腔鏡片的膜系設計增大1064 nm、1338 nm等多余譜線的腔內損耗從而達到對其進行抑制的效果。

2.2 泵浦方式

實現高光束質量激光的基礎實現激光工作介質橫截面上增益分布均勻性[5]和增益分布與諧振腔低階模的模式匹配。為獲得理想的增益分布,激光工作介質的泵浦方式采用二極管側面泵浦方式,對該聚光腔進行了特別設計(如圖1所示),采用單條20 W的連續(xù)808 nm激光二極管陣列作為泵浦單元,并將35個20 W連續(xù)激光二極管分成5排,這樣形成單排為7只激光二極管的熱沉結構。這5排激光二極管陣列等間距環(huán)繞安裝在一個整體金屬骨架上,呈五邊對稱形環(huán)繞在工作介質Nd∶YAG圓棒的周圍,實現了激光棒熒光分布的均勻性(如圖2所示)。

圖2 熒光分布圖

圖1 聚光腔示意圖

為獲得優(yōu)良的泵浦均勻性,實際產品研制時需要對每只激光二極管陣列都進行嚴格的波長、功率測試,將中心波長、輸出功率相近的35個泵浦單元用在一個聚光腔內,以此保證聚光腔的光學性能的一致性。

2.3 諧振腔設計

考慮到激光器光束質量隨著激光棒熱效應的增加而變差的因素,我們采用雙棒串接的設計方案,即降低了單個激光棒上的泵浦功率、減弱了熱效應,又通過兩個激光棒比例放大了激光器的輸出功率。

對于雙棒串接腔來說,最簡單的情況是將激光增益介質的熱透鏡效應看做薄透鏡來處理,其等價腔模型如圖3所示為諧振腔等價模型。

圖3 諧振腔等價模型

其中,M1和M2為諧振腔鏡片；d1為腔鏡M1與激光棒的距離；d2為腔鏡M2與激光棒的距離；dm為兩個熱透鏡之間的距離。

若以鏡M1為參考,腔內單程變換矩陣為:

往返一周的矩陣為:

(1)

光腔g*參數為：

(2)

式中:

(3)

即可求出鏡Mi處的束寬、束腰ωoi及其位置Loi。光腔的約束穩(wěn)定條件為:

0

(4)

以本文采用的平平腔為例,R1和R2均為無限大,因此光腔的約束穩(wěn)定主要取決于諧振腔內各個光學元件的距離和激光棒的熱焦距。因此,可以通過改變激光棒端面曲率半徑的方法矯正特定注入功率下的激光棒熱焦距處于設計值范圍內,以此保證激光器各個方面優(yōu)異的性能。一般的工藝步驟是在裝配好的聚光腔上測試激光棒(兩個端面為平面)的熱焦距,根據熱焦距數據算出需要矯正的激光棒端面的曲率半徑,再通過光加工將激光棒兩個端面修磨為指定曲率半徑的凹面,再重新測試激光棒的熱焦距復驗是否達到設計要求。

另外需要注意的一點是膜系設計上除了有關光學性能的技術指標外還應充分考慮對高重頻激光脈沖的抗損傷閾值的要求。并在樣機設計[5]上,從工藝控制的角度充分考慮機頭內部光路密封和光學元件的表面清潔等問題。

3 實驗裝置與結果分析

通過對1.3 μm激光器的技術要求的深入分析和研究,1.3 μm激光器采用兩個激光二極管側面泵浦腔串聯的方式,通過聲光調制的方式來實現輸出功率百瓦級、脈沖寬度小于250 ns、光束發(fā)散角優(yōu)于10 mrad、重復頻率10 kHz的1319 nm激光輸出。1319 nm激光器的光路圖如圖4所示。

圖4 1319 nm激光器的示意圖

其中,晶體棒為Nd∶YAG晶體,晶體棒尺寸為φ5×100,端面鍍1.06 μm、1.319 μm、1.38 μm增透膜,其兩個端面的曲率需要結合激光棒熱焦距和諧振腔設計參數進行修磨匹配；全反鏡為平行平面鏡,鍍1.319 μm高反射(99.9 %)、1.06 μm、1.38 μm高透過(大于80 %)；輸出鏡為平行平面鏡,鍍1.319 μm部分反射(R=90 %)、1.06 μm、1.38 μm高透過(大于80 %)；調Q方式為聲光調Q方式。

根據圖5所示的曲線,可以看出激光器的動靜比達到80 %左右,且隨著注入泵浦光功率的加大輸出功率趨于飽和,于注入光功率1254 W時獲得140 W的動態(tài)激光,最高光光轉換效率13 %左右。我們在100 W動態(tài)功率輸出狀態(tài)下進行了4 h功率穩(wěn)定性測試,穩(wěn)定度達到2 %以內。

圖5 輸出功率隨泵浦光功率的變化曲線

我們采用套孔法進行了激光器發(fā)散角測量。使用可變光闌測量焦距1 m平凸透鏡焦平面上包含86.5 %功率的光斑直徑。經測試后得到激光器發(fā)散角約10 mrad,光束參數乘積達到25 mm·mrad。也使用德國cinogy的光束分析儀進行了1319 nm激光的光斑強度分布的測試,從圖6可以看出,遠場光斑呈高斯分布。

圖6 激光器遠場光斑

4 結 論

本文通過優(yōu)化設計環(huán)形泵浦腔的結構參數獲得了極為均勻的增益分布,為實現低階模激光輸出奠定了基礎,再結合諧振腔參數的優(yōu)化設計、模式匹配技術、激光棒的熱效應補償等技術手段,在樣機實現了輸出功率140 W、發(fā)散角10 mrad、脈沖寬度250 ns、重復頻率10 KHz的1319 nm激光,為今后的波長拓展奠定基礎,非常適合于工程應用。