丁小康,刘 洋,张伟桥,王 超,唐晓军,姜东升

(固体激光技术重点实验室,北京 100015)

1 引 言

激光二极管(LD)抽运的高功率全固态激光器具有效率高、结构紧凑和光束质量好的特点,广泛应用于军事和工业领域。然而传统圆棒状增益介质在高功率运行时具有严重的热透镜效应,这严重限制了圆棒激光器的输出功率和光束质量。为了解决这种问题,研究人员开展了大量研究[1-2],并提出改变增益介质形状的方案,由此诞生了板条、薄片、波导等不同增益介质形状的激光器。

最初的板条激光器由美国通用公司在1969年提出[3],因为激光在板条内部沿“之”字型的光路传输,可以很好地抵消厚度方向上的热畸变,所以能够输出较高的光束质量和功率。准三能级Yb∶YAG晶体因其本身量子效率高、光热转换效率低和光光转换效率高等特点,非常适合作为高功率激光器的工作物质。因此,科研人员将Yb∶YAG晶体和板条激光器相互结合,以求获得更高功率的激光。2016年,陈小明等[4]利用小尺寸板条实现了3.54 kW的激光输出,从模块中提取功率2.7 kW,提取效率达到41 %。2018年,徐浏等[5]采用两块多段体掺杂板条搭建了Yb∶YAG放大链路,在0.3 kW的种子光和50.4 kW的抽运光条件下,获得了11.9 kW的激光输出,光光转化效率为23 %。链路主放大器在3.6 kW信号光和33.6 kW抽运条件下,提取功率8.3 kW,提取效率为24.7 %。

2008年,唐晓军等人[6]在“之”字形板条的基础上,提出了表层掺杂板条的结构。表层掺杂板条结合了传统板条和薄片的优点,不仅激光在板条内部沿“之”字型传输可以消除热畸变,而且掺杂面与热沉直接接触可以有效的散热,具有输出更高功率激光的潜力。目前有关表层掺杂板条的研究成果[7-10],见报的还不是很多。2018年,李宁等[8]采用小尺寸表层掺杂板条,实现了2.6 kW的激光输出,从模块中提取功率2.4 kW,提取效率为21.4 %。2018年,刘娇等[9]报道一种Yb∶YAG梯形表层掺杂板条激光器。在准连续实验中,泵浦能量48J,重复频率5 Hz,脉宽1 ms的情形下,输出了21.6 J的激光脉冲,光光转化效率45 %。

本文在文献[8]和[9]研究的基础上,采用梯形结构的Yb∶YAG表层掺杂板条,设计了万瓦级输出的激光放大器。室温下,当3.5 kW的1030 nm信号光注入和22.4 kW的940 nm激光二极管抽运时,获得10.6 kW的激光输出,单模块提取功率7.1 kW,提取效率为31.7 %。

2 理论分析

对于MOPA结构的激光放大器,我们需要关注其中增益模块的提取效率和提取功率。这是因为增益模块的提取效率与放大器的光光转换效率息息相关。提升单模块的提取效率,不仅能提升放大器的光光转换效率,还能减少增益介质中的放大自发辐射(ASE),有效提升放大器的光束质量[11]。

Yb∶YAG晶体的局域提取效率可以定义为[12]:

(1)

(2)

式中,h为普朗克常量；τ为激光上能级的荧光寿命；υp和υl代表抽运光和激光的频率；σp和σl分别表示抽运光的吸收截面和激光的发射截面。

图1表示在300 K和450 K下,局域提取效率随信号光强与抽运光强的变化。从图1中可以看出,同温度下,局域提取效率与信号光强和抽运光强均呈正相关的关系,即信号光强与抽运光强越强,局域提取效率越高。所以若想实现单模块能量的高效提取,高亮度的抽运光强和信号光强非常重要。不同温度下,450 K时的局域提取效率在同信号光强和抽运光强下要小于300 K时,且在低信号光强和抽运光强时表现的更加明显。这是因为温度升高会影响Yb3+离子的能级分布,使抽运上能级和激光下能级的粒子数增多,抽运下能级和激光上能级的粒子数减少。从Bourdet建立的准三级速率方程[13]可以看出:这样会使能级间的反转粒子数减少。从而使得产生同样强度的激光却需要比低温时更强的抽运光。因此想要实现单模块能量的高效提取,有效抑制板条温升亦非常重要。

表层掺杂板条的掺杂层很薄,仅有百微米量级,又直接与热沉接触,热阻降低,这大大提升了掺杂层的散热,更有助于高强度抽运光和激光的注入,实现单模块能量高效提取,获得大功率的激光输出。而且表层掺杂板条保留了激光的之字形光路,有利于激光光束质量的提升。

(a)300 K

(b)450 K

3 实验装置

实验装置如图2所示,M1～M5为反射镜,镀有1030 nm波长的高反膜；M6为半透半反镜；DM1和DM2为双色镜,镀有940 nm波长的增透膜和1030 nm波长的高反膜；F1～F4为焦距300 mm的凸透镜,表面镀有1030 nm波长的增透膜,其作用是在提升信号光与板条的耦合效率同时降低增益模块的热敏感性。镀膜后的镜片对相应波长的透过率或发射率均大于99.9 %。(1)和(2)分别表示信号光的单程和双程放大光路。为了提升抽运光功率密度,使用条纹镜、反射镜和偏振片将4支LD进行空间/偏振合成[10],合束效率为95 %。实验中,对增益模块采用双端抽运的方式,抽运光总功率达到22.4 kW,中心波长为940.5 nm。为使增益介质对抽运光的吸收达到最大,抽运光进入板条的角度为22°左右。

增益模块结构如图3(a)所示。采用梯形结构的表层掺杂板条,板条尺寸为28 mm(x)×2 mm(y)×120 mm(z)(宽×厚×长)。在一块纯YAG基质上键合一块尺寸为28 mm×0.34 mm×100 mm的Yb∶YAG,Yb3+离子的掺杂浓度为2 at%。键合有Yb∶YAG的大面焊接在微通道冷却热沉上,其余部分直接与空气接触。板条的两个端面切割为45°,且镀有940 nm和1030 nm波长的增透膜。激光在板条内部的光路如图3(b)所示。信号光单程放大和双程放大进入板条的角度分别为22°和26°。实验时,将3.5 kW的信号光注入板条。信号光是由中心波长1030 nm、功率0.2 kW的种子光经预放得到。

4 实验结果和分析

实验中采用恒温水冷系统对LD和冷却热沉的温度进行控制,温度分别设置为25 ℃和20 ℃。板条对抽运光的吸收效率约为92 %；种子光与板条的耦合效率约为95 %；双程放大时的交叠效率为95 %。

图2 激光放大器实验装置图

图3 放大器增益模块结构及激光在板条内部光路示意图

Yb∶YAG表层掺杂板条激光放大器的实验结果如图4(a)所示。室温条件下,双端抽运光功率22.4 kW,放大器将3.5 kW的种子光功率提升至10.6 kW,从增益模块中提取功率7.1 kW,提取效率达到31.7 %。图4(b)展示了增益模块提取功率和提取效率的理论值和实验值。理论曲线是依据Bourdet提出的准三能级模型[13]计算得到,同时模型也将温度和耦合效率、交叠效率等实验参数考虑在内。通过比较理论曲线和实验曲线可以发现,理论值和实验值在误差允许的范围内可以实现较好的拟合。从图4中,我们可以看出放大器的光光效率还未达到最大,放大器的输出还可以继续的提升。所以为了进一步提升增益模块的提取功率和提取效率,我们可以采用如下的方式:①进一步提升抽运功率。根据图4(b)理论曲线及实验值与理论值的误差,在抽运功率27.6 kW时,单模块的提取功率可以达到9 kW,提取效率可以达到33 %；②提升输入信号光功率。根据理论模型的计算,若输入信号光功率提升至7 kW,在同抽运条件下,单模块的提取功率可以达到8.1 kW,提取效率达到36.7 %。

图4 输出功率曲线和光光转换效率曲线及增益模块的提取功率曲率

根据理论模型的计算,现有的实验条件下的单模块提取效率的极限在41 %左右。我们认为限制提取效率继续提升的原因主要有两个:①抽运光的利用率不高。由于抽运耦合和抽运光与激光的交叠等实验因素,抽运光的额外损耗很多。②板条内部的温度。根据前面的理论分析,温度是影响板条提取效率的重要因素,高温会限制板条内的功率提取。大功率的抽运光进入板条会不可避免的带来板条内部的温度升高。同时板条内存在的放大自发辐射(ASE)不仅会带来板条内部的温度升高还会消耗抽运光带来额外的抽运光损耗,限制提取效率的提升。

实验中我们对表层掺杂板条激光波前进行测试,结果如图5所示,在输出激光10.6 kW时,x方向的波前畸变为1.6 μm,y方向的波前畸变为0.5 μm,波前畸变较小。

图5 Yb∶YAG表层掺杂板条的透射波前分布

5 结 论

本文在理论方面分析了抽运光强、信号光强和温度对模块提取效率的影响,然后根据具体的实验参数建立了放大器输出功率的理论模型。在实验上,主放大器采用了梯形结构的Yb∶YAG表层掺杂板条,设计并开展了表层掺杂板条的 MOPA链路放大实验。 在22.4 kW的940 nm激光二极管抽运下,放大器将3.5 kW的1030 nm信号光提升至10.6 kW,提取功率7.1 kW,提取效率达到31.7 %。同时对透射波前进行了测量。

实验结果充分证明了表层掺杂板条可以获得高功率激光,且还有获得更高激光输出的潜力。下一步可以优化预放大器,同时增加抽运光功率,这样提取效率和输出功率都将获得进一步的提升。