双程放大740 m J TEC冷却LD泵浦Nd∶YAG激光器

刘学胜，董　剑，徐爱东，彭　超，刘友强，曹明真，何　欢，王智勇

(1.北京工业大学激光工程研究院，北京　100124;　2.江苏北方湖光光电有限公司，江苏无锡　214035)

1　引　言

激光二极管(LD)泵浦的全固态激光器有着转换效率高、寿命长、稳定性高、光束质量好等诸多特点［1-3］。调Q技术可以有效地压缩激光脉宽，实现高脉冲能量、高峰值功率的激光输出，因此高能量全固态调Q激光器在材料加工、空间通信、倍频转换、光通信、光谱分析等研究领域得到了广泛应用［4-9］。随着半导体激光二极管技术的重大突破，半导体激光器得到了飞速发展［10］，由激光二极管泵浦的全固态激光器得到强劲的发展，LD泵浦的全固态激光器正在逐渐取代闪光灯泵浦的固体激光器，成为了国内外竞相研究的热点之一［11］。而无水冷却的全固态激光器更是使得全固态激光器结构紧凑小型化的特点更加突出，成为了制作小型化、便携式激光器的一种有效手段。2005年，Ostermeyer等通过MOPA的方式获得了最大输出能量为0.5 J、脉宽为33 ns的1 064 nm激光输出。在100 Hz、405mJ的条件下，光束质量M2为1.5;在250 Hz、402 mJ的条件下，光束质量M2为2.1。并通过倍频转换实现了效率超过50%的绿光输出［12］。2008年，Stysley等使用两个相同的水冷却模块作为泵浦源，并使用梯度反射率镜制作了一台激光探测雷达，得到了重复频率100 Hz、单脉冲输出能量100 m J、脉宽13～14 ns的基模激光输出，两个方向的光束质量M2分别为 1.6 和 1.3［13］。2010 年，Xu 等报道了一台100W级别的侧泵Nd∶YAG激光器，他们使用了两个相同的模块作为振荡级从而减小热致双折射，每个模块由3个LD阵列进行泵浦，最后得到了101.4 W、400 Hz的1 064 nm激光输出，斜效率为 29.4%，光束质量 M2=1.14［14］。2012年，伊肖静等利用LD侧面泵浦Nd∶YAG晶体，并使用BBO晶体进行加压式调Q，采用1/4波片补偿Nd∶YAG晶体的热退偏，最终实现了重复频率1 kHz、最大单脉冲能量为10.7 mJ的1 064 nm激光输出［15］。2014年，Ryabtsev等采用振荡加放大的形式，使用风冷却的方法制作了一台激光雷达。在10 Hz的条件下获得了400 mJ的激光输出，脉宽是8～11 ns，作为太空探测雷达的有效距离达到了40 km［16］。国内外对于高脉冲能量、无水冷全固态激光器的报道较少，本文对此进行了相应的实验研究。

本文介绍了一种紧凑型侧面泵浦Nd∶YAG双程放大激光器结构。它可以有效地实现高能量、窄脉宽、TEC冷却全固态激光器输出。主振荡级采用了紧凑型、LD侧面泵浦、电光调Q的方案，使用了 7 mm×100 mm、掺杂摩尔分数为1.1%的Nd∶YAG晶体棒和峰值功率为15 kW的LD阵列集成的脉宽来缩减激光器体积，总腔长为280 mm。在重复频率10 Hz的条件下，获得了输出最大能量为350 mJ、脉宽9.7 ns的激光输出，在两个方向的光束质量 M2分别为7.7和12.3。放大级使用7.5 mm×134 mm、掺杂摩尔分数为1.1%的Nd∶YAG晶体棒和峰值功率为24 kW的LD阵列集成的LD模块，采用了双程放大，获得了740 mJ、10 ns的激光输出。

2　实验装置

实验装置图如图1所示，激光器采用了主振荡级加二次放大的结构。主振荡级是一台LD泵浦TEC冷却的电光调Q激光器，主振荡级装置图如图1中Master Oscillator所示。为了增加系统稳定性以及缩小激光器体积，主振荡级将晶体棒和LD阵列集成为一个LD模块，模块的横截面图如图2所示。主振荡级使用了7 mm×100 mm、掺杂1.1% ±0.1%的Nd∶YAG晶体棒作为增益介质，晶体棒由铜夹具夹持，在整个模块的中心。为了和Nd∶YAG晶体的吸收峰更好地匹配，中心波长为808 nm、谱线宽度小于3 nm的LD阵列被选做泵浦源，每一个阵列由30个巴条组成围绕在晶体棒周围，每一个巴条最大的输出峰值功率是100 W。为了能在增益介质中实现泵浦光的均匀分布，主振荡级采用了侧面LD对称泵浦的方式。由于这种泵浦方式可以使泵浦光的能量中心也与晶体的中心重合，从而大大提高了泵浦光的利用率和基横模的转化效率，利于实现大能量、高光束质量的输出。LD阵列直接焊接在了铜热沉上进行散热。主振荡级模块由5个相似的泵浦部件组成并采用了交替泵浦散热的结构。所有5个LD阵列串联在一起接入外电路，LD阵列的泵浦电流调节范围为0～120 A，泵浦脉宽调节范围为0～250μs，模块实物图如图3所示。为了对LD模块进行散热，两个最大功率为66 W的TEC冷却片通过导热硅脂粘附在LD的模块下端，另一端与铜热沉散热片相连，并由一个温控精度为0.01℃的外部电源进行供电来调节模块温度。起偏器是一个Tp=99.52%、Ts=0.123%的布儒斯特片。调Q晶体为KD*P的晶体，输出耦合镜的透过率为75%，总的腔长为280 mm。

放大级采用了和主振荡级相似的模块结构，模块由5个相似的泵浦部件组成并采用了交替泵浦散热的结构。每个泵浦组件都有一个由48个峰值功率为100 W的巴条组成的LD阵列，LD阵列直接焊接在了铜热沉上进行散热，所有LD阵列串联在一起接入外电路，LD阵列的泵浦电流调节范围为0～120 A，泵浦脉宽调节范围为0～250 μs。在模块中心由铜夹具夹持7.5mm×134mm、掺杂1.1% ±0.1%的晶体棒作为增益介质，晶体棒周围是LD阵列，模块的横截面图如图2所示。放大模块使用了3个最大功率为66 W的TEC冷却片，并使用导热硅脂粘附将整个LD模块通过TEC冷却片与一个铜热沉散热片相连。放大级的泵浦电源可由振荡级电源提供的同步信号进行泵浦的同步控制。我们使用了两个45°全反镜将光路进行了折叠，并在放大器前放置了一个布儒斯特偏振片来进行激光输出，在放大器后放置了一个λ/4波片用来改变激光的偏振方向，偏振片之后使用了一个全反镜将激光反射回放大级进行二次放大，总腔长为730 mm。

图1　双程放大实验装置示意图

图2　LD模块的横截面图

图3　模块实物图

图4　(a)不同泵浦电流下主振荡级的输出脉宽;(b)不同泵浦电流下主振荡级的输出能量。

3　结果与讨论

我们先测试了主振荡级的输出特性，设置泵浦电流脉宽200μs、频率10 Hz，通过调节电流得到了电流-能量输出曲线和电流-脉宽曲线，实验结果如图4所示。

在图4中可以看出，当泵浦电流由40 A逐渐增加时，输出能量快速增长，激光脉宽逐渐减小。当泵浦电流达到60 A时，输出能量达到330 mJ，脉宽减小到10 ns。但是当泵浦电流继续增加时，输出能量增长的速度开始变慢，激光脉宽稳定在10 ns。当泵浦电流达到80 A时，能量输出曲线趋近饱和。这是因为当电流超过阈值继续增加时，泵浦能量迅速增长，从而致使反转粒子数增加，引起了激光输出能量的增长以及脉宽的减小。但是当电流增长到60 A时，反转粒子数开始趋近于饱和，所以导致激光输出特性变化变缓慢。而另一方面，由于泵浦功率迅速增长，大量无效的能量以热的形式迅速积累起来，晶体棒的热效应不断变强，从而也限制了激光的输出。我们使用了光束质量诊断仪M2-200s和光电探头分别对光束质量、脉宽进行检测，测量结果分别如图5、图6所示。最终在80 A的条件下，获得了350 mJ、9.7 ns的激光输出，激光光束在两个方向的光束质量参数 M2分别是7.7 和12.3。

图5　光束质量测量结果

图6　脉宽测量结果

图7　(a)不同泵浦电流下双程放大激光的输出能量;(b)不同泵浦电流下双程放大激光的输出脉宽。

图8　(a)双程放大光斑形状;(b)双程放大光斑外观

主振荡功率放大是一种有效提高激光器能量输出的方法，为了获得更高能量输出的激光，我们使用了350 mJ的调Q激光器作为主振荡级，进行了双程放大实验。设置放大的频率为10 Hz，泵浦脉宽为200μs，改变泵浦电流，得到的电流-能量以及电流-脉宽曲线如图7所示。

在图7(a)中可以看出，双程放大后能量的变化曲线与主振荡级的变化趋势十分相近。当放大级泵浦电流达到阈值之后，输出能量线性快速增长，在泵浦电流为60 A时达到730 m J。但是之后继续增加泵浦电流，输出增长速度变缓慢，最终在80 A时达到了饱和。放大后的脉宽、光束质量与主振荡级相似，基本不发生改变。双程放大的光斑测量图如图8所示。最终，在放大泵浦电流为80 A时得到了740 mJ、10 ns的激光输出。

4　结　论

报道了一套高能量、紧凑型、TEC冷却的全固态Nd∶YAG双程放大系统。主振荡级采用紧凑型结构、LD侧面泵浦、电光调Q的方式，使用7 mm×100 mm、掺杂摩尔分数为1.1% ±0.1%的Nd∶YAG 晶体棒，泵浦的峰值功率为15 kW，腔长为280mm。在10 Hz的条件下，主振荡级获得了最大输出能量为350 mJ、9.7 ns的激光，光束质量M2在两个方向分别为7.7和12.3。进行双程放大实验并测量了激光的输出特性，使用7.5 mm ×134 mm、掺杂摩尔分数1.1% ±0.1%的 Nd∶YAG 晶体棒，泵浦的峰值功率为24 kW，总腔长为730 mm。在泵浦电流为80 A 时得到了740 mJ、10 Hz、10 ns的激光输出。