大功率1.3 μm二极管泵浦Nd∶YAG激光器研究

李 星,张大为,华玉婷,赵书云,包照日格图

(华北光电技术研究所,北京 100015)

1 引 言

自从1960年第一台红宝石固体激光器问世以来,激光技术获得了蓬勃的发展,各种波段的激光器相继问世。尤其随着半导体技术的日益发展和成熟,激光二极管在功率、转换效率、运行寿命等方面已经有极大提高,将其用在固体激光器中光泵浦系统后,因其能够极大降低注入激光晶体内的无用热量,能够明显降低激光晶体的热畸变,显著提高激光器光束质量,从而成为激光泵浦技术中的一个重要突破,激光二极管泵浦固体激光器[1]的迅速发展逐渐成为一种趋势。其中1.3 μm波长Nd∶YAG激光器因其输出波长的特殊性广泛应用于光纤通信、激光医疗、非线性频率转换、光电对抗等领域。国内外关于1.3 μm激光器的报道主要以大功率连续或声光调Q准连续激光器研究为主[2-4],未见到涉及能够适应复杂严酷环境条件的产品制造方面的报道。因非线性频率变换和光电对抗领域对1.3 μm Nd∶YAG激光器的光束质量有很高的要求,所以华北光电技术研究所对如何降低热效应、如何实现泵浦腔均匀泵浦技术等方面进行了广泛的基础研究,通过双泵浦腔串接、谐振腔优化设计、环形泵浦腔设计等手段,实现了平均功率140 W、光束发散角10 mrad、脉冲宽度250 ns的1.3 μm连续激光输出,能够在高低温、振动、冲击等严酷条件下稳定、长时间工作,为拓展产品的应用奠定基础。

2 方案设计

为获得高光束质量、高功率1.3 μm激光输出,需要对激光工作介质、增益分布的均匀性、谐振腔选模等方面进行通盘考虑和优化设计,并结合专门的工艺设计,保障实际产品的高可靠性运转工作。

2.1 激光工作介质

目前可以输出1.3 μm波长激光的固体激光材料有:Nd∶YAG、Nd∶YAP、Nd∶YVO4、Nd∶GdVO4等,以上四种晶体都较适合于LD泵浦。激光晶体的受激发射截面σ和荧光寿命τ的乘积与激光输出功率成正比,与激光阈值成反比。表1是各晶体1.3 μm波段跃迁的参数与热导率的对比。考虑到晶体的均匀性、消光比等指标因素,激光工作介质选取性能较为全面优异的Nd∶YAG晶体,满足产品性能要求。

表1 各晶体1.3 μm波段跃迁的参数与热导率的对比

由于Nd∶YAG晶体的发射光谱中除了1064 nm谱线以外还有1319 nm、1338 nm等发射谱线,如果不进行专门的抑制措施,很难实现单个波长激光输出。本文中为了实现1319 nm波段的激光输出,必须抑制1064 nm、1338 nm等多余谱线振荡,其方法是通过对谐振腔镜片的膜系设计增大1064 nm、1338 nm等多余谱线的腔内损耗从而达到对其进行抑制的效果。

2.2 泵浦方式

实现高光束质量激光的基础实现激光工作介质横截面上增益分布均匀性[5]和增益分布与谐振腔低阶模的模式匹配。为获得理想的增益分布,激光工作介质的泵浦方式采用二极管侧面泵浦方式,对该聚光腔进行了特别设计(如图1所示),采用单条20 W的连续808 nm激光二极管阵列作为泵浦单元,并将35个20 W连续激光二极管分成5排,这样形成单排为7只激光二极管的热沉结构。这5排激光二极管阵列等间距环绕安装在一个整体金属骨架上,呈五边对称形环绕在工作介质Nd∶YAG圆棒的周围,实现了激光棒荧光分布的均匀性(如图2所示)。

图2 荧光分布图

图1 聚光腔示意图

为获得优良的泵浦均匀性,实际产品研制时需要对每只激光二极管阵列都进行严格的波长、功率测试,将中心波长、输出功率相近的35个泵浦单元用在一个聚光腔内,以此保证聚光腔的光学性能的一致性。

2.3 谐振腔设计

考虑到激光器光束质量随着激光棒热效应的增加而变差的因素,我们采用双棒串接的设计方案,即降低了单个激光棒上的泵浦功率、减弱了热效应,又通过两个激光棒比例放大了激光器的输出功率。

对于双棒串接腔来说,最简单的情况是将激光增益介质的热透镜效应看做薄透镜来处理,其等价腔模型如图3所示为谐振腔等价模型。

图3 谐振腔等价模型

其中,M1和M2为谐振腔镜片；d1为腔镜M1与激光棒的距离；d2为腔镜M2与激光棒的距离；dm为两个热透镜之间的距离。

若以镜M1为参考,腔内单程变换矩阵为:

往返一周的矩阵为:

(1)

光腔g*参数为：

(2)

式中:

(3)

即可求出镜Mi处的束宽、束腰ωoi及其位置Loi。光腔的约束稳定条件为:

0

(4)

以本文采用的平平腔为例,R1和R2均为无限大,因此光腔的约束稳定主要取决于谐振腔内各个光学元件的距离和激光棒的热焦距。因此,可以通过改变激光棒端面曲率半径的方法矫正特定注入功率下的激光棒热焦距处于设计值范围内,以此保证激光器各个方面优异的性能。一般的工艺步骤是在装配好的聚光腔上测试激光棒(两个端面为平面)的热焦距,根据热焦距数据算出需要矫正的激光棒端面的曲率半径,再通过光加工将激光棒两个端面修磨为指定曲率半径的凹面,再重新测试激光棒的热焦距复验是否达到设计要求。

另外需要注意的一点是膜系设计上除了有关光学性能的技术指标外还应充分考虑对高重频激光脉冲的抗损伤阈值的要求。并在样机设计[5]上,从工艺控制的角度充分考虑机头内部光路密封和光学元件的表面清洁等问题。

3 实验装置与结果分析

通过对1.3 μm激光器的技术要求的深入分析和研究,1.3 μm激光器采用两个激光二极管侧面泵浦腔串联的方式,通过声光调制的方式来实现输出功率百瓦级、脉冲宽度小于250 ns、光束发散角优于10 mrad、重复频率10 kHz的1319 nm激光输出。1319 nm激光器的光路图如图4所示。

图4 1319 nm激光器的示意图

其中,晶体棒为Nd∶YAG晶体,晶体棒尺寸为φ5×100,端面镀1.06 μm、1.319 μm、1.38 μm增透膜,其两个端面的曲率需要结合激光棒热焦距和谐振腔设计参数进行修磨匹配；全反镜为平行平面镜,镀1.319 μm高反射(99.9 %)、1.06 μm、1.38 μm高透过(大于80 %)；输出镜为平行平面镜,镀1.319 μm部分反射(R=90 %)、1.06 μm、1.38 μm高透过(大于80 %)；调Q方式为声光调Q方式。

根据图5所示的曲线,可以看出激光器的动静比达到80 %左右,且随着注入泵浦光功率的加大输出功率趋于饱和,于注入光功率1254 W时获得140 W的动态激光,最高光光转换效率13 %左右。我们在100 W动态功率输出状态下进行了4 h功率稳定性测试,稳定度达到2 %以内。

图5 输出功率随泵浦光功率的变化曲线

我们采用套孔法进行了激光器发散角测量。使用可变光阑测量焦距1 m平凸透镜焦平面上包含86.5 %功率的光斑直径。经测试后得到激光器发散角约10 mrad,光束参数乘积达到25 mm·mrad。也使用德国cinogy的光束分析仪进行了1319 nm激光的光斑强度分布的测试,从图6可以看出,远场光斑呈高斯分布。

图6 激光器远场光斑

4 结 论

本文通过优化设计环形泵浦腔的结构参数获得了极为均匀的增益分布,为实现低阶模激光输出奠定了基础,再结合谐振腔参数的优化设计、模式匹配技术、激光棒的热效应补偿等技术手段,在样机实现了输出功率140 W、发散角10 mrad、脉冲宽度250 ns、重复频率10 KHz的1319 nm激光,为今后的波长拓展奠定基础,非常适合于工程应用。