高重频大能量亚纳秒板条激光放大器研究

刁伟鹏,刘 洋,王 超,唐晓军

(固体激光技术重点实验室,北京 100015)

1 引 言

随着激光器的不断发展,高重频大能量亚纳秒脉冲固体激光器在材料加工、激光雷达、激光测距和非线性光学等领域具有重要的应用价值[1-4]。在材料加工中,相较于飞秒激光器,亚纳秒激光器在材料表面的作用时间较长,同时又更容易获得高能量输出,带来更高的工作效率。因此,如何获取高平均功率、高单脉冲能量的亚纳秒脉冲输出成为研究热点。

为了获得高功率脉冲的输出,通常采用主振荡器和多级功率放大器的结构对低功率脉冲进行功率放大。2012年,王金国等将主振荡器输出的重复频率5 Hz、单脉冲能量160 μJ、脉冲宽度964 ps的激光,通过LD准连续抽运的Nd∶YAG晶体进行双程放大,获得了脉冲能量88 mJ的脉冲输出[5]。2014年,汪超等采用LD抽运Nd∶YAG再生放大器和四程放大器,将重复频率100 Hz、单脉冲能量1 nJ、脉冲宽度500 ps～2 ns可调单纵模脉冲进行功率放大,获得了单脉冲能量112 mJ的激光输出[6]。2014年,童立新等使用LD双端抽运Nd∶YAG板条作为放大模块,采取小板条三程预放大和两个大板条单程功率放大的结构,将重复频率1 kHz、单脉冲能量2 mJ、脉冲宽度58 ns的种子光,放大为单脉冲能量1.1 J的脉冲输出[7]。2019年,吕思奇等将重复频率1 kHz、平均功率8.4 W、脉冲宽度127.6 ps的激光,通过LD侧泵棒状Nd∶YAG放大模块,采用两级双模块放大系统得到单脉冲能量84 mJ的激光输出[8]。

本文同样采用主振荡功率放大(MOPA)的光路结构,主振荡器输出重复频率1 kHz、平均功率4.5 W、脉冲宽度约700 ps、波长1064 nm的种子激光,将传导冷却端面泵浦板条激光器(CCEPS)与角度复用技术相结合,经过四程功率放大得到脉冲能量189 mJ的激光脉冲输出。

2 理论模型

在激光放大器中,根据Franz-Nodvik理论,单程放大输出能量密度可表示为[9]:

(1)

式中,E0为放大器的输入能量密度；ES为增益介质的饱和能量密度；E1为放大器的输出能量密度；g0为小信号增益系数；l为增益介质长度。其中g0的表达式为:

(2)

式中,ηT表示泵浦耦合效率；ηa表示增益介质的吸收效率；ηS表示斯托克斯效率；ηQ表示量子效率；ηB表示交叠效率；ηST表示晶体能量存储效率；ηASE表示自发辐射损耗效率；EP表示泵浦能量密度；A为激光束在增益介质中有效横截面积。

饱和能量密度ES可表示为:

(3)

式中,h表示普朗克常数；ν表示激光频率；σ表示受激发射截面。对于Nd∶YAG晶体,1064 nm时的光子能量hν=1.86×10-19J,受激发射截面σ=2.8×10-19cm2。

第n程放大输出能量密度可表示为:

(4)

其中:

(5)

(6)

3 实验装置

传导冷却端面泵浦板条激光放大器的增益介质为体掺杂Nd∶YAG晶体,结构如图1所示,板条尺寸为67 mm×11 mm×1.7 mm,掺杂区域尺寸为50 mm×11 mm×1.7 mm,掺杂原子分数为0.2 at %。板条两端斜面为通光面,采用45°角切割,且端面镀有1064 nm增透膜。为了保证抽运光能在板条内部满足全反射及抑制倏逝波,在板条两大面镀折射率较小的SiO2膜[10-11]。板条两大面通过铟焊接微通道结构金属热沉,且使用水冷机进行精确控温,水温设置为25 ℃。实验中增益介质采用双端LD抽运的方式,其输出中心波长为808 nm,使用恒温水冷系统控制温度,温度设置为25 ℃。

图1 增益板条的结构

实验装置如图2所示,为了提高激光输出功率,激光放大器采用四程放大的结构。种子源是由微片被动调Q的主振荡器和LD抽运Nd∶YVO4棒状晶体的功率放大模块两部分组成,其输出重复频率1 kHz、平均功率4.5 W、脉冲宽度约700 ps的1064 nm线偏振光。种子光经过由半波片(λ/2 plate)、偏振片(PBS)及法拉第旋光器(FR)组成的光隔离器(isolator),其偏振态为水平偏振态,光隔离器可以有效地隔离回光,避免对种子源造成损伤。光束整形装置将种子光沿垂直方向拉长,使其与板条端面尺寸相匹配。平面反射镜M1改变种子光传播方向,使其通过薄膜偏振片(TFP)和平面反射镜M2后进入板条增益晶体。采用双角度复用技术完成四程放大,种子光与板条端面法线呈26°入射,在板条内部发生全反射,沿“之”字形光路传输经过板条完成第一次放大。通过平面反射镜M3、M4、M5以及透镜F1、F2后改变传播方向,以22°入射再次通过板条完成第二次放大。水平偏振光经过平面反射镜M6、四分之一波片及透镜F3、F4,由0°全反镜M7反射再次通过四分之一波片,偏振态转变为垂直偏振。之后种子光按照原光路经过板条增益晶体完成第三、第四次放大后经TFP反射输出。其中透镜F1=F2=250 mm和透镜F3=F4=300 mm为两组4F成像系统,可以有效减小光束发散角,保证光斑始终匹配板条端面尺寸。

图2 实验装置示意图

4 实验结果与分析

在实验过程中,针对板条中自发辐射的抑制进行研究,发现板条侧面处理方法不同对自发辐射的抑制效果存在差异。使用三块侧面分别进行酸蚀、粗磨和细磨处理板条作为增益介质,在单程放大和单端泵浦条件下进行实验。种子光重复频率为10 Hz,输出功率为0.04 W。单程放大输出功率与抽运电流的关系如图3所示,图中线型1方形表示侧面酸蚀处理的板条的输出功率,线型2圆形表示侧面粗磨处理的板条的输出功率,线型3三角形表示侧面细磨处理的板条的输出功率。

从图3中可以看出,侧面经过三种不同处理方法的板条的单程输出功率随电流增长趋势基本相同,但在电流达到150 A后,侧面酸蚀处理的板条输出功率不再增长,渐渐稳定；侧面粗磨处理的板条输出功率仍在增长,增长趋势变缓；侧面细磨处理的板条输出功率扔保持原来趋势增长。由此可以看出,侧面细磨处理的板条可以有效抑制自发辐射。在后续的四程放大实验中使用侧面细磨处理的板条。

图3 单程放大输出功率与抽运电流的关系曲线

在四程放大实验中,种子源输出激光功率约为4.5 W,种子光经过光隔离器、光束整形装置和平面反射镜后进入板条增益介质前的功率为4 W,单程通过增益晶体功率下降至3.5 W,第二、四次通过Nd∶YAG晶体后种子光功率分别为3.2 W和2.7 W,激光每次通过板条的透过率约为90 %。抽运电流重复频率1 kHz、时间宽度为200 μs。图4为种子源激光通过增益介质单程放大、双程放大和四程放大后输出功率与泵浦电流的变化曲线。

图4 激光单程、双程和四程放大输出功率与抽运电流的关系

种子光经过增益介质进行单程放大、双程放大和四程放大时,由于种子光输入板条能量密度小于Nd∶YAG的饱和能量密度,属于小信号增益,激光输出功率随抽运功率增加呈指数关系增长。当泵浦电流为210 A,抽运功率为1278 W时,单程放大后输单脉冲能量为40 mJ；双程放大后单脉冲能量为152 mJ；四程放大后单脉冲能量为189 mJ,光光效率14.78 %。

实验中使用快速光电探测器和数字示波器测得四程放大后激光脉冲波形如图5所示,四程放大后激光脉冲宽度为723 ps。

图5 四程放大激光脉冲波形图

将四程放大输出的长方形光斑经过柱面镜整形为正方形光斑,消除像散,近场光斑尺寸11 mm×11 mm,使用CCD接收光斑的远场强度分布图像如图6所示。实际光束的远场发散角θx=0.41 mrad,θy=0.45 mrad,光束质量βx=1.7,βy=1.9。

图6 四程放大激光光斑图

从小信号增益系数g0的计算公式(2)可以看出,g0与许多能量转换过程密切相关,而且实际中这些能量转换参数彼此相关又复杂,很难测出具体数值。根据实验中单程放大饱和输出的能量推算出g0,进而可以计算出双程放大和四程放大的输出功率进行理论计算。实验中,抽运功率达到1278 W提取能量饱和,单程放大的单脉冲能量40 mJ代入公式(1)可以得到g0l=2.4。继续代入公式(4)、(5)、(6)可以计算出双程放大的单脉冲能量为182 mJ,四程放大的单脉冲能量为307 mJ。图7为实验中四程放大输出功率及根据理论模型计算四程放大输出功率与抽运电流的关系。抽运电流小的情况下,实验结果与理论计算结果匹配较好,抽运电流增大,两结果之间差值变大。

图7 实际四程放大输出功率和理论四程放大输出功率与抽运电流的关系

对比实验结果与计算结果,实验中双程放大和四程放大的单脉冲能量要小于理论计算的结果。一方面在计算公式中,认为激光光束强度是均匀的,而在实际情况中,激光在增益介质中传输时中心光强要强于周边的光强,光强大小会影响能量的提取,进而影响输出功率。另一方面在激光放大的过程中,放大的自发辐射(ASE)会消耗反转粒子数,影响激光受激辐射的放大输出,采用更合理的方法减少自发辐射对反转粒子数的消耗可以有效的提高系统的输出功率。

5 结 论

介绍了一种高重频大能量亚纳秒板条激光放大器。该放大器采用主振荡功率放大(MOPA)结构,将传导冷却端面泵浦板条激光放大器(CCEPS)与角度复用技术相结合,通过双端泵浦单块Nd∶YAG板条进行四程放大,最终实现了重复频率1 kHz、脉冲宽度720 ps、单脉冲能量189 mJ、光束质量2倍衍射极限的亚纳秒激光脉冲。