Yb∶YAG板条高亮度均匀泵浦耦合技术研究

刘 洋,李 宁,孙万升,王 超,唐晓军,谢桂娟,陈 露,张伟桥

(固体激光技术重点实验室,北京 100015)

1 引 言

以激光二极管阵列(LDA)作为抽运源的固体激光器和固体激光放大器具有稳定性良好,转化效率高,热效应小等优点,被广泛的应用于工业与科学应用中,如军事武器、工业加工以及生物医疗等领域[1-2]。而随着激光二极管稳定性以及功率的提升,目前固体激光器的增益介质材料逐渐从Nd∶YAG向Yb∶YAG转化,主要由于Yb∶YAG以其能级结构简单、量子亏损小等优点。例如,K.T[3]在2003年首次利用2.4 W的LD功率泵浦1at. %掺杂的Yb∶YAG激光晶体,实现大于345 mW的激光输出。2013年,程[4]等人报道了一种在抽运功率为7.1 W的条件下获得0.53 W的自调Q激光输出。2018年,Wang[5]等利用Yb∶YAG搭建激光放大链路实现大于20 kW的连续激光输出。然而,室温下Yb∶YAG的玻尔兹曼热效应为200 cm-1[6],在受热后终端能级的粒子数会增加,形成准三能级的激光运行机制,意味在室温下Yb∶YAG固体激光器需要较高的抽运阈值。所以想要利用Yb∶YAG获得高效率高功率的激光输出需要对晶体注入高泵浦功率,这意味着激光二极管在工作过程中需要进行高电流加载。然而,目前的激光二极管阵列受限于工艺的影响,其内部的半导体芯片的高电流加载下会发热,引起激光二极管阵列波长漂移,输出功率不稳定等问题,导致最终输出的激光性能受到影响。所以,如何在保持激光二极管稳定下实现高功率泵浦成为了目前制约Yb∶YAG激光器发展的因素之一。为了保持激光二极管阵列在合适电流下实现高功率泵浦,马晓辉[7]等利用偏振复用的技术实现高功率激光二极管泵浦光纤激光器。而目前在固体状或者板条状激光器中,此类技术报道较少。

本文通过理论计算室温下注入的泵浦光功率密度与Yb∶YAG晶体的提取效率之间的关系,利用空间与偏振复合的方式将四个激光二极管阵列进行合束,实现了泵浦总功率约24 kW,合束效率大于90 %,泵浦功率密度达到40 kW/cm2的泵浦光斑。为高功率Yb∶YAG激光器提供了可靠与高效的泵浦系统。

2 理论计算

在室温下Yb∶YAG的玻尔兹曼热效应为200 cm-1,因此在受热后终端能级的粒子数会增加,形成准三能级的激光运行机制。室温时激光下能级的热粒子数大约为5.5 %。为了获得和维持透明的激光波长即粒子数反转条件为:

(1)

式中,Isp为泵浦光饱和光强;Ip为泵浦光强度;fip(i=1,2,3)和fil(i=1,2,3)分别为泵浦能级和激光能级的玻尔兹曼分布数。为了克服光学损耗并达到激光阈值,需要更高的功率密度；为了得到有效的激光作用,必须将激光器的泵浦强度增加至其阈值之上的5～6倍。定义局域提取效率为激光提取的能量与理论上可提取的能量之比,后者正比于局域所吸收的泵浦能量。当激光强度足够强时,Yb∶YAG的局域极限提取效率为:

(2)

在室温条件下,局域极限提取效率和泵浦功率密度关系曲线如图1所示,可以看出对于Yb∶YAG晶体而言,高泵浦功率密度是实现高光光转换效率的重要因素之一,为了实现高效提取,Yb∶YAG板条较传统的Nd∶YAG板条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术是实现高效、高功率激光模块的重要研究内容。

图1 Yb∶YAG晶体局域极限提取效率与泵浦功率密度关系曲线

3 空间/偏振复合的激光二极管合束系统设计

为了实现Yb∶YAG激光晶体的高效提取,需要保证足够的泵浦光总功率。由式(2)与图1可知,如果Yb∶YAG提取效率达到90 %以上,需要注入的泵浦光功率密度约为40 kW/cm2。对于目前商用的激光二极管阵列(如聚光或者dilas)其稳定的最大输出约为6000 W,而板条状Yb∶YAG激光晶体的泵浦端面尺寸约为28 mm×2 mm,所以要求泵浦总功率要达到24 kW,需要将四个激光二极管阵列进行合束。为此提出一种利用空间与偏振复合的合束方式,实现4个LD合束。结构如图2(a)所示,LD1与LD2进行空间合束,LD3与LD4进行空间合束,最后将两个空间合束完的LD光斑进行偏振合束,实现4个LD合束。

图2 空间/偏振复合的激光二极管合束系统

在现有的微通道传导冷却激光二极管面阵中,由于封装工艺和微通道热沉结构的原因,每个bar条之间存在一定距离的间隔,现有商用的激光二极管面阵每个bar条之间的距离为1.8 mm,不利于实现更高泵浦功率密度、更加紧凑的泵浦耦合结构。为了有效实现多支激光二极管面阵bar条间的有效拼接,第一程合束如图2(b)所示,首先利用条纹镜,实现两支激光二极管面阵的空间拼接,条纹镜如图2(c)所示,针对激光二极管面阵的空间分布特点,在镜片上间隔镀制45 °全反射膜和增透膜,最终实现两只LD的空间合束。两支LD利用条纹镜拼接后,每个bar条之间还存在一定的间隔,为实现更加紧凑的耦合结构和更高功率密度的泵浦光分布,同时考虑激光二极管面阵的偏振度保持在95 %以上,在条纹镜进行空间拼接后利用偏振片对两种偏振态的激光二极管面阵进行偏振拼接,从而进一步提高泵浦功率密度。其中,LD1与LD2为TM模式偏振,LD3与LD4为TM模式偏振,偏振片为对TM模式的光全反射而对TM模式的光为全透射。所以LD1与LD2空间合束的光经过偏振片后被反射,而LD3与LD4空间合束的光经过偏振片后被全透射,实现偏振合成复用,完成4个LD的合束效果。

通过光线追迹软件tracePro模拟两种合束的效果,如图3所示。图3(a)为单个LD的光斑分布效果,可以看出LD的Bar之间有较大的间隙,通过空间条纹镜进行合束之后,如图3(b)所示,在光斑大小没有增加的条件下,Bar与Bar之间的间隙被填充,光功率增加变为原来的两倍。而最后通过偏振合束完成4个LD的合束光斑效果图如3(c)所示,合束光斑大小不变,光强分布均匀。所以该种合束泵浦方式能够达到高泵浦条件,实现高效提取Yb∶YAG激光晶体。

图3 光斑仿真模拟图

4 实验及结果分析

为测量两次合束的效果,搭建如图4所示的结构。LD为Dilas出产的激光二极管阵列,水冷温度为20 ℃,波长为940 nm。图中45°HR为对940 nm全反射,所以LD1发出的光经过45°HR反射至条纹镜上面,再由条纹镜上的反射条纹进入耦合器整形,最终进入功率计。而LD2直接透过条纹镜上的透射条纹片进入功率计。而第二程合束装置为两个第一程合束叠加,通过偏振片进行合束叠加。

图4 实验装置图

实验结果如图5所示,在电流从20 A加载至200 A条件下,单个激光二极管阵列的最大输出功率为6.7 kW,只有空间合束时,激光二极管的最大输出功率为12.8 kW,输出效率约为95 %。当对两个空间合束之后的LD光斑进行偏振合束时,最大输出的功率约为25 kW。合束效率约为90 %。若板条状Yb∶YAG的端面尺寸为2 mm×28 mm时,泵浦光的功率密度约为44.6 kW/cm2,能够实现高效的激光提取。

图5 泵浦功率与加载电流曲线

5 结 论

本文研究了一种用于Yb∶YAG板条激光器的高功率激光二极管泵浦源设计。首先理论计算了Yb∶YAG板条激光器高效提取时所需的泵浦功率密度。利用空间与偏振复合拼接的方式实现总功率大于2.5 kW,功率密度大于40 kW/cm2的泵浦源设计。通过实验验证,在加载电流条件为200 A下,泵浦总功率约为25 kW,泵浦光的功率密度约为44.6 kW/cm2,总合束效率为90 %以上。证明了该种实现高功率泵浦的方式能够有效的解决目前Yb∶YAG板条状激光晶体因泵浦功率低下而导致的功率和效率下降的问题。