高重頻大能量亞納秒板條激光放大器研究

刁偉鵬,劉 洋,王 超,唐曉軍

(固體激光技術重點實驗室,北京 100015)

1 引 言

隨著激光器的不斷發展,高重頻大能量亞納秒脈沖固體激光器在材料加工、激光雷達、激光測距和非線性光學等領域具有重要的應用價值[1-4]。在材料加工中,相較于飛秒激光器,亞納秒激光器在材料表面的作用時間較長,同時又更容易獲得高能量輸出,帶來更高的工作效率。因此,如何獲取高平均功率、高單脈沖能量的亞納秒脈沖輸出成為研究熱點。

為了獲得高功率脈沖的輸出,通常采用主振蕩器和多級功率放大器的結構對低功率脈沖進行功率放大。2012年,王金國等將主振蕩器輸出的重復頻率5 Hz、單脈沖能量160 μJ、脈沖寬度964 ps的激光,通過LD準連續抽運的Nd∶YAG晶體進行雙程放大,獲得了脈沖能量88 mJ的脈沖輸出[5]。2014年,汪超等采用LD抽運Nd∶YAG再生放大器和四程放大器,將重復頻率100 Hz、單脈沖能量1 nJ、脈沖寬度500 ps～2 ns可調單縱模脈沖進行功率放大,獲得了單脈沖能量112 mJ的激光輸出[6]。2014年,童立新等使用LD雙端抽運Nd∶YAG板條作為放大模塊,采取小板條三程預放大和兩個大板條單程功率放大的結構,將重復頻率1 kHz、單脈沖能量2 mJ、脈沖寬度58 ns的種子光,放大為單脈沖能量1.1 J的脈沖輸出[7]。2019年,呂思奇等將重復頻率1 kHz、平均功率8.4 W、脈沖寬度127.6 ps的激光,通過LD側泵棒狀Nd∶YAG放大模塊,采用兩級雙模塊放大系統得到單脈沖能量84 mJ的激光輸出[8]。

本文同樣采用主振蕩功率放大(MOPA)的光路結構,主振蕩器輸出重復頻率1 kHz、平均功率4.5 W、脈沖寬度約700 ps、波長1064 nm的種子激光,將傳導冷卻端面泵浦板條激光器(CCEPS)與角度復用技術相結合,經過四程功率放大得到脈沖能量189 mJ的激光脈沖輸出。

2 理論模型

在激光放大器中,根據Franz-Nodvik理論,單程放大輸出能量密度可表示為[9]:

(1)

式中,E0為放大器的輸入能量密度；ES為增益介質的飽和能量密度；E1為放大器的輸出能量密度；g0為小信號增益系數；l為增益介質長度。其中g0的表達式為:

(2)

式中,ηT表示泵浦耦合效率；ηa表示增益介質的吸收效率；ηS表示斯托克斯效率；ηQ表示量子效率；ηB表示交疊效率；ηST表示晶體能量存儲效率；ηASE表示自發輻射損耗效率；EP表示泵浦能量密度；A為激光束在增益介質中有效橫截面積。

飽和能量密度ES可表示為:

(3)

式中,h表示普朗克常數；ν表示激光頻率；σ表示受激發射截面。對于Nd∶YAG晶體,1064 nm時的光子能量hν=1.86×10-19J,受激發射截面σ=2.8×10-19cm2。

第n程放大輸出能量密度可表示為:

(4)

其中:

(5)

(6)

3 實驗裝置

傳導冷卻端面泵浦板條激光放大器的增益介質為體摻雜Nd∶YAG晶體,結構如圖1所示,板條尺寸為67 mm×11 mm×1.7 mm,摻雜區域尺寸為50 mm×11 mm×1.7 mm,摻雜原子分數為0.2 at %。板條兩端斜面為通光面,采用45°角切割,且端面鍍有1064 nm增透膜。為了保證抽運光能在板條內部滿足全反射及抑制倏逝波,在板條兩大面鍍折射率較小的SiO2膜[10-11]。板條兩大面通過銦焊接微通道結構金屬熱沉,且使用水冷機進行精確控溫,水溫設置為25 ℃。實驗中增益介質采用雙端LD抽運的方式,其輸出中心波長為808 nm,使用恒溫水冷系統控制溫度,溫度設置為25 ℃。

圖1 增益板條的結構

實驗裝置如圖2所示,為了提高激光輸出功率,激光放大器采用四程放大的結構。種子源是由微片被動調Q的主振蕩器和LD抽運Nd∶YVO4棒狀晶體的功率放大模塊兩部分組成,其輸出重復頻率1 kHz、平均功率4.5 W、脈沖寬度約700 ps的1064 nm線偏振光。種子光經過由半波片(λ/2 plate)、偏振片(PBS)及法拉第旋光器(FR)組成的光隔離器(isolator),其偏振態為水平偏振態,光隔離器可以有效地隔離回光,避免對種子源造成損傷。光束整形裝置將種子光沿垂直方向拉長,使其與板條端面尺寸相匹配。平面反射鏡M1改變種子光傳播方向,使其通過薄膜偏振片(TFP)和平面反射鏡M2后進入板條增益晶體。采用雙角度復用技術完成四程放大,種子光與板條端面法線呈26°入射,在板條內部發生全反射,沿“之”字形光路傳輸經過板條完成第一次放大。通過平面反射鏡M3、M4、M5以及透鏡F1、F2后改變傳播方向,以22°入射再次通過板條完成第二次放大。水平偏振光經過平面反射鏡M6、四分之一波片及透鏡F3、F4,由0°全反鏡M7反射再次通過四分之一波片,偏振態轉變為垂直偏振。之后種子光按照原光路經過板條增益晶體完成第三、第四次放大后經TFP反射輸出。其中透鏡F1=F2=250 mm和透鏡F3=F4=300 mm為兩組4F成像系統,可以有效減小光束發散角,保證光斑始終匹配板條端面尺寸。

圖2 實驗裝置示意圖

4 實驗結果與分析

在實驗過程中,針對板條中自發輻射的抑制進行研究,發現板條側面處理方法不同對自發輻射的抑制效果存在差異。使用三塊側面分別進行酸蝕、粗磨和細磨處理板條作為增益介質,在單程放大和單端泵浦條件下進行實驗。種子光重復頻率為10 Hz,輸出功率為0.04 W。單程放大輸出功率與抽運電流的關系如圖3所示,圖中線型1方形表示側面酸蝕處理的板條的輸出功率,線型2圓形表示側面粗磨處理的板條的輸出功率,線型3三角形表示側面細磨處理的板條的輸出功率。

從圖3中可以看出,側面經過三種不同處理方法的板條的單程輸出功率隨電流增長趨勢基本相同,但在電流達到150 A后,側面酸蝕處理的板條輸出功率不再增長,漸漸穩定；側面粗磨處理的板條輸出功率仍在增長,增長趨勢變緩；側面細磨處理的板條輸出功率扔保持原來趨勢增長。由此可以看出,側面細磨處理的板條可以有效抑制自發輻射。在后續的四程放大實驗中使用側面細磨處理的板條。

圖3 單程放大輸出功率與抽運電流的關系曲線

在四程放大實驗中,種子源輸出激光功率約為4.5 W,種子光經過光隔離器、光束整形裝置和平面反射鏡后進入板條增益介質前的功率為4 W,單程通過增益晶體功率下降至3.5 W,第二、四次通過Nd∶YAG晶體后種子光功率分別為3.2 W和2.7 W,激光每次通過板條的透過率約為90 %。抽運電流重復頻率1 kHz、時間寬度為200 μs。圖4為種子源激光通過增益介質單程放大、雙程放大和四程放大后輸出功率與泵浦電流的變化曲線。

圖4 激光單程、雙程和四程放大輸出功率與抽運電流的關系

種子光經過增益介質進行單程放大、雙程放大和四程放大時,由于種子光輸入板條能量密度小于Nd∶YAG的飽和能量密度,屬于小信號增益,激光輸出功率隨抽運功率增加呈指數關系增長。當泵浦電流為210 A,抽運功率為1278 W時,單程放大后輸單脈沖能量為40 mJ；雙程放大后單脈沖能量為152 mJ；四程放大后單脈沖能量為189 mJ,光光效率14.78 %。

實驗中使用快速光電探測器和數字示波器測得四程放大后激光脈沖波形如圖5所示,四程放大后激光脈沖寬度為723 ps。

圖5 四程放大激光脈沖波形圖

將四程放大輸出的長方形光斑經過柱面鏡整形為正方形光斑,消除像散,近場光斑尺寸11 mm×11 mm,使用CCD接收光斑的遠場強度分布圖像如圖6所示。實際光束的遠場發散角θx=0.41 mrad,θy=0.45 mrad,光束質量βx=1.7,βy=1.9。

圖6 四程放大激光光斑圖

從小信號增益系數g0的計算公式(2)可以看出,g0與許多能量轉換過程密切相關,而且實際中這些能量轉換參數彼此相關又復雜,很難測出具體數值。根據實驗中單程放大飽和輸出的能量推算出g0,進而可以計算出雙程放大和四程放大的輸出功率進行理論計算。實驗中,抽運功率達到1278 W提取能量飽和,單程放大的單脈沖能量40 mJ代入公式(1)可以得到g0l=2.4。繼續代入公式(4)、(5)、(6)可以計算出雙程放大的單脈沖能量為182 mJ,四程放大的單脈沖能量為307 mJ。圖7為實驗中四程放大輸出功率及根據理論模型計算四程放大輸出功率與抽運電流的關系。抽運電流小的情況下,實驗結果與理論計算結果匹配較好,抽運電流增大,兩結果之間差值變大。

圖7 實際四程放大輸出功率和理論四程放大輸出功率與抽運電流的關系

對比實驗結果與計算結果,實驗中雙程放大和四程放大的單脈沖能量要小于理論計算的結果。一方面在計算公式中,認為激光光束強度是均勻的,而在實際情況中,激光在增益介質中傳輸時中心光強要強于周邊的光強,光強大小會影響能量的提取,進而影響輸出功率。另一方面在激光放大的過程中,放大的自發輻射(ASE)會消耗反轉粒子數,影響激光受激輻射的放大輸出,采用更合理的方法減少自發輻射對反轉粒子數的消耗可以有效的提高系統的輸出功率。

5 結 論

介紹了一種高重頻大能量亞納秒板條激光放大器。該放大器采用主振蕩功率放大(MOPA)結構,將傳導冷卻端面泵浦板條激光放大器(CCEPS)與角度復用技術相結合,通過雙端泵浦單塊Nd∶YAG板條進行四程放大,最終實現了重復頻率1 kHz、脈沖寬度720 ps、單脈沖能量189 mJ、光束質量2倍衍射極限的亞納秒激光脈沖。