Yb∶YAG板條高亮度均勻泵浦耦合技術研究

劉 洋,李 寧,孫萬升,王 超,唐曉軍,謝桂娟,陳 露,張偉橋

(固體激光技術重點實驗室,北京 100015)

1 引 言

以激光二極管陣列(LDA)作為抽運源的固體激光器和固體激光放大器具有穩(wěn)定性良好,轉(zhuǎn)化效率高,熱效應小等優(yōu)點,被廣泛的應用于工業(yè)與科學應用中,如軍事武器、工業(yè)加工以及生物醫(yī)療等領域[1-2]。而隨著激光二極管穩(wěn)定性以及功率的提升,目前固體激光器的增益介質(zhì)材料逐漸從Nd∶YAG向Yb∶YAG轉(zhuǎn)化,主要由于Yb∶YAG以其能級結(jié)構(gòu)簡單、量子虧損小等優(yōu)點。例如,K.T[3]在2003年首次利用2.4 W的LD功率泵浦1at. %摻雜的Yb∶YAG激光晶體,實現(xiàn)大于345 mW的激光輸出。2013年,程[4]等人報道了一種在抽運功率為7.1 W的條件下獲得0.53 W的自調(diào)Q激光輸出。2018年,Wang[5]等利用Yb∶YAG搭建激光放大鏈路實現(xiàn)大于20 kW的連續(xù)激光輸出。然而,室溫下Yb∶YAG的玻爾茲曼熱效應為200 cm-1[6],在受熱后終端能級的粒子數(shù)會增加,形成準三能級的激光運行機制,意味在室溫下Yb∶YAG固體激光器需要較高的抽運閾值。所以想要利用Yb∶YAG獲得高效率高功率的激光輸出需要對晶體注入高泵浦功率,這意味著激光二極管在工作過程中需要進行高電流加載。然而,目前的激光二極管陣列受限于工藝的影響,其內(nèi)部的半導體芯片的高電流加載下會發(fā)熱,引起激光二極管陣列波長漂移,輸出功率不穩(wěn)定等問題,導致最終輸出的激光性能受到影響。所以,如何在保持激光二極管穩(wěn)定下實現(xiàn)高功率泵浦成為了目前制約Yb∶YAG激光器發(fā)展的因素之一。為了保持激光二極管陣列在合適電流下實現(xiàn)高功率泵浦,馬曉輝[7]等利用偏振復用的技術實現(xiàn)高功率激光二極管泵浦光纖激光器。而目前在固體狀或者板條狀激光器中,此類技術報道較少。

本文通過理論計算室溫下注入的泵浦光功率密度與Yb∶YAG晶體的提取效率之間的關系,利用空間與偏振復合的方式將四個激光二極管陣列進行合束,實現(xiàn)了泵浦總功率約24 kW,合束效率大于90 %,泵浦功率密度達到40 kW/cm2的泵浦光斑。為高功率Yb∶YAG激光器提供了可靠與高效的泵浦系統(tǒng)。

2 理論計算

在室溫下Yb∶YAG的玻爾茲曼熱效應為200 cm-1,因此在受熱后終端能級的粒子數(shù)會增加,形成準三能級的激光運行機制。室溫時激光下能級的熱粒子數(shù)大約為5.5 %。為了獲得和維持透明的激光波長即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件為:

(1)

式中,Isp為泵浦光飽和光強;Ip為泵浦光強度;fip(i=1,2,3)和fil(i=1,2,3)分別為泵浦能級和激光能級的玻爾茲曼分布數(shù)。為了克服光學損耗并達到激光閾值,需要更高的功率密度；為了得到有效的激光作用,必須將激光器的泵浦強度增加至其閾值之上的5～6倍。定義局域提取效率為激光提取的能量與理論上可提取的能量之比,后者正比于局域所吸收的泵浦能量。當激光強度足夠強時,Yb∶YAG的局域極限提取效率為:

(2)

在室溫條件下,局域極限提取效率和泵浦功率密度關系曲線如圖1所示,可以看出對于Yb∶YAG晶體而言,高泵浦功率密度是實現(xiàn)高光光轉(zhuǎn)換效率的重要因素之一,為了實現(xiàn)高效提取,Yb∶YAG板條較傳統(tǒng)的Nd∶YAG板條的泵浦功率密度至少要提升5～6倍,所以高亮度泵浦耦合技術是實現(xiàn)高效、高功率激光模塊的重要研究內(nèi)容。

圖1 Yb∶YAG晶體局域極限提取效率與泵浦功率密度關系曲線

3 空間/偏振復合的激光二極管合束系統(tǒng)設計

為了實現(xiàn)Yb∶YAG激光晶體的高效提取,需要保證足夠的泵浦光總功率。由式(2)與圖1可知,如果Yb∶YAG提取效率達到90 %以上,需要注入的泵浦光功率密度約為40 kW/cm2。對于目前商用的激光二極管陣列(如聚光或者dilas)其穩(wěn)定的最大輸出約為6000 W,而板條狀Yb∶YAG激光晶體的泵浦端面尺寸約為28 mm×2 mm,所以要求泵浦總功率要達到24 kW,需要將四個激光二極管陣列進行合束。為此提出一種利用空間與偏振復合的合束方式,實現(xiàn)4個LD合束。結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示,LD1與LD2進行空間合束,LD3與LD4進行空間合束,最后將兩個空間合束完的LD光斑進行偏振合束,實現(xiàn)4個LD合束。

圖2 空間/偏振復合的激光二極管合束系統(tǒng)

在現(xiàn)有的微通道傳導冷卻激光二極管面陣中,由于封裝工藝和微通道熱沉結(jié)構(gòu)的原因,每個bar條之間存在一定距離的間隔,現(xiàn)有商用的激光二極管面陣每個bar條之間的距離為1.8 mm,不利于實現(xiàn)更高泵浦功率密度、更加緊湊的泵浦耦合結(jié)構(gòu)。為了有效實現(xiàn)多支激光二極管面陣bar條間的有效拼接,第一程合束如圖2(b)所示,首先利用條紋鏡,實現(xiàn)兩支激光二極管面陣的空間拼接,條紋鏡如圖2(c)所示,針對激光二極管面陣的空間分布特點,在鏡片上間隔鍍制45 °全反射膜和增透膜,最終實現(xiàn)兩只LD的空間合束。兩支LD利用條紋鏡拼接后,每個bar條之間還存在一定的間隔,為實現(xiàn)更加緊湊的耦合結(jié)構(gòu)和更高功率密度的泵浦光分布,同時考慮激光二極管面陣的偏振度保持在95 %以上,在條紋鏡進行空間拼接后利用偏振片對兩種偏振態(tài)的激光二極管面陣進行偏振拼接,從而進一步提高泵浦功率密度。其中,LD1與LD2為TM模式偏振,LD3與LD4為TM模式偏振,偏振片為對TM模式的光全反射而對TM模式的光為全透射。所以LD1與LD2空間合束的光經(jīng)過偏振片后被反射,而LD3與LD4空間合束的光經(jīng)過偏振片后被全透射,實現(xiàn)偏振合成復用,完成4個LD的合束效果。

通過光線追跡軟件tracePro模擬兩種合束的效果,如圖3所示。圖3(a)為單個LD的光斑分布效果,可以看出LD的Bar之間有較大的間隙,通過空間條紋鏡進行合束之后,如圖3(b)所示,在光斑大小沒有增加的條件下,Bar與Bar之間的間隙被填充,光功率增加變?yōu)樵瓉淼膬杀丁６詈笸ㄟ^偏振合束完成4個LD的合束光斑效果圖如3(c)所示,合束光斑大小不變,光強分布均勻。所以該種合束泵浦方式能夠達到高泵浦條件,實現(xiàn)高效提取Yb∶YAG激光晶體。

圖3 光斑仿真模擬圖

4 實驗及結(jié)果分析

為測量兩次合束的效果,搭建如圖4所示的結(jié)構(gòu)。LD為Dilas出產(chǎn)的激光二極管陣列,水冷溫度為20 ℃,波長為940 nm。圖中45°HR為對940 nm全反射,所以LD1發(fā)出的光經(jīng)過45°HR反射至條紋鏡上面,再由條紋鏡上的反射條紋進入耦合器整形,最終進入功率計。而LD2直接透過條紋鏡上的透射條紋片進入功率計。而第二程合束裝置為兩個第一程合束疊加,通過偏振片進行合束疊加。

圖4 實驗裝置圖

實驗結(jié)果如圖5所示,在電流從20 A加載至200 A條件下,單個激光二極管陣列的最大輸出功率為6.7 kW,只有空間合束時,激光二極管的最大輸出功率為12.8 kW,輸出效率約為95 %。當對兩個空間合束之后的LD光斑進行偏振合束時,最大輸出的功率約為25 kW。合束效率約為90 %。若板條狀Yb∶YAG的端面尺寸為2 mm×28 mm時,泵浦光的功率密度約為44.6 kW/cm2,能夠?qū)崿F(xiàn)高效的激光提取。

圖5 泵浦功率與加載電流曲線

5 結(jié) 論

本文研究了一種用于Yb∶YAG板條激光器的高功率激光二極管泵浦源設計。首先理論計算了Yb∶YAG板條激光器高效提取時所需的泵浦功率密度。利用空間與偏振復合拼接的方式實現(xiàn)總功率大于2.5 kW,功率密度大于40 kW/cm2的泵浦源設計。通過實驗驗證,在加載電流條件為200 A下,泵浦總功率約為25 kW,泵浦光的功率密度約為44.6 kW/cm2,總合束效率為90 %以上。證明了該種實現(xiàn)高功率泵浦的方式能夠有效的解決目前Yb∶YAG板條狀激光晶體因泵浦功率低下而導致的功率和效率下降的問題。