雙程放大740 m J TEC冷卻LD泵浦Nd∶YAG激光器

劉學勝，董　劍，徐愛東，彭　超，劉友強，曹明真，何　歡，王智勇

(1.北京工業大學激光工程研究院，北京　100124;　2.江蘇北方湖光光電有限公司，江蘇無錫　214035)

1　引　言

激光二極管(LD)泵浦的全固態激光器有著轉換效率高、壽命長、穩定性高、光束質量好等諸多特點［1-3］。調Q技術可以有效地壓縮激光脈寬，實現高脈沖能量、高峰值功率的激光輸出，因此高能量全固態調Q激光器在材料加工、空間通信、倍頻轉換、光通信、光譜分析等研究領域得到了廣泛應用［4-9］。隨著半導體激光二極管技術的重大突破，半導體激光器得到了飛速發展［10］，由激光二極管泵浦的全固態激光器得到強勁的發展，LD泵浦的全固態激光器正在逐漸取代閃光燈泵浦的固體激光器，成為了國內外競相研究的熱點之一［11］。而無水冷卻的全固態激光器更是使得全固態激光器結構緊湊小型化的特點更加突出，成為了制作小型化、便攜式激光器的一種有效手段。2005年，Ostermeyer等通過MOPA的方式獲得了最大輸出能量為0.5 J、脈寬為33 ns的1 064 nm激光輸出。在100 Hz、405mJ的條件下，光束質量M2為1.5;在250 Hz、402 mJ的條件下，光束質量M2為2.1。并通過倍頻轉換實現了效率超過50%的綠光輸出［12］。2008年，Stysley等使用兩個相同的水冷卻模塊作為泵浦源，并使用梯度反射率鏡制作了一臺激光探測雷達，得到了重復頻率100 Hz、單脈沖輸出能量100 m J、脈寬13～14 ns的基模激光輸出，兩個方向的光束質量M2分別為 1.6 和 1.3［13］。2010 年，Xu 等報道了一臺100W級別的側泵Nd∶YAG激光器，他們使用了兩個相同的模塊作為振蕩級從而減小熱致雙折射，每個模塊由3個LD陣列進行泵浦，最后得到了101.4 W、400 Hz的1 064 nm激光輸出，斜效率為 29.4%，光束質量 M2=1.14［14］。2012年，伊肖靜等利用LD側面泵浦Nd∶YAG晶體，并使用BBO晶體進行加壓式調Q，采用1/4波片補償Nd∶YAG晶體的熱退偏，最終實現了重復頻率1 kHz、最大單脈沖能量為10.7 mJ的1 064 nm激光輸出［15］。2014年，Ryabtsev等采用振蕩加放大的形式，使用風冷卻的方法制作了一臺激光雷達。在10 Hz的條件下獲得了400 mJ的激光輸出，脈寬是8～11 ns，作為太空探測雷達的有效距離達到了40 km［16］。國內外對于高脈沖能量、無水冷全固態激光器的報道較少，本文對此進行了相應的實驗研究。

本文介紹了一種緊湊型側面泵浦Nd∶YAG雙程放大激光器結構。它可以有效地實現高能量、窄脈寬、TEC冷卻全固態激光器輸出。主振蕩級采用了緊湊型、LD側面泵浦、電光調Q的方案，使用了 7 mm×100 mm、摻雜摩爾分數為1.1%的Nd∶YAG晶體棒和峰值功率為15 kW的LD陣列集成的脈寬來縮減激光器體積，總腔長為280 mm。在重復頻率10 Hz的條件下，獲得了輸出最大能量為350 mJ、脈寬9.7 ns的激光輸出，在兩個方向的光束質量 M2分別為7.7和12.3。放大級使用7.5 mm×134 mm、摻雜摩爾分數為1.1%的Nd∶YAG晶體棒和峰值功率為24 kW的LD陣列集成的LD模塊，采用了雙程放大，獲得了740 mJ、10 ns的激光輸出。

2　實驗裝置

實驗裝置圖如圖1所示，激光器采用了主振蕩級加二次放大的結構。主振蕩級是一臺LD泵浦TEC冷卻的電光調Q激光器，主振蕩級裝置圖如圖1中Master Oscillator所示。為了增加系統穩定性以及縮小激光器體積，主振蕩級將晶體棒和LD陣列集成為一個LD模塊，模塊的橫截面圖如圖2所示。主振蕩級使用了7 mm×100 mm、摻雜1.1% ±0.1%的Nd∶YAG晶體棒作為增益介質，晶體棒由銅夾具夾持，在整個模塊的中心。為了和Nd∶YAG晶體的吸收峰更好地匹配，中心波長為808 nm、譜線寬度小于3 nm的LD陣列被選做泵浦源，每一個陣列由30個巴條組成圍繞在晶體棒周圍，每一個巴條最大的輸出峰值功率是100 W。為了能在增益介質中實現泵浦光的均勻分布，主振蕩級采用了側面LD對稱泵浦的方式。由于這種泵浦方式可以使泵浦光的能量中心也與晶體的中心重合，從而大大提高了泵浦光的利用率和基橫模的轉化效率，利于實現大能量、高光束質量的輸出。LD陣列直接焊接在了銅熱沉上進行散熱。主振蕩級模塊由5個相似的泵浦部件組成并采用了交替泵浦散熱的結構。所有5個LD陣列串聯在一起接入外電路，LD陣列的泵浦電流調節范圍為0～120 A，泵浦脈寬調節范圍為0～250μs，模塊實物圖如圖3所示。為了對LD模塊進行散熱，兩個最大功率為66 W的TEC冷卻片通過導熱硅脂粘附在LD的模塊下端，另一端與銅熱沉散熱片相連，并由一個溫控精度為0.01℃的外部電源進行供電來調節模塊溫度。起偏器是一個Tp=99.52%、Ts=0.123%的布儒斯特片。調Q晶體為KD*P的晶體，輸出耦合鏡的透過率為75%，總的腔長為280 mm。

放大級采用了和主振蕩級相似的模塊結構，模塊由5個相似的泵浦部件組成并采用了交替泵浦散熱的結構。每個泵浦組件都有一個由48個峰值功率為100 W的巴條組成的LD陣列，LD陣列直接焊接在了銅熱沉上進行散熱，所有LD陣列串聯在一起接入外電路，LD陣列的泵浦電流調節范圍為0～120 A，泵浦脈寬調節范圍為0～250 μs。在模塊中心由銅夾具夾持7.5mm×134mm、摻雜1.1% ±0.1%的晶體棒作為增益介質，晶體棒周圍是LD陣列，模塊的橫截面圖如圖2所示。放大模塊使用了3個最大功率為66 W的TEC冷卻片，并使用導熱硅脂粘附將整個LD模塊通過TEC冷卻片與一個銅熱沉散熱片相連。放大級的泵浦電源可由振蕩級電源提供的同步信號進行泵浦的同步控制。我們使用了兩個45°全反鏡將光路進行了折疊，并在放大器前放置了一個布儒斯特偏振片來進行激光輸出，在放大器后放置了一個λ/4波片用來改變激光的偏振方向，偏振片之后使用了一個全反鏡將激光反射回放大級進行二次放大，總腔長為730 mm。

圖1　雙程放大實驗裝置示意圖

圖2　LD模塊的橫截面圖

圖3　模塊實物圖

圖4　(a)不同泵浦電流下主振蕩級的輸出脈寬;(b)不同泵浦電流下主振蕩級的輸出能量。

3　結果與討論

我們先測試了主振蕩級的輸出特性，設置泵浦電流脈寬200μs、頻率10 Hz，通過調節電流得到了電流-能量輸出曲線和電流-脈寬曲線，實驗結果如圖4所示。

在圖4中可以看出，當泵浦電流由40 A逐漸增加時，輸出能量快速增長，激光脈寬逐漸減小。當泵浦電流達到60 A時，輸出能量達到330 mJ，脈寬減小到10 ns。但是當泵浦電流繼續增加時，輸出能量增長的速度開始變慢，激光脈寬穩定在10 ns。當泵浦電流達到80 A時，能量輸出曲線趨近飽和。這是因為當電流超過閾值繼續增加時，泵浦能量迅速增長，從而致使反轉粒子數增加，引起了激光輸出能量的增長以及脈寬的減小。但是當電流增長到60 A時，反轉粒子數開始趨近于飽和，所以導致激光輸出特性變化變緩慢。而另一方面，由于泵浦功率迅速增長，大量無效的能量以熱的形式迅速積累起來，晶體棒的熱效應不斷變強，從而也限制了激光的輸出。我們使用了光束質量診斷儀M2-200s和光電探頭分別對光束質量、脈寬進行檢測，測量結果分別如圖5、圖6所示。最終在80 A的條件下，獲得了350 mJ、9.7 ns的激光輸出，激光光束在兩個方向的光束質量參數 M2分別是7.7 和12.3。

圖5　光束質量測量結果

圖6　脈寬測量結果

圖7　(a)不同泵浦電流下雙程放大激光的輸出能量;(b)不同泵浦電流下雙程放大激光的輸出脈寬。

圖8　(a)雙程放大光斑形狀;(b)雙程放大光斑外觀

主振蕩功率放大是一種有效提高激光器能量輸出的方法，為了獲得更高能量輸出的激光，我們使用了350 mJ的調Q激光器作為主振蕩級，進行了雙程放大實驗。設置放大的頻率為10 Hz，泵浦脈寬為200μs，改變泵浦電流，得到的電流-能量以及電流-脈寬曲線如圖7所示。

在圖7(a)中可以看出，雙程放大后能量的變化曲線與主振蕩級的變化趨勢十分相近。當放大級泵浦電流達到閾值之后，輸出能量線性快速增長，在泵浦電流為60 A時達到730 m J。但是之后繼續增加泵浦電流，輸出增長速度變緩慢，最終在80 A時達到了飽和。放大后的脈寬、光束質量與主振蕩級相似，基本不發生改變。雙程放大的光斑測量圖如圖8所示。最終，在放大泵浦電流為80 A時得到了740 mJ、10 ns的激光輸出。

4　結　論

報道了一套高能量、緊湊型、TEC冷卻的全固態Nd∶YAG雙程放大系統。主振蕩級采用緊湊型結構、LD側面泵浦、電光調Q的方式，使用7 mm×100 mm、摻雜摩爾分數為1.1% ±0.1%的Nd∶YAG 晶體棒，泵浦的峰值功率為15 kW，腔長為280mm。在10 Hz的條件下，主振蕩級獲得了最大輸出能量為350 mJ、9.7 ns的激光，光束質量M2在兩個方向分別為7.7和12.3。進行雙程放大實驗并測量了激光的輸出特性，使用7.5 mm ×134 mm、摻雜摩爾分數1.1% ±0.1%的 Nd∶YAG 晶體棒，泵浦的峰值功率為24 kW，總腔長為730 mm。在泵浦電流為80 A 時得到了740 mJ、10 Hz、10 ns的激光輸出。