LD侧泵Nd∶YAG薄板条MOPA激光器

王 喆,刘 洋,刘 磊,刘善超,赵 鸿

(固体激光技术重点实验室,北京 100015)

·激光器技术·

LD侧泵Nd∶YAG薄板条MOPA激光器

王 喆,刘 洋,刘 磊,刘善超,赵 鸿

(固体激光技术重点实验室,北京 100015)

报道了一种基于主振荡—功率放大(MOPA)方式工作的脉冲激光器。为了获得高重复频率、高平均功率的激光输出，采用尺寸为4 mm×35 mm×160 mm，掺杂浓度为1%的Nd∶YAG薄板条。通过对侧面出光的浸入式板条激光器进行LD阵列侧面泵浦，在泵浦光平均功率为15 kW时，实现了稳定的4.15 kW的激光输出，谐振腔的光光转换效率为27.7%。在此基础上，采用两个放大模块建立了一级振荡二级放大的MOPA装置，输出光平均功率达6.4 kW。

固体激光器；激光二极管；侧抽运； Nd∶YAG晶体；MOPA

1 引 言

板条激光器是利用介质几何结构对称性和“之”字形光路来补偿热透镜效应、应力双折射和退偏效应，可以避免传统的棒状固体激光器在高功率泵浦条件下产生的严重热效应，从而获得好的光束质量[1]。采用泵浦源进行侧面泵浦，热效应相较端面泵浦较小，并且可以充分利用激活区域，通过简单的增加抽运长度来承载更多的抽运能量，从而获得高功率输出。

近年来,美国诺格公司和达信公司在美国联合高功率固体激光器(JHPSSL)计划中取得了很多进展,诺格公司利用主振荡-功率放大(MOPA)类型固体激光器单链路输出功率达到15 kW,并通过7束激光进行相干合束,获得了105 kW的强光输出[2],为MOPA类型激光器走向大规模和实用化奠定了坚实的基础[3-4]。

达信公司则通过利用Textron公司的ThinZag专利技术和大尺寸Nd∶YAG薄板条激光增益介质，实现了单模块17 kW的输出。通过6个17 kW的大口径Thinzag板条模块串联组成谐振腔，利用自适应系统进行波前相位校正，单口径实现了100 kW的激光输出。这些成果引起了世界各国对高能固体激光技术的新一轮研究热潮。

在此基础上，我们设计了千瓦级高平均功率、高重复频率、微秒量级脉冲宽度的Nd∶YAG 板条激光器。采用以大面积脉冲二极管阵列作为泵浦源，并用非成像耦合方式对板条侧面进行泵浦[5-6]，同时保证泵浦光分布均匀；谐振腔增益介质采用掺杂浓度为1%的大尺寸Nd∶YAG薄板条，大尺寸薄板条可以在保证泵浦光被充分吸收的条件下，有效缓解热管理问题，减小热效应；冷却方式采用冷却液直接冷却增益介质；激光器采用“之”字形激光光路[7]，通过主振荡—功率放大(MOPA)装置，最终获得了重复频率为1 kHz,脉冲宽度为168 μs，平均功率为6.4 kW的脉冲激光输出。

2 实验装置及其设计

2.1 激光器冷却结构

二极管侧面泵浦的大口径Thinzag板条激光增益模块结构示意图如图1所示,Nd∶YAG板条尺寸为4 mm×35 mm×160 mm，Nd3+掺杂浓度为1%，光束在激活介质内形成5次反射。 该结构中大尺寸的Nd∶YAG薄板条夹置于两片熔融石英窗口之间形成“三明治”结构，泵浦光透过熔融石英窗口泵浦Nd∶YAG薄板条的两个大侧面。激光束以“之”字形光路通过Nd∶YAG薄板条、冷却液，并在石英窗口外表面形成全内反射。“之”字形光路以及对称的抽运结构和冷却方式有效地补偿了泵浦的不均匀性，能够保证较好的输出光束质量。在熔融石英窗口和薄板条之间的夹缝中利用冷却液以层流方式对板条进行冷却，冷却液的流动方向可以沿着板条的长度(z方向)或者是宽度(y方向)方向。保证冷却液在板条两侧的流动方向相反，这样可以有效地降低板条的温度梯度，有利于高光束质量的激光输出。并且由于激光器在工作时，腔内激光以“之”字形传输，激光要多次经过冷却液，因此，我们需要通过比对不同冷却液对激光的吸收系数，采用最佳的冷却液成分，减小吸收损耗。

图1 侧泵侧出Thinzag板条激光增益模块

2.2 激光器泵浦结构设计

采用波长为808nm的高功率准连续LD叠阵对晶体进行泵浦，各个叠阵的峰值功率为3750W，占空比为20%。采用20支同样的叠阵，5支一组，组成双侧泵浦结构，如图2所示。通过分析泵浦源二极管线阵的近场以及远场光强分布，光谱构成，指向性偏差等数据，有序排列二极管泵浦源。采用非成像技术、泵浦光匀化技术，用光线追迹软件对泵浦光传播进行仿真，设计出使得泵浦光在增益介质内均匀分布的泵浦源耦合结构。

4组泵浦源组成双侧泵浦结构，为使泵浦光尽量集中，每一侧的两组LD在水平方向(x方向)以一定的角度照射在同一区域。为实现泵浦的均匀性，两组LD形成交错泵浦形式，从而有效实现LD叠阵在快轴方向进行填空。另外为避免两侧LD剩余泵浦光的对照而影响LD的使用寿命，四组LD在竖直方向(y方向)上以一定角度照射到模块上，为保证未被完全吸收的泵浦光错开对面的LD模块，剩余的泵浦光利用808nm的全反射镜反射进入模块中。泵浦结构从整体上看类似于一个“蝶”形结构，如图2(b)所示。

图2 泵浦结构示意图

使用CCD拍摄两种泵浦结构下泵浦光的荧光分布，如图3所示。与传统的平直型泵浦结构图2(a)相比，“蝴蝶”型泵浦结构可以使泵浦区域更加集中，并且通过倾斜交错的结构设计还可以实现泵浦光的匀化。

图3 泵浦光荧光分布示意图

2.3 激光入射角度的设计

由于激光光学腔由玻璃、冷却液和YAG板条三种材料组成，激光器工作时，腔内激光以“之”字形传输，激光在各介质中的传输光路如图4所示。激光传输过程中需经过20个以上不同介质间的反射面，并且在某些界面上由于入射角较大，即使利用镀膜的方法也不能保证高透过率，因此需合理设计入射角度以减小光路中的菲涅尔反射从而提高系统的总体透过率，同时保证系统的线偏振输出。下面简要介绍一下光学腔角度设计过程。

图4 光路图

光线在石英板、冷却液层和Nd∶YAG板条内传输满足折射定律，即:

nSiO2sinθ1=nwatersinθ2=nNd∶YAGsinθ3

(1)

同时，为保证激光在石英外表面发生全反射以及石英内表面和冷却液层之间不发生全反射，θ1需满足下列条件：

(2)

菲涅尔反射公式原理图如图5所示。

图5 入射光、反射光和折射光p，s，k正交系的选取

由菲涅尔公式可以得到两种偏振态的透过率分别为：

(3)

那么两种线偏振光单程通过板条的透过率可以表示为：

(4)

利用式(1)中的θ1表示θ2、θ3带入到式(3)、(4)中，求解极值，从而得到透过率最大时的入射角θ1。

求解不同θ1值对应的系统透过率，如图6所示。三条曲线分别代表P光、S光以及圆偏振光在不同的入射角θ1单次通过板条的透过率。从图中可以看出在选取入射角θ1=47°时，单次通过板条的透过率最高，P光的透过率高达99.92%，所以选取此角度作为入射角度。系统在谐振腔工作时，S光的损耗较P光要大，由于模式竞争从而实现P光的线偏振输出。

图6 不同入射角度对应的透过率

2.4 谐振腔的参数设计

在工作过程中，激光振荡器在谐振腔内从噪声中建立起来的辐射通量将迅速增大，增益系数因辐射通量的增大而减小，最终稳定在确定的值上。部分腔内功率从谐振腔中耦合输出，有效的激光输出功率为：

Pout=A1-R1+RIs2g0lL-lnR-1

(5)

由于输出功率在特定的耦合输出透射率T时达到最大，因此为了确定输出功率达到最大时的最佳透射率，可以用上式对T求导，即得到：

Tout=(2g0l/L-1)L

(6)

其中谐振腔的损耗L为5%，当信号光强远小于饱和光强IS时，此时增益系数为小信号增益系数:

g0=ηQηSηBPab/IsV

(7)

其中，ηQ,ηS,ηB分别是量子效率、斯托克斯效率、空间交叠效率。对于由中心波长为808nm的激光二极管泵浦的Nd∶YAG固体激光器，空间交叠效率为0.8。增益介质尺寸为4mm×35mm×160mm。当泵浦光峰值功率为75kW时，g0=0.287。带入式(6)中，求得最佳耦合透过率Tout=30%。

3 实验结果

3.1 振荡级输出实验结果

单模块激光器采用20支峰值功率为3750 W，占空比为20%，TM偏振，偏振度在96%以上的高功率准连续二极管，对尺寸为4 mm×35 mm×160 mm的Nd∶YAG板条进行侧面泵浦。全反镜曲率半径R为4m，输出镜透过率T为30%，在泵浦电流200μs，重复频率1kHz的条件下，测量了不同泵浦电流条件下Nd∶YAG板条谐振腔的输入输出曲线，如图7所示。

图7 输出激光光功率与泵浦电流的变化关系

泵浦电流230A时谐振腔输出功率为4.15kW，谐振腔的光光效率为27.7%。激光输出波形及近场光斑形状如图8所示。由于冷却液折射率分布的不均匀以及板条增益介质光学不均匀等原因造成近场光斑分布不均匀。

图8 激光输出波形及近场光斑形状

3.2MOPA实验

放大器同样采用类似于图1所示侧泵侧出的Thinzag结构，不同的是耦合输入输出棱镜改成了在两侧的石英玻璃板上切成斜角的方式实现激光的耦合输入输出。为抑制放大器模块本身的自激振荡造成输出效率的下降，该模块采用厚度为6mm，掺杂浓度为1%的单晶Nd∶YAG。泵浦源采用20支峰值功率为6kW，占空比为20%，的高功率准连续二极管，为保证泵浦光高效充分的吸收以及泵浦均匀性采用与前述谐振腔同样的泵浦耦合结构，MOPA装置图如图9所示。

图9 MOPA装置图

谐振腔到放大器之间采用像传递系统以保证谐振腔输出激光尺寸能够与放大器尺寸实现较好的匹配。保持谐振腔输出功率4150W不变，在放大器泵浦电流脉宽200μs，重复频率1kHz条件下，精确调整谐振腔和放大器的放电延时，得到最大输出功率。测量了放大器不同泵浦电流时对应的输出功率曲线。在本振级泵浦电流为230A，放大器泵浦电流200A时，MOPA结构输出的平均功率达到了6.4kW。示波器显示的激光脉冲波形如图10所示，单脉冲宽度为168μs。

图10 激光单脉冲波形

实验中任意截取的4ms的激光脉冲序列如图11所示。

4 结 论

对二极管侧面泵浦Nd∶YAGThinZag板条激光器的冷却结构、泵浦结构、激光输入输出角度以及谐振腔进行了设计及实验研究，通过MOPA结构，对振荡级输出的4150W的激光进行放大，最终获得了重复频率为1kHz,脉冲宽度为168μs，平均功率为6.4kW的脉冲激光输出。下一步的工作重点是采取更为有效的技术手段和方法,在保证高重复频率、高峰值功率激光输出的前提下,进一步提高激光器的光束质量。

图11 实验中提取的4 ms内的激光脉冲序列

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Laser diode side-pumped Nd∶YAG thin slab laser based on MOPA

WANG Zhe，LIU Yang，LIU Lei，LIU Shan-chao，ZHAO Hong

(Science and Technology on Solid-state Laser Laboratory，Beijing 100015，China)

A pulsed laser based on master-oscillator power amplifier (MOPA) is reported.In order to get laser output of high repetition frequency and high average power，the Nd∶YAG thin slab was used，whose size is 4 mm×35 mm×160 mm and the Nd3+doping concentration is 1%.Through side-pumped LD array for the immersion slab laser，stable laser output power of 4.15 kW is obtained when the average power of pump light is 15 kW，and the optical-optical conversion efficiency of resonant cavity is 27%.On the basis of that，two amplifiers were adopted to establish MOPA，the average output power of laser reaches 6.4kW.

solid state laser；laser diode；side-pumped；Nd∶YAG crystal；MOPA

王 喆(1990-)，女，硕士，主要从事固体激光技术方面的研究。E-mail：schu.dm@163.com

2014-12-10

1001-5078(2015)04-0364-05

TN248.1

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.04.005