端面泵浦Yb∶YAG表层掺杂陶瓷板条激光器

陈一豪,梁兴波,陈念江,李 宁,贾佑权

(固体激光技术重点实验室,北京 100015)

1 引 言

激光技术在医学治疗、精密增材制造、高能物理研究中均有广泛应用,其中固体激光器由于其高功率、高光束质量、体积小、易集成等优点,是该领域中的研究热点。其中,为了获取高性能、高光束质量的激光器,对于激光增益材料也提出了更高的要求。晶体和玻璃作为传统增益介质已无法满足现阶段的需求,透明激光陶瓷的出现为固体激光的提升具有更优异的特性:制作周期短、可掺杂浓度高、可满足复杂构型及大尺寸制备,因而近年来作为高功率固体激光增益材料被国内外广泛关注、研究[1-5]。

在20世纪80年代,由于Nd∶YAG晶体在激光领域的优良表现,科学家开始聚焦于Nd∶YAG陶瓷的研究[6-8]。而Yb∶YAG由于其优良的激光特性,也是激光陶瓷研究领域的一大热点。1995年,Ikesue等[9]利用掺杂浓度为1.1 at %的Nd∶YAG陶瓷首次实现了波长为1064 nm的激光输出,抽运阈值为309 mW,其斜率效率为28 %。2003年,Takaichi等[10]首次实现了Yb∶YAG陶瓷的连续激光输出,最高输出功率为345 mW,斜率效率为28 %。随着研究进展,以及制作工艺的提升,为了获取更高输出功率、更高光束质量的激光输出,提出了多种的激光陶瓷构型。2008年,Li等[11]利用多层复合Nd∶YAG陶瓷实现了8 mW连续激光输出。经过Liu等[12]的优化,最终基于复合棒状Nd∶YAG陶瓷实现了20.3 W的连续激光输出,斜率效率为10.1 %。2011年,Furuse等[13]基于Zig-Zag光路提出一种新型复合Yb∶YAG陶瓷板条激光器,通过液氮进行散热,实现了214W的连续输出,其斜率效率为63 %。2016年Liu等[14]实现了基于平面波导型Nd∶YAG陶瓷的高重频脉冲激光输出,峰值功率为1308W。而在2019年,Jiang等[15]利用高质量、10at %掺杂的Yb∶YAG平面波导陶瓷板条,实现了1030 nm高功率连续激光输出,最高功率为1.25 kW,同时斜率效率达到30 %。为了进一步提高板条储能性能,2017年Li等[16-17]提出了双浓度掺杂Nd∶YAG复合陶瓷板条,最终实现了7.08 kW的连续激光输出,光光转换效率为39.2 %。

为进一步开发陶瓷板条的性能,本文基于唐晓军等[18-19]的研究,提出了一种表层掺杂Yb∶YAG陶瓷板条激光器。表层掺杂陶瓷板条不仅具有表层掺杂的结构特性,且由于陶瓷真空烧结特性不存在明显界面,解决了大面键合所带来的界面问题。基于板条激光谐振腔结构,研究了其输出性能。在2 Hz低重频、1 ms脉宽、10 J的单脉冲能量抽运下,获得了3.035 J的1030 nm激光输出,光光转换效率为30.4 %,最高斜率效率为42.0 %。

2 表层掺杂陶瓷板条理论模型

在这一节中,我们首先根据激光动力学理论,对Yb∶YAG表层掺杂陶瓷板条激光器的输出特性进行了分析[20-22],表层掺杂陶瓷的基本构型如图1所示,其中掺杂区域长度为L,板条整体厚度为W。并且与Yb∶YAG晶体板条进行了对比,分析其与晶体性能的差异。在940 nm抽运下的Yb∶YAG 的谐振腔激光输出功率可以表示为[23-24]:

图1 表层掺杂陶瓷板条构型

Pout=ηslope(ηabsPp-Pth)

(1)

其中,PP为抽运光功率;ηslope为斜率效率；Pth为抽运阈值功率；ηabs为抽运光吸收效率,在设计时对于Yb∶YAG一般采用95 %；Pout为激光输出功率。

斜率效率ηslope可以表示为:

(2)

其中,ηmode为模式交叠效率;νL，νP分别为激光与抽运光频率;ROC表示输出镜反射率;δ表示激光单程损耗,在本文计算中陶瓷板条采用12 %,晶体为3 %。抽运阈值Pth可以表示为:

(3)

其中,h为普朗克常量;τ为荧光寿命;S为掺杂区截面积;L为掺杂区长度；nU为上能级粒子数密度,可以表示为:

(4)

对于激光输出所需的最低抽运功率,抽运阈值Pth与ROC的关系则如图2所示。从图中可以看出,随着ROC的增加抽运阈值Pth呈减小趋势,但陶瓷板条的抽运阈值整体高于晶体板条。这是由于陶瓷板条的单程损耗高于晶体(主要来自于散射损耗),因而需要更高的抽运光才能形成激光振荡。

图2 不同输出镜反射率下两种波长激光实现振荡的抽运阈值

3 实验设置

1030 nm Yb∶YAG谐振腔激光输出实验装置如图3所示。两端键合未掺杂YAG晶体的Yb∶YAG复合激光板条作为增益介质。表层掺杂板条的总尺寸为67 mm×11 mm×1.7 mm(长×宽×厚),其中两边Yb掺杂区域尺寸均为为50 mm×11 mm×0.3 mm(长×宽×厚),掺杂浓度为1.2 at. %。板条端头采用45°切割,并且在端面镀有940 nm和1030 nm增透膜(Anti-reflection Coating)。板条的侧边进行了包边和磨毛处理,用以抑制ASE和寄生振荡。板条的两个大面(Total Internal Reflection，TIR)通过铟层焊接到微通道冷却热沉上进行水冷散热,并且在大面上镀膜,以保证抽运光和振荡激光在大面处的全反射,并抑制倏逝波的生成。

图3 Yb∶YAG陶瓷板条激光器示意图

板条通过两只LD进行端面抽运,抽运波长为940 nm,实验时的抽运总能量达到10 J。抽运光通过包含两个慢轴柱透镜和一个快轴柱透镜的抽运耦合系统,将匀化后的抽运光聚焦、传递到板条端面。整个谐振腔采用4f腔结构,由腔镜HR与OC构成,其中HR为平凹反射镜,曲率R=2000 mm,反射面镀有1030 nm高反膜,OC为平面输出镜；f1和f2为凸透镜,焦距均为f=300 mm,f1和f2共同构成热不灵敏的4f腔,用于降低陶瓷板条的热效应。M为双色镜,用以将激光与抽运光区分开,将激光从光路中导出。

4 结果及分析

根据理论模型,首先计算了输出功率随输出镜反射率变化的曲线,结果如图4所示。图4中为在1.8 kW的抽运功率下,Yb∶YAG表层掺杂陶瓷和晶体板条的激光输出功率曲线。可以看出,对于谐振腔激光输出,输出功率随着输出镜反射率ROC均呈现先增长后下降的趋势。其中陶瓷板条激光器,在输出镜反射率ROC为20 %到40 %左右之间时,随着输出镜反射率ROC的增加,激光输出也随着增长,在80 %达到最大值0.67 kW。而对于晶体板条来说,最大值在输出镜反射率ROC为70 %左右时达到,且为0.88 kW,高于陶瓷板条的最高输出。

图4 抽运功率1.8 kW时输出功率随输出镜反射率变化曲线

根据计算结果,实验中采用了不同透过率的输出耦合镜进行激光输出,本文中选取20 %、25 %、30 %、35 %、50 %、55 %、60 %,6种透过率的输出镜进行试验。不同透过率的激光输出与抽运能量的关系如图5所示。从图中可以看出,在相同的抽运能量下,输出镜透过率T=55 %时激光输出能量最高,与之前理论分析结果相吻合。

图5 激光输出功率与抽运功率的关系

图6显示在T=55 %时,激光器输出能量以及光光转换效率关于抽运能量的函数曲线。随着抽运能量的增强,激光输出几乎为线性增长。在2 Hz的低重复频率、1 ms的脉宽的抽运条件下,抽运能量达到10 J时,单脉冲激光输出能量为3.035 J,最大斜率效率为42.0 %,光光转换效率为30.4 %。而且还能发现,激光输出曲线呈现良好的线性趋势,并未有明显饱和现象,可以通过提高抽运能量来获取更高的激光输出。

图6 Yb∶YAG陶瓷输出能量及光光转换效率曲线

5 结 论

理论上分析了表层掺杂Yb∶YAG陶瓷板条的激光输出能力。实验中,采用表层掺杂构型的Yb∶YAG陶瓷板条激光器,获得了3.035 J的1030 nm激光输出,光光转换效率为30.4 %,最高斜率效率为42.0 %。验证了该种构型激光陶瓷的激光输出可能性,且具有较高水平,可以基于该种基本构型设计更复杂的表层掺杂陶瓷。未来为了实现更高能量的激光输出,需要对高透过率、低损耗激光陶瓷技术和高效冷却技术等领域进行进一步的研究。