10 kW級表層摻雜板條激光放大器研究

丁小康,劉 洋,張偉橋,王 超,唐曉軍,姜東升

(固體激光技術重點實驗室,北京 100015)

1 引 言

激光二極管(LD)抽運的高功率全固態激光器具有效率高、結構緊湊和光束質量好的特點,廣泛應用于軍事和工業領域。然而傳統圓棒狀增益介質在高功率運行時具有嚴重的熱透鏡效應,這嚴重限制了圓棒激光器的輸出功率和光束質量。為了解決這種問題,研究人員開展了大量研究[1-2],并提出改變增益介質形狀的方案,由此誕生了板條、薄片、波導等不同增益介質形狀的激光器。

最初的板條激光器由美國通用公司在1969年提出[3],因為激光在板條內部沿“之”字型的光路傳輸,可以很好地抵消厚度方向上的熱畸變,所以能夠輸出較高的光束質量和功率。準三能級Yb∶YAG晶體因其本身量子效率高、光熱轉換效率低和光光轉換效率高等特點,非常適合作為高功率激光器的工作物質。因此,科研人員將Yb∶YAG晶體和板條激光器相互結合,以求獲得更高功率的激光。2016年,陳小明等[4]利用小尺寸板條實現了3.54 kW的激光輸出,從模塊中提取功率2.7 kW,提取效率達到41 %。2018年,徐瀏等[5]采用兩塊多段體摻雜板條搭建了Yb∶YAG放大鏈路,在0.3 kW的種子光和50.4 kW的抽運光條件下,獲得了11.9 kW的激光輸出,光光轉化效率為23 %。鏈路主放大器在3.6 kW信號光和33.6 kW抽運條件下,提取功率8.3 kW,提取效率為24.7 %。

2008年,唐曉軍等人[6]在“之”字形板條的基礎上,提出了表層摻雜板條的結構。表層摻雜板條結合了傳統板條和薄片的優點,不僅激光在板條內部沿“之”字型傳輸可以消除熱畸變,而且摻雜面與熱沉直接接觸可以有效的散熱,具有輸出更高功率激光的潛力。目前有關表層摻雜板條的研究成果[7-10],見報的還不是很多。2018年,李寧等[8]采用小尺寸表層摻雜板條,實現了2.6 kW的激光輸出,從模塊中提取功率2.4 kW,提取效率為21.4 %。2018年,劉嬌等[9]報道一種Yb∶YAG梯形表層摻雜板條激光器。在準連續實驗中,泵浦能量48J,重復頻率5 Hz,脈寬1 ms的情形下,輸出了21.6 J的激光脈沖,光光轉化效率45 %。

本文在文獻[8]和[9]研究的基礎上,采用梯形結構的Yb∶YAG表層摻雜板條,設計了萬瓦級輸出的激光放大器。室溫下,當3.5 kW的1030 nm信號光注入和22.4 kW的940 nm激光二極管抽運時,獲得10.6 kW的激光輸出,單模塊提取功率7.1 kW,提取效率為31.7 %。

2 理論分析

對于MOPA結構的激光放大器,我們需要關注其中增益模塊的提取效率和提取功率。這是因為增益模塊的提取效率與放大器的光光轉換效率息息相關。提升單模塊的提取效率,不僅能提升放大器的光光轉換效率,還能減少增益介質中的放大自發輻射(ASE),有效提升放大器的光束質量[11]。

Yb∶YAG晶體的局域提取效率可以定義為[12]:

(1)

(2)

式中,h為普朗克常量；τ為激光上能級的熒光壽命；υp和υl代表抽運光和激光的頻率；σp和σl分別表示抽運光的吸收截面和激光的發射截面。

圖1表示在300 K和450 K下,局域提取效率隨信號光強與抽運光強的變化。從圖1中可以看出,同溫度下,局域提取效率與信號光強和抽運光強均呈正相關的關系,即信號光強與抽運光強越強,局域提取效率越高。所以若想實現單模塊能量的高效提取,高亮度的抽運光強和信號光強非常重要。不同溫度下,450 K時的局域提取效率在同信號光強和抽運光強下要小于300 K時,且在低信號光強和抽運光強時表現的更加明顯。這是因為溫度升高會影響Yb3+離子的能級分布,使抽運上能級和激光下能級的粒子數增多,抽運下能級和激光上能級的粒子數減少。從Bourdet建立的準三級速率方程[13]可以看出:這樣會使能級間的反轉粒子數減少。從而使得產生同樣強度的激光卻需要比低溫時更強的抽運光。因此想要實現單模塊能量的高效提取,有效抑制板條溫升亦非常重要。

表層摻雜板條的摻雜層很薄,僅有百微米量級,又直接與熱沉接觸,熱阻降低,這大大提升了摻雜層的散熱,更有助于高強度抽運光和激光的注入,實現單模塊能量高效提取,獲得大功率的激光輸出。而且表層摻雜板條保留了激光的之字形光路,有利于激光光束質量的提升。

(a)300 K

(b)450 K

3 實驗裝置

實驗裝置如圖2所示,M1～M5為反射鏡,鍍有1030 nm波長的高反膜；M6為半透半反鏡；DM1和DM2為雙色鏡,鍍有940 nm波長的增透膜和1030 nm波長的高反膜；F1～F4為焦距300 mm的凸透鏡,表面鍍有1030 nm波長的增透膜,其作用是在提升信號光與板條的耦合效率同時降低增益模塊的熱敏感性。鍍膜后的鏡片對相應波長的透過率或發射率均大于99.9 %。(1)和(2)分別表示信號光的單程和雙程放大光路。為了提升抽運光功率密度,使用條紋鏡、反射鏡和偏振片將4支LD進行空間/偏振合成[10],合束效率為95 %。實驗中,對增益模塊采用雙端抽運的方式,抽運光總功率達到22.4 kW,中心波長為940.5 nm。為使增益介質對抽運光的吸收達到最大,抽運光進入板條的角度為22°左右。

增益模塊結構如圖3(a)所示。采用梯形結構的表層摻雜板條,板條尺寸為28 mm(x)×2 mm(y)×120 mm(z)(寬×厚×長)。在一塊純YAG基質上鍵合一塊尺寸為28 mm×0.34 mm×100 mm的Yb∶YAG,Yb3+離子的摻雜濃度為2 at%。鍵合有Yb∶YAG的大面焊接在微通道冷卻熱沉上,其余部分直接與空氣接觸。板條的兩個端面切割為45°,且鍍有940 nm和1030 nm波長的增透膜。激光在板條內部的光路如圖3(b)所示。信號光單程放大和雙程放大進入板條的角度分別為22°和26°。實驗時,將3.5 kW的信號光注入板條。信號光是由中心波長1030 nm、功率0.2 kW的種子光經預放得到。

4 實驗結果和分析

實驗中采用恒溫水冷系統對LD和冷卻熱沉的溫度進行控制,溫度分別設置為25 ℃和20 ℃。板條對抽運光的吸收效率約為92 %；種子光與板條的耦合效率約為95 %；雙程放大時的交疊效率為95 %。

圖2 激光放大器實驗裝置圖

圖3 放大器增益模塊結構及激光在板條內部光路示意圖

Yb∶YAG表層摻雜板條激光放大器的實驗結果如圖4(a)所示。室溫條件下,雙端抽運光功率22.4 kW,放大器將3.5 kW的種子光功率提升至10.6 kW,從增益模塊中提取功率7.1 kW,提取效率達到31.7 %。圖4(b)展示了增益模塊提取功率和提取效率的理論值和實驗值。理論曲線是依據Bourdet提出的準三能級模型[13]計算得到,同時模型也將溫度和耦合效率、交疊效率等實驗參數考慮在內。通過比較理論曲線和實驗曲線可以發現,理論值和實驗值在誤差允許的范圍內可以實現較好的擬合。從圖4中,我們可以看出放大器的光光效率還未達到最大,放大器的輸出還可以繼續的提升。所以為了進一步提升增益模塊的提取功率和提取效率,我們可以采用如下的方式:①進一步提升抽運功率。根據圖4(b)理論曲線及實驗值與理論值的誤差,在抽運功率27.6 kW時,單模塊的提取功率可以達到9 kW,提取效率可以達到33 %；②提升輸入信號光功率。根據理論模型的計算,若輸入信號光功率提升至7 kW,在同抽運條件下,單模塊的提取功率可以達到8.1 kW,提取效率達到36.7 %。

圖4 輸出功率曲線和光光轉換效率曲線及增益模塊的提取功率曲率

根據理論模型的計算,現有的實驗條件下的單模塊提取效率的極限在41 %左右。我們認為限制提取效率繼續提升的原因主要有兩個:①抽運光的利用率不高。由于抽運耦合和抽運光與激光的交疊等實驗因素,抽運光的額外損耗很多。②板條內部的溫度。根據前面的理論分析,溫度是影響板條提取效率的重要因素,高溫會限制板條內的功率提取。大功率的抽運光進入板條會不可避免的帶來板條內部的溫度升高。同時板條內存在的放大自發輻射(ASE)不僅會帶來板條內部的溫度升高還會消耗抽運光帶來額外的抽運光損耗,限制提取效率的提升。

實驗中我們對表層摻雜板條激光波前進行測試,結果如圖5所示,在輸出激光10.6 kW時,x方向的波前畸變為1.6 μm,y方向的波前畸變為0.5 μm,波前畸變較小。

圖5 Yb∶YAG表層摻雜板條的透射波前分布

5 結 論

本文在理論方面分析了抽運光強、信號光強和溫度對模塊提取效率的影響,然后根據具體的實驗參數建立了放大器輸出功率的理論模型。在實驗上,主放大器采用了梯形結構的Yb∶YAG表層摻雜板條,設計并開展了表層摻雜板條的 MOPA鏈路放大實驗。 在22.4 kW的940 nm激光二極管抽運下,放大器將3.5 kW的1030 nm信號光提升至10.6 kW,提取功率7.1 kW,提取效率達到31.7 %。同時對透射波前進行了測量。

實驗結果充分證明了表層摻雜板條可以獲得高功率激光,且還有獲得更高激光輸出的潛力。下一步可以優化預放大器,同時增加抽運光功率,這樣提取效率和輸出功率都將獲得進一步的提升。