200 mJ半导体端面泵浦MOPA激光器研究

熊 波，郁彩亮，褚召华，赵 翀，考笑梅，伍家凯，崔 莹，毛鸣峰，辛 潮，魏晓羽

(江苏曙光光电有限公司 激光装备研发部，江苏 扬州 225009)

引言

采用LDA泵浦的固体激光器具有结构紧凑、质量小、转换效率高及寿命长等优点，近年来成为固体激光器发展的主流[1-4]。LDA泵浦的电光调Q固体激光器可以产生10 MW量级高峰值功率输出，能够满足多方面的应用需求。其在非线性变换、激光测距、激光目标指示(LTD)等重要应用场合已经获得越来越多的重视[5-8]。

LDA端面泵浦激光棒的设计具有诸多优点[9-12]。如泵浦源采用单个LDA，泵浦结构简单；激光晶体侧面全部用来散热，晶体散热效果好；泵浦光照射区域位于激光棒轴线附近，容易实现泵浦光与振荡光腔模匹配，激光输出模式好，发散角小；泵浦光吸收长度长，可提高不同波长泵浦光的吸收效率，激光器温度适应范围宽。同样以LDA端面泵浦激光棒的形式对激光进行放大，可以在不影响激光发散角的条件下，对振荡级激光能量进行有效放大，同时还能保证紧凑的结构[13-15]。而 LDA端面泵浦激光器的难点则在于LDA发光面尺寸较大，需要设计特殊的耦合系统将泵浦光有效汇聚进入激光棒端面，从而提高耦合效率。另外，LDA端面泵浦激光器腔内激光峰值功率密度较高，腔内光学元件极易发生损伤，需要采取有效措施避免该现象。

我们使用2个峰值功率为3 500 W的准连续(QCW)LDA分别作为振荡级和放大级的泵浦源，以透镜组为端面泵浦耦合系统，实验研究了LDA端面泵浦MOPA激光器的输出特性，取得了较好的结果。

1 实验装置

实验装置如图1所示。LDA最高峰值功率为3 500 W，波长808 nm，光谱半宽4 nm。阵列有35个发光条，发光条间距为0.4 mm，发光面总尺寸为10 mm×13.6 mm。快轴发散角θ⊥=40°，慢轴发散角θ‖=10°。LDA固定在金属热沉上并使用闭环温控电路进行温度控制。

图1 激光器实验装置示意图Fig.1 Schmetic diagram of laser experimental device

LDA的每一发光条前安放微柱透镜压缩激光管的快轴发散角。此时LD慢轴发散角不变，快轴发散角压缩为5°左右。采用透镜组对泵浦光束进行进一步压缩，泵浦光束被压缩成直径Φ4.5 mm的光斑，从Nd:YAG端面进入激光棒中。

Nd:YAG晶体的尺寸为Φ5 mm×50 mm，掺杂浓度1.0%，两端面镀增透膜。Nd:YAG激光棒固定于铜热沉中进行散热，谐振腔采用凸凹非稳腔设计，全反镜M1为平凹镜，凹面镀对808 nm增透、1 064 nm高反膜；输出镜为平凸镜，凸面镀反射率R=55%的分光膜。整个腔长约360 mm，谐振腔G参数约为1.3。RTP晶体与偏振片共同组成电光Q开关，对谐振腔内品质因子进行调制，从而实现调Q脉冲激光输出。

LDA工作频率设定为20 Hz，使用Coherent能量计(型号LABMAX TOP)测量脉冲能量，用响应速度1 ns的PIN光电二极管和LeCroy示波器(型号104MXI)观察和记录脉冲波形。

2 实验结果与分析

由于Nd:YAG激光晶体上能级寿命为230 μs，所以LDA泵浦时间宽度应选择该值附近以获得高转换效率。结合实验结果，最终选定泵浦时间宽度为220 μs。图2给出了不同泵浦功率条件下振荡级输出激光能量及脉宽的变化。

图2 输出脉冲能量及脉宽随泵浦功率的变化Fig.2 Output energy and pulse width versus pump power

当振荡级LDA泵浦功率增加到3 300 W时(电流90 A)，输出能量达到103 mJ，对应光光转换效率为14.2%。脉冲宽度则随泵浦功率的增加而减小，这是因为泵浦功率越高，激光晶体的增益密度越大，激光晶体存储的能量被抽取的速率越快，因而脉冲上升沿越小，致使脉宽减小[1]。当激光输出能量为103 mJ时，脉宽减为10.5 ns。

振荡级激光经45°反射镜进入放大级激光棒后，当放大级LDA泵浦功率增加到3 000 W时，MOPA激光器输出的激光平均能量达到203 mJ，激光器总体光光效率为14.6%。采用套孔法测量得到激光远场发散角<2.1 mrad，光束质量因子M2≈7.5。MOAP激光器输出的激光脉宽为12 ns，相对振荡级激光10.5 ns有一定的展宽,这是因为放大器对激光脉冲产生时间畸变引起的[1]。图3为测量到的MOPA激光脉冲波形图。

图3 脉冲波形图Fig.3 Pulse waveform

激光器工作20 s时间的能量稳定性曲线如图4所示。在起初约2 s时间内，输出能量近似线性爬升，之后输出能量基本保持稳定。能量爬升的原因是起初激光棒的温度分布还没有稳定，热透镜还在建立过程中，同时随着热透镜的建立，谐振腔G参数逐步减小向稳腔靠近，因此能量逐渐增加。约2 s后热透镜基本稳定，谐振腔参数不再变化，输出能量则保持稳定。不计前2 s的能量数据，激光器输出能量的波动性<±2.5%。

图4 20s能量波动曲线Fig.4 Curve of energy fluctuation for20s

为了满足工程化应用的需求，激光器的工作温度范围必须足够宽。将该激光器放入高低温试验箱中进行试验，验证了该激光器的温度适应范围可达95 ℃(-40 ℃～55 ℃)，可满足大部分工程化应用的需求。对于LD泵浦的激光器而言，高温下工作是一个难点，因为LDA自身在高温下工作效率会急剧降低且容易损伤。因此在55℃高温时我们对LDA进行传导冷却，将其温度控制在合适的数值，使LDA高效、安全地工作，同时保证激光器在高温下具有较高的光光效率。在-40℃低温时则对LDA进行加热，同样保证激光器具有较高的光光效率。另外，由于LDA在不同的温度条件下发光效率和波长都会发生改变，因此LDA注入电流不变时，不同的温度下激光器输出能量会有一定的波动。为了保证-40 ℃～55 ℃全温度区间范围激光器输出能量都大于200 mJ，我们采用了LDA注入补偿的方法，即根据不同温度下激光器输出能量变化适当改变LDA的注入电流。

激光器光路经过多次折转设计之后，同时对激光器结构件进行轻量化设计，最终激光器体积为175×91×49 mm3，质量<1 kg(不含电源)，具有较好的工程化应用前景。在该激光器后加上8×发射天线对激光发散角进行压缩，采用焦距为3 m的透镜进行套孔法测试，测得经过天线后的激光发散角<0.3 mrad。该发散角可以满足一般激光测距机或激光目标指示器对激光光源的要求。

3 结论

本文采用LDA端面泵浦Nd:YAG激光棒组成MOPA激光器的设计，获得了20 Hz运转条件下，激光器平均能量>200 mJ、发散角<2.1 mrad、能量波动<±2.5%的脉冲激光输出。该MOPA激光器光光转换效率约为14.6%，体积为175×91×49 mm3，质量<1 kg，能够在-40℃～+55℃温度范围内正常工作，具有较高的工程化水平。加上8×发射天线对激光发散角进行压缩后，发散角可小于0.3 mrad，可以作为激光测距机或激光目标指示器的激光光源。