高功率陶瓷板條激光器

宋艷潔，朱鐸，薄勇，彭欽軍，李江

（1.中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所 固體激光重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；2.中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所 功能晶體與激光技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；3.中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所，上海 201899）

引言

高功率固體激光在航空航天、軌道交通、海洋及衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)等高端裝備制造領(lǐng)域以及高能量密度科學(xué)和聚變能源等國際前沿研究領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用前景，對于國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國防安全均有重大戰(zhàn)略意義[1-5]。然而，在高功率激光器中，傳統(tǒng)棒狀激光器的熱效應(yīng)會隨著輸出功率的增加而加劇，不僅制約著激光輸出功率的提高，顯著降低光束質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)還會導(dǎo)致增益介質(zhì)的碎裂。為解決這一問題，美國通用公司于 20 世紀(jì) 70 年代提出了Zigzag 板條激光器的概念[6]，即激光在增益介質(zhì)內(nèi)“之”字形傳輸，以均勻一個(gè)方向上的溫度梯度，它與棒狀激光器和直通型板條激光器不同，激光在穿過板條時(shí)經(jīng)歷相同的溫度梯度，從而補(bǔ)償了厚度方向上的部分熱畸變，大大降低了熱效應(yīng)對光束質(zhì)量的影響[7]。此外，薄板條的結(jié)構(gòu)外表面積較大，可用作高效散熱的冷卻面，使增益介質(zhì)內(nèi)的溫度梯度降低；較大的表面積同時(shí)可提供較大的泵浦面積，有利于提高泵浦功率，實(shí)現(xiàn)高功率輸出。2002年，美國 TRW 公司利用半導(dǎo)體激光器（簡稱 LD）泵浦的 Nd:YAG 晶體板條實(shí)現(xiàn)了 5.4 kW的輸出功率[8]。2009年，美國 Northrop Grumman 公司利用基于 Nd:YAG 晶體板條的 7 路主振蕩功率放大器（MOPA）鏈條實(shí)現(xiàn)了 105 kW 的輸出功率[9]。雖然目前基于 Nd:YAG 的板條激光器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了極高的輸出功率，但進(jìn)一步提高輸出功率變得越來越困難。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的 Nd:YAG 晶體板條生長受限于工藝，很難生產(chǎn)出大尺寸、高質(zhì)量的Nd:YAG 晶體坯料。

作為新一代激光增益材料，激光陶瓷與激光晶體相比優(yōu)勢頗多[10-12]。陶瓷材料通常由高純度晶體納米粉末通過高溫?zé)Y(jié)壓制而成，這一過程消除了晶體的生長限制，從而可以獲得晶體無法達(dá)到的尺寸，還可以實(shí)現(xiàn)不同摻雜和不同材料共同燒結(jié)。因此，激光陶瓷具有成本低、制備周期短、加工簡單、燒結(jié)溫度低、尺寸大、體積構(gòu)型靈活等優(yōu)點(diǎn)。此外，高摻雜濃度激活離子的激光陶瓷仍能表現(xiàn)出良好的光學(xué)和激光性能，這是晶體不具備的特性。與同類型的激光晶體相比，陶瓷具有更好的機(jī)械性能[13-14]，抗激光熱損傷能力更強(qiáng)。激光陶瓷這些優(yōu)異的特性為發(fā)展大能量、高功率激光技術(shù)開辟了機(jī)會。

1995年，日本科研工作者利用氧化物固相反應(yīng)法制備出了散射損耗低至0.009 cm-1的Nd:YAG高透明陶瓷，并實(shí)現(xiàn)了常溫下首次采用透明陶瓷實(shí)現(xiàn)激光輸出[15]。自此以后，使用透明激光陶瓷作為增益材料的激光技術(shù)迅速發(fā)展起來。2002年 LU J 等人使用摻雜濃度為0.6%、尺寸為Φ4 mm×105 mm 的單根Nd:YAG 陶瓷棒實(shí)現(xiàn)了1.46 kW 的連續(xù)激光輸出[16]。2006年，Livermore 實(shí)驗(yàn)室使用Nd:YAG 陶瓷獲得67 kW 的高功率Nd:YAG 陶瓷板條激光輸出[17]。2010年，美國達(dá)信公司使用Nd:YAG激光陶瓷獲得了100 kW 量級的激光輸出[18]。

我國關(guān)于透明陶瓷激光技術(shù)的研究起步相對較晚。目前國內(nèi)從事透明陶瓷激光技術(shù)研究的單位有中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所、中國工程物理研究院、中電11 所等。其中中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所從2005 年開始陶瓷激光技術(shù)研究，2007 年本課題組利用上海硅酸鹽研究所研制的Nd:YAG激光陶瓷材料，在國內(nèi)率先研制出功率達(dá)10 W 的陶瓷激光器[19]；2010 年本課題組利用上海硅酸鹽研究所研制的Ф6 mm×100 mm 的Nd:YAG 陶瓷棒在國內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)了千瓦級激光輸出[20]，當(dāng)泵浦功率為2 511 W時(shí)，準(zhǔn)連續(xù)1 064 nm 激光輸出功率達(dá)961 W，光光轉(zhuǎn)換效率為38.3%。同時(shí)，本課題組對比研究了陶瓷材料與晶體材料的激光熱損傷特性。經(jīng)實(shí)驗(yàn)和理論仿真發(fā)現(xiàn)，在相同條件下，陶瓷材料的激光熱損傷閾值較晶體材料高60%以上，這意味著陶瓷材料比晶體材料在激光損傷性能方面更有利于輸出高功率激光[21]。與棒狀增益介質(zhì)相比，板條狀的增益材料在熱管理性能方面有著更好的優(yōu)勢，更適合用于高功率的激光定標(biāo)放大。本課題組近年來對激光陶瓷板條開展了系列研究，本文總結(jié)了課題組在高功率陶瓷板條激光技術(shù)方面的主要研究進(jìn)展。

1 Nd:YAG 陶瓷板條激光器

近年來，Nd:YAG 透明陶瓷發(fā)展迅速，其幾乎具有Nd:YAG 單晶的全部優(yōu)點(diǎn)：良好的光學(xué)、物理、化學(xué)及機(jī)械性能等。早期Nd:YAG 透明陶瓷比Nd:YAG 單晶具有更大的散射損耗；但現(xiàn)今Nd:YAG透明陶瓷的散射損耗已接近于Nd:YAG 單晶。課題組采用上海硅酸鹽研究所研制的Nd:YAG 透明陶瓷進(jìn)行了陶瓷激光的實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 Nd:YAG 陶瓷板條激光實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Structure diagram of Nd:YAG ceramic slab laser experimental setup

Nd:YAG 陶瓷板條采用等腰梯形結(jié)構(gòu)，其尺寸為120 mm×50 mm×3 mm，摻雜濃度為1 at.%，尺寸端面切角約為55 °。板條的大面和端面均經(jīng)過嚴(yán)格的光學(xué)級拋光，在板條的上大面鍍808 nm 泵浦光增透膜，板條的下大面鍍808 nm 泵浦光高反膜；在板條的上、下大面鍍一層倏逝波保護(hù)膜，使振蕩激光在這兩面之間的全內(nèi)反射不受機(jī)械安裝和密封零件破壞。Nd:YAG 陶瓷板條激光實(shí)驗(yàn)采用波長為808 nm 的半導(dǎo)體激光器陣列（LDA）進(jìn)行泵浦，并調(diào)節(jié)其溫度，從而使泵浦波長對準(zhǔn)Nd:YAG陶瓷的吸收峰。泵浦光由LDA 出射后，經(jīng)過泵浦光整形系統(tǒng)，對泵浦光進(jìn)行勻化，并耦合進(jìn)板條上大面中。

激光器采用平凹腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，M1 為凹面鏡，曲率半徑為750 mm，表面鍍有1 064 nm 高反膜（反射率≥99.8%）；M2 為平面鏡，對1 064 nm 激光的透過率為60%。當(dāng)LD 泵浦功率為9 984 W時(shí)，Nd:YAG陶瓷板條實(shí)現(xiàn)了平均功率4 350 W的1 064 nm 激光輸出，光光效率達(dá)到了43.6%。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)中對陶瓷板條和晶體板條的激光輸出特性進(jìn)行了對比，如圖2 所示。

圖2 Nd:YAG 陶瓷板條激光和晶體板條激光輸出功率曲線Fig.2 Output power of Nd:YAG ceramic slab laser setup versus pump power

在相同的泵浦功率下，晶體板條的輸出功率為4 500 W，光光效率為45%。兩者相比，陶瓷板條的輸出功率略低于晶體板條3%，可以說基本相當(dāng)。

2 高功率Yb:YAG 陶瓷板條激光器

相比于Nd:YAG 晶體材料，Yb:YAG 陶瓷材料表現(xiàn)出更好的特性：首先，Yb3+的主要吸收峰和發(fā)射峰的波長距離更近，量子虧損更小，有助于降低熱累積；其次，Yb3+的熒光壽命較長，在儲能方面具有優(yōu)勢；此外，Yb3+的能級結(jié)構(gòu)比較簡單，所以在高濃度摻雜下的Yb:YAG 陶瓷也不存在濃度猝滅；而且，由于Yb:YAG 陶瓷在940 nm 附近有較寬的吸收帶寬，Yb:YAG 激光器可以在很寬的溫度范圍內(nèi)工作，極大降低了二極管泵浦源的溫度控制難度?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)，我們采用上海硅酸鹽研究所研制的Yb:YAG 陶瓷材料作為激光增益介質(zhì)，設(shè)計(jì)了Yb:YAG 陶瓷板條激光裝置，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 Yb:YAG 陶瓷板條激光裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of Yb:YAG ceramic slab laser setup

陶瓷板條激光模塊仍然采用梯形結(jié)構(gòu)，板條尺寸為173.6 mm×66 mm×6 mm，摻雜濃度為0.6 at.%，其上大面尺寸為159.3 mm×66 mm，下大面尺寸為173.6 mm×66 mm，兩端切角均為40 °。板條的兩端面鍍有1 030 nm 光的增透膜，以減少激光在端面反射的損耗。板條上下大面鍍有泵浦光940 nm 的增透膜，透過率達(dá)到99.8%，以確保泵浦光幾乎完全通過上大面進(jìn)入板條并被吸收。板條的2 個(gè)側(cè)面做打毛處理，從而抑制放大的自發(fā)輻射（ASE）并避免自激振蕩在兩側(cè)面間產(chǎn)生。冷卻液從上下大面經(jīng)過，采用直接液冷的方式來進(jìn)行散熱。

Yb:YAG 板條激光裝置采用波長為940 nm 的LDA 進(jìn)行泵浦，并調(diào)節(jié)其溫度從而使泵浦波長對準(zhǔn)Yb:YAG 的吸收峰。泵浦光由LDA 出射后，同樣經(jīng)過泵浦光整形系統(tǒng)進(jìn)行勻化，并耦合進(jìn)板條上大面中。為了在獲得較高的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的同時(shí)減少熱量的產(chǎn)生，泵浦源采用準(zhǔn)連續(xù)波（QCW）泵浦，重復(fù)頻率為160 Hz，脈沖寬度為600 μs。

為了產(chǎn)生激光輸出，采用了M1 與M2 兩面腔鏡構(gòu)成諧振腔。其中，M1 為凹面鏡，曲率半徑為750 mm，表面鍍有1 030 nm 高反膜，反射率達(dá)到99.8%；M2 為平面鏡，對1 030 nm 激光部分透過，透過率為60%。輸出激光從M2 出射，經(jīng)過分光鏡分光后，射入激光功率計(jì)（PM，OPHIR NOVAII/30K-W-BB-74）進(jìn)行功率測試。圖4 給出了激光輸出功率隨吸收的泵浦功率變化的曲線，從中可以看出，輸出功率隨吸收泵浦功率接近線性增長，當(dāng)吸收的泵浦功率達(dá)到9.57 kW時(shí)，最大輸出功率達(dá)到6.2 kW。經(jīng)計(jì)算可知，當(dāng)輸出功率達(dá)到最大時(shí)，光光效率為64.8%，斜率效率高達(dá)72.1%。此時(shí)，功率曲線的斜率并未展現(xiàn)出下降趨勢，這表明當(dāng)泵浦功率進(jìn)一步增大，輸出功率也會以與之前相同的斜率增長。

圖4 Yb:YAG 陶瓷板條激光裝置輸出功率隨吸收的泵浦功率變化的曲線Fig.4 Output power of Yb:YAG ceramic slab laser setup versus absorbed pump power

圖5 給出了準(zhǔn)連續(xù)波運(yùn)轉(zhuǎn)的Yb:YAG 陶瓷板條激光典型的波形圖，激光重復(fù)頻率為160 Hz，與泵浦脈沖的重復(fù)頻率相同，脈沖寬度為560 μs，占空比約為9%。測試輸出激光的中心波長和半高寬，結(jié)果如圖6 所示，輸出激光的中心波長為1 030 nm，半高寬為0.9 nm。

圖5 Yb:YAG 陶瓷板條激光裝置典型的示波器波形Fig.5 Typical oscilloscope trace of QCW pulse Yb:YAG ceramic slab laser setup

圖6 Yb:YAG 陶瓷板條激光裝置測量波長Fig.6 Measured wavelength of Yb:YAG ceramic slab laser at full output power

在上述研究的基礎(chǔ)上，我們進(jìn)一步使用上海硅酸鹽研究所研制的更大尺寸、更高摻雜濃度的Yb:YAG 陶瓷樣品，研制了10 kW 級的Yb:YAG 陶瓷板條激光模塊，其結(jié)構(gòu)圖如圖7 所示。板條同樣采用梯形結(jié)構(gòu)，板條尺寸為 174.5 mm×66 mm×6.6 mm，其中上大面為158.2 mm×66 mm。板條摻雜濃度為0.8 at.%，板條端面與側(cè)面切角，均與6.2 kW 級板條相同，且側(cè)面仍進(jìn)行打毛處理。與6.2 kW 級板條不同的是，板條上大面依舊鍍有泵浦光940 nm增透膜，而下大面則鍍有泵浦光940 nm 高反膜，使得泵浦光經(jīng)由上大面入射后，通過下大面進(jìn)行反射從而實(shí)現(xiàn)雙程吸收提高泵浦光的吸收效率。在激光運(yùn)行過程中，為了評價(jià)激光板條模塊產(chǎn)生高功率高光束質(zhì)量激光輸出的潛力，使用了一束波長632.8 nm 的平行光束，從陶瓷板條的一個(gè)端面射入，并沿著與輸出激光相同的“之字形”路徑進(jìn)行傳輸，單次通過正在運(yùn)行的板條并從板條的另一個(gè)端面射出。出射的參考紅光光束，經(jīng)過分光鏡M3后，被反射至一系列探測器中，以獲得單次通過板條的參考光紅光光束的波前畸變等參數(shù)，用以評價(jià)Yb:YAG 陶瓷板條激光模塊輸出高功率高光束質(zhì)量激光的潛力。

圖7 10 kW 級Yb:YAG 陶瓷板條激光裝置示意圖Fig.7 Structure diagram of Yb:YAG ceramic slab（10 kW class）laser setup

使用上述大尺寸Yb:YAG 陶瓷板條激光模塊進(jìn)行出光實(shí)驗(yàn)，其輸出功率隨吸收的泵浦光功率變化的曲線如圖8 所示。由圖中可知，當(dāng)吸收的泵浦功率達(dá)到16.4 kW時(shí)，其輸出功率達(dá)到9.85 kW，此時(shí)Yb:YAG 陶瓷板條激光器的光光效率達(dá)到60%，斜率效率約為65.3%。從圖中也可以看出，激光的中心波長為1 030 nm，半高寬為0.9 nm。

圖8 10 kW 級Yb:YAG 陶瓷板條激光振蕩器功率曲線（插圖為波長測量結(jié)果）Fig.8 Measured output power of Yb:YAG ceramic slab（10 kW class）laser versus absorbed pump power（inset measured wavelength at full output power）

圖9 展示了探測紅光在激光最高輸出功率時(shí)，經(jīng)由聚焦系統(tǒng)聚焦所得的遠(yuǎn)場光斑的光強(qiáng)分布，經(jīng)由該分布計(jì)算所得的光束質(zhì)量β因子為3.7 倍衍射極限。探測紅光在進(jìn)入聚焦系統(tǒng)并由CCD 相機(jī)探測遠(yuǎn)場光斑的同時(shí)，也被分光并由波前傳感器進(jìn)行波前分布的探測，圖10 給出了探測紅光的波前分布圖。在最高功率輸出時(shí)，測得的波前畸變峰谷（PV）值為2.8 μm，其分布呈現(xiàn)出中間部分較高，上下邊緣部分較低的情況。首先，我們已經(jīng)測試板條激光模塊在不出光情況下的波前分布，以驗(yàn)證板條加工誤差等因素對波前分布的影響，結(jié)果顯示波前分布較均勻。為了更好地分析原因，我們對板條的溫度分布進(jìn)行了有限元仿真。仿真結(jié)果顯示，沿著板條寬度方向的溫度分布，其規(guī)律與所探測的波前分布相似，這說明了板條探測光波前畸變可能主要由板條內(nèi)熱效應(yīng)引起。

圖9 測得的探測光遠(yuǎn)場光斑光強(qiáng)分布Fig.9 Far-field intensity distribution of probe beam measured under full output power

圖10 波前分布圖Fig.10 Wavefront distribution map

3 結(jié)論

本文報(bào)道了本課題組近年來在高功率陶瓷板條激光方面的主要研究進(jìn)展：1）研制出了平均功率達(dá)4.35 kW 的Nd:YAG 陶瓷板條脈沖激光器，激光脈沖寬度為160 μs，重復(fù)頻率為400 Hz；2）研制出了平均功率達(dá)9.8 kW 的Yb:YAG 陶瓷板條脈沖激光器，激光脈沖寬度為560 μs，重復(fù)頻率為160 Hz，光光轉(zhuǎn)換效率為60%。這些結(jié)果表明，大尺寸激光陶瓷是實(shí)現(xiàn)高功率、高光束質(zhì)量、高效率固體激光的重要增益介質(zhì)。