Yb∶YAG板條高亮度均勻泵浦耦合技術研究

劉 洋,李 寧,孫萬升,王 超,唐曉軍,謝桂娟,陳 露,張偉橋

(固體激光技術重點實驗室,北京 100015)

1 引 言

以激光二極管陣列(LDA)作為抽運源的固體激光器和固體激光放大器具有穩定性良好,轉化效率高,熱效應小等優點,被廣泛的應用于工業與科學應用中,如軍事武器、工業加工以及生物醫療等領域[1-2]。而隨著激光二極管穩定性以及功率的提升,目前固體激光器的增益介質材料逐漸從Nd∶YAG向Yb∶YAG轉化,主要由于Yb∶YAG以其能級結構簡單、量子虧損小等優點。例如,K.T[3]在2003年首次利用2.4 W的LD功率泵浦1at. %摻雜的Yb∶YAG激光晶體,實現大于345 mW的激光輸出。2013年,程[4]等人報道了一種在抽運功率為7.1 W的條件下獲得0.53 W的自調Q激光輸出。2018年,Wang[5]等利用Yb∶YAG搭建激光放大鏈路實現大于20 kW的連續激光輸出。然而,室溫下Yb∶YAG的玻爾茲曼熱效應為200 cm-1[6],在受熱后終端能級的粒子數會增加,形成準三能級的激光運行機制,意味在室溫下Yb∶YAG固體激光器需要較高的抽運閾值。所以想要利用Yb∶YAG獲得高效率高功率的激光輸出需要對晶體注入高泵浦功率,這意味著激光二極管在工作過程中需要進行高電流加載。然而,目前的激光二極管陣列受限于工藝的影響,其內部的半導體芯片的高電流加載下會發熱,引起激光二極管陣列波長漂移,輸出功率不穩定等問題,導致最終輸出的激光性能受到影響。所以,如何在保持激光二極管穩定下實現高功率泵浦成為了目前制約Yb∶YAG激光器發展的因素之一。為了保持激光二極管陣列在合適電流下實現高功率泵浦,馬曉輝[7]等利用偏振復用的技術實現高功率激光二極管泵浦光纖激光器。而目前在固體狀或者板條狀激光器中,此類技術報道較少。

本文通過理論計算室溫下注入的泵浦光功率密度與Yb∶YAG晶體的提取效率之間的關系,利用空間與偏振復合的方式將四個激光二極管陣列進行合束,實現了泵浦總功率約24 kW,合束效率大于90 %,泵浦功率密度達到40 kW/cm2的泵浦光斑。為高功率Yb∶YAG激光器提供了可靠與高效的泵浦系統。

2 理論計算

在室溫下Yb∶YAG的玻爾茲曼熱效應為200 cm-1,因此在受熱后終端能級的粒子數會增加,形成準三能級的激光運行機制。室溫時激光下能級的熱粒子數大約為5.5 %。為了獲得和維持透明的激光波長即粒子數反轉條件為:

(1)

式中,Isp為泵浦光飽和光強;Ip為泵浦光強度;fip(i=1,2,3)和fil(i=1,2,3)分別為泵浦能級和激光能級的玻爾茲曼分布數。為了克服光學損耗并達到激光閾值,需要更高的功率密度；為了得到有效的激光作用,必須將激光器的泵浦強度增加至其閾值之上的5～6倍。定義局域提取效率為激光提取的能量與理論上可提取的能量之比,后者正比于局域所吸收的泵浦能量。當激光強度足夠強時,Yb∶YAG的局域極限提取效率為:

(2)

在室溫條件下,局域極限提取效率和泵浦功率密度關系曲線如圖1所示,可以看出對于Yb∶YAG晶體而言,高泵浦功率密度是實現高光光轉換效率的重要因素之一,為了實現高效提取,Yb∶YAG板條較傳統的Nd∶YAG板條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術是實現高效、高功率激光模塊的重要研究內容。

圖1 Yb∶YAG晶體局域極限提取效率與泵浦功率密度關系曲線

3 空間/偏振復合的激光二極管合束系統設計

為了實現Yb∶YAG激光晶體的高效提取,需要保證足夠的泵浦光總功率。由式(2)與圖1可知,如果Yb∶YAG提取效率達到90 %以上,需要注入的泵浦光功率密度約為40 kW/cm2。對于目前商用的激光二極管陣列(如聚光或者dilas)其穩定的最大輸出約為6000 W,而板條狀Yb∶YAG激光晶體的泵浦端面尺寸約為28 mm×2 mm,所以要求泵浦總功率要達到24 kW,需要將四個激光二極管陣列進行合束。為此提出一種利用空間與偏振復合的合束方式,實現4個LD合束。結構如圖2(a)所示,LD1與LD2進行空間合束,LD3與LD4進行空間合束,最后將兩個空間合束完的LD光斑進行偏振合束,實現4個LD合束。

圖2 空間/偏振復合的激光二極管合束系統

在現有的微通道傳導冷卻激光二極管面陣中,由于封裝工藝和微通道熱沉結構的原因,每個bar條之間存在一定距離的間隔,現有商用的激光二極管面陣每個bar條之間的距離為1.8 mm,不利于實現更高泵浦功率密度、更加緊湊的泵浦耦合結構。為了有效實現多支激光二極管面陣bar條間的有效拼接,第一程合束如圖2(b)所示,首先利用條紋鏡,實現兩支激光二極管面陣的空間拼接,條紋鏡如圖2(c)所示,針對激光二極管面陣的空間分布特點,在鏡片上間隔鍍制45 °全反射膜和增透膜,最終實現兩只LD的空間合束。兩支LD利用條紋鏡拼接后,每個bar條之間還存在一定的間隔,為實現更加緊湊的耦合結構和更高功率密度的泵浦光分布,同時考慮激光二極管面陣的偏振度保持在95 %以上,在條紋鏡進行空間拼接后利用偏振片對兩種偏振態的激光二極管面陣進行偏振拼接,從而進一步提高泵浦功率密度。其中,LD1與LD2為TM模式偏振,LD3與LD4為TM模式偏振,偏振片為對TM模式的光全反射而對TM模式的光為全透射。所以LD1與LD2空間合束的光經過偏振片后被反射,而LD3與LD4空間合束的光經過偏振片后被全透射,實現偏振合成復用,完成4個LD的合束效果。

通過光線追跡軟件tracePro模擬兩種合束的效果,如圖3所示。圖3(a)為單個LD的光斑分布效果,可以看出LD的Bar之間有較大的間隙,通過空間條紋鏡進行合束之后,如圖3(b)所示,在光斑大小沒有增加的條件下,Bar與Bar之間的間隙被填充,光功率增加變為原來的兩倍。而最后通過偏振合束完成4個LD的合束光斑效果圖如3(c)所示,合束光斑大小不變,光強分布均勻。所以該種合束泵浦方式能夠達到高泵浦條件,實現高效提取Yb∶YAG激光晶體。

圖3 光斑仿真模擬圖

4 實驗及結果分析

為測量兩次合束的效果,搭建如圖4所示的結構。LD為Dilas出產的激光二極管陣列,水冷溫度為20 ℃,波長為940 nm。圖中45°HR為對940 nm全反射,所以LD1發出的光經過45°HR反射至條紋鏡上面,再由條紋鏡上的反射條紋進入耦合器整形,最終進入功率計。而LD2直接透過條紋鏡上的透射條紋片進入功率計。而第二程合束裝置為兩個第一程合束疊加,通過偏振片進行合束疊加。

圖4 實驗裝置圖

實驗結果如圖5所示,在電流從20 A加載至200 A條件下,單個激光二極管陣列的最大輸出功率為6.7 kW,只有空間合束時,激光二極管的最大輸出功率為12.8 kW,輸出效率約為95 %。當對兩個空間合束之后的LD光斑進行偏振合束時,最大輸出的功率約為25 kW。合束效率約為90 %。若板條狀Yb∶YAG的端面尺寸為2 mm×28 mm時,泵浦光的功率密度約為44.6 kW/cm2,能夠實現高效的激光提取。

圖5 泵浦功率與加載電流曲線

5 結 論

本文研究了一種用于Yb∶YAG板條激光器的高功率激光二極管泵浦源設計。首先理論計算了Yb∶YAG板條激光器高效提取時所需的泵浦功率密度。利用空間與偏振復合拼接的方式實現總功率大于2.5 kW,功率密度大于40 kW/cm2的泵浦源設計。通過實驗驗證,在加載電流條件為200 A下,泵浦總功率約為25 kW,泵浦光的功率密度約為44.6 kW/cm2,總合束效率為90 %以上。證明了該種實現高功率泵浦的方式能夠有效的解決目前Yb∶YAG板條狀激光晶體因泵浦功率低下而導致的功率和效率下降的問題。