光子学报  2018, Vol. 47 Issue (5): 0514003  DOI: 10.3788/gzxb20184705.0514003
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引用本文  

曹明真, 刘学胜, 徐爱东, 董剑, 刘友强, 何欢, 王智勇. 无水冷LD侧面泵浦Nd:YAG固体激光放大器[J]. 光子学报, 2018, 47(5): 0514003. DOI: 10.3788/gzxb20184705.0514003.
CAO Ming-zhen, LIU Xue-sheng, XU Ai-dong, DONG Jian, LIU You-qiang, HE Huan, WANG Zhi-yong. LD Side-pumped Nd: YAG Solid-state Amplifier without Water-cooler[J]. Acta Photonica Sinica, 2018, 47(5): 0514003. DOI: 10.3788/gzxb20184705.0514003.

基金项目

北京市教委面上项目(No.KM201310005019)资助

第一作者

曹明真(1991-), 女, 硕士研究生, 主要研究方向为大功率半导体泵浦的全固态激光器.Email:caomingzhen@emails.bjut.edu.cn

导师

王智勇(1970-), 男, 研究员, 博士, 主要研究方向为大功率半导体泵浦的全固态激光器.Email:zywang@bjut.edu.cn

通讯作者

刘学胜(1980-), 男, 讲师, 博士, 主要研究方向为大功率半导体泵浦的全固态激光器.Email:liuxuesheng@bjut.edu.cn

文章历史

收稿日期:2017-10-23
录用日期:2018-02-02
无水冷LD侧面泵浦Nd:YAG固体激光放大器
曹明真1, 刘学胜1, 徐爱东2, 董剑1, 刘友强1, 何欢1, 王智勇1    
(1 北京工业大学 激光工程研究院, 北京 100124)
(2 江苏北方湖光光电有限公司, 江苏 无锡 214035)
摘要:通过对行波放大器储能及小信号增益进行理论计算,模拟出输出激光特性,即随着放大器泵浦电流的增加,放大器增益介质内储存能量和小信号增益系数快速增长,提取效率达到76%以上.输出能量随放大器泵浦电流的增加,呈线性增长趋势,在泵浦电流为80 A时,输出光能量逐渐饱和,最大输出能量为798 mJ.实验中,放大器入射光源采用脉冲能量为350 mJ、重复频率为10 Hz、脉宽为10 ns的脉冲激光,放大器中的Nd:YAG晶体棒尺寸为Φ7.5 mm×134 mm,Nd3+的掺杂浓度为1.1%,泵浦功率最大24 kW,使用三个最大功率为66 W的半导体制冷器进行半导体热电制冷,在重复频率为10 Hz,泵浦电流为80 A,泵浦脉冲宽度为200 μs时,获得了最大脉冲能量为700 mJ、脉冲宽度为10 ns的激光输出,通过光束质量诊断仪M-200S测得输出光束在水平和垂直两个方向的光束质量分别是7.9和12.4.
关键词激光器    固体激光器    无水冷    放大器    Nd:YAG    短脉冲    高能量    高稳定性    LD泵浦    
中图分类号:TN248.1      文献标识码:A      文章编号:1004-4213(2018)05-0514003-7
LD Side-pumped Nd: YAG Solid-state Amplifier without Water-cooler
CAO Ming-zhen1, LIU Xue-sheng1, XU Ai-dong2, DONG Jian1, LIU You-qiang1, HE Huan1, WANG Zhi-yong1    
(1 Institute of Laser Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)
(2 Jiangsu North Huguang Opto-electronics Co. LTD, Jiangsu Wuxi 214035, China)
Foundation item: Beijing Municipal Commission of Education (No. KM201310005019)
Abstract: Based on theoretical calculation of the stored energy and small-signal gain coefficient of the travelling wave amplifier, the characteristics of the output laser were simulated. With the increment of the pumping current, the stored energy and small signal gain coefficient increase rapidly. And amplifier energy extraction efficiency can reach more than 76%. In terms of the output energy, it rises linearly with the increasing of the pumping current. When the pumping current is 80 A, a 798 mJ laser pulse can be obtained. Related experiment is carried out on the basis of theoretical simulation. In this experiment, a pulse with 350 mJ energy, 10 Hz repetition frequency, 10 ns width is used as the seed. The size of the Nd:YAG crystal rod in amplifier is Φ7 mm×134 mm and the doping concentration is 1.1 at%. The maximum peak power of laser diode (LD) is 24 kW. In order to control the temperature of the crystal working environment, three thermoelectric coolers are chosen with a maximum power of 66 W. Ultimately, a 700 mJ, 10 ns, 10 Hz laser pulse is obtained for single-pass amplification. The beam qualities of horizontal and vertical direction are 7.9 and 12.4, respectively, measured by the beam quality diagnostic instrument M-200S.
Key words: Lasers    Solid state laser    Thermoelectric cooler    Amplifier    Nd:YAG    Short pulses    High energy    High stability    Diode-side-pumped    
OCIS Codes: 140.3538;140.3580;140.3480;140.3530;140.5560
0 引言

随着大功率激光二极光(Laser Diode, LD)的出现,二极管泵浦固体激光放大器迅速发展起来[1],高重频、高能量、窄脉冲激光器得到了广泛应用[2-3].由于使用了与固体激光增益介质的主吸收波长相匹配的LD阵列进行泵浦,不仅减小了激光介质的热效应,而且提高了介质对泵浦光的吸收效率[4],使得结构紧凑、高功率、高效率、高稳定性的全固态激光放大器的实现成为可能[5-6].激光二极管泵浦全固态激光器具有电光转换效率高、结构简单以及可实现小型化、轻量化等优点,在空间通信、相干雷达、医学、微加工处理、数字光学存储和高功率激光装置等方面有着广泛的应用[7-8].

高能量脉冲Nd:YAG激光器在激光加工、光电对抗、激光测距、激光通信等方面有着重要应用[9-10],是众多前沿科学研究、现代科学仪器和设备中的核心器件[11-12].2008年Wandt等人使用能量2 mJ、频率10 Hz、脉宽6.4 ns的种子激光,采用掺杂浓度为3%的Yb:YAG棒四通放大后,获得了220 mJ的激光输出[13].2016年赵虎等设计了激光二极管侧面泵浦两级放大电光调Q全固态Nd:YAG激光器,实现间距可调的脉冲序列激光输出.通过提供调Q高压序列,获得了单个脉冲能量大于550 mJ,脉冲宽度小于8 ns,脉冲间隔180~240 μs可调的脉冲序列输出[14].2017年,邹岩等报道了单脉冲能量为425 mJ、重复频率为200 Hz、脉宽为25 ns,输出光光束质量因子M2为1.37,功率稳定度为0.81%的激光脉冲输出[15].

本文报道了一台LD泵浦大能量、TEC制冷的全固态行波放大器.首先从理论上对激光放大器在不同工作条件下的输出特性进行了计算,实验中使用脉冲能量为350 mJ、重复频率10 Hz、脉宽为10 ns的窄脉冲激光作为种子光,放大器使用Nd:YAG晶体棒尺寸为Φ7 mm×134 mm,Nd3+的掺杂浓度为1.1%,泵浦源峰值功率为24 kW,最终实现了最大脉冲能量为700 mJ,脉冲宽度为10 ns,重复频率为10 Hz的激光输出.

1 理论分析

固体激光放大器有单程行波放大和多程再生放大等结构形式,双程(多程)行波放大器中能够更加有效地提取存储于增益介质的能量,但是由于需要添加光束偏转器件使多程放大器变得复杂起来.而单程行波放大对激光工作物质的尺寸要求不苛刻,结构简单、紧凑更适用于工程应用,因此在工程应用中一般将Nd:YAG激光放大器设计为单程行波放大结构形式.单程行波激光放大是一种非反馈激光放大,入射信号光在处于粒子数反转的激光放大介质中随波导距离的增长而不断地被放大,同时放大过程是以输入信号到达之前就存储于上激光能级的能量为基础的,即储存能量越多,提取效率越高,放大器对种子光的放大效果越好.虽然Nd:YAG晶体是一个四能级系统,但由于信号光为调Q激光脉冲,故可略去下能级向基态的跃迁,可将晶体的四能级结构简化为二能级结构,则行波放大得到的激光脉冲能量E(x)可表示为

$ \frac{{{\rm{d}}E\left( x \right)}}{{{\rm{d}}x}} = {E_{\rm{s}}}{g_0}\left\{ {1- \exp \left[{-\frac{{E\left( x \right)}}{{{E_{\rm{s}}}}}} \right]} \right\} -\alpha E\left( x \right) $ (1)

式中,Es为饱和能量密度(J/cm2), g0是小信号增益系数,α是激光增益介质单位长度的损耗系数(包括衍射、散射和吸收损耗等).采用集中损耗的近似方法求解微分方程,得行波激光放大器输出能量密度Eout(J/cm2)的表达式为

$ {E_{{\rm{out}}}} = {E_{\rm{s}}}\exp \left( {- \alpha L} \right)\ln \left\{ {1 + \left[{\exp \left( {\frac{{{E_{{\rm{in}}}}}}{{{E_{\rm{s}}}}}} \right)-1} \right]\exp \left( {{g_0}L} \right)} \right\} $ (2)

式中,Ein为注入放大器的信号激光能量密度(J/cm2),L是放大器增益介质的长度,由式(2)可知,激光放大器的输出能量与放大器中激光工作物质的性能参数(EsαL)和运转条件(g0Ein)有关,也就是说,在确定激光器增益介质后,再优化器件的运转工作条件,通过有效的光泵浦获得尽可能高的小信号增益系数,即获得尽可能大的能量存储密度,并通过注入适当能量的种子光信号将激光放大器中的储能提取出来,转变为有效输出能量.

1.1 储能和增益

激光放大器的设计关键是使激光增益介质中贮存较高的反转粒子数密度即储存尽可能多的能量,同时具有较大的激光小信号增益系数.因此,激光放大器的贮能效率ηs定义为放大器增益介质中的贮能与泵浦能量之比,即

$ {\eta _{\rm{s}}} = {E_{{\rm{st}}}}V/{E_{\rm{p}}} $ (3)

式中,Est为激光放大器的贮能密度(J/cm2),V是激光放大器增益介质体积,Ep为激光放大器的泵浦能量, 该值可由泵浦电源电流、泵浦脉宽等计算得出.激光放大器的贮能密度Est与放大器的小信号增益系数g0有关,Nd:YAG晶体属于四能级系统,贮能密度Est

$ {E_{{\rm{st}}}} = {g_0}{E_{\rm{s}}} $ (4)
$ {E_{\rm{p}}} = I \times {\eta _{{\rm{PI}}}} \times {t_{\rm{p}}} \times {n_{{\rm{bars}}}} $ (5)

式中, 泵浦源电流I取值范围为40A~100A, 间隔10A进行调节;泵浦源P-I的比值ηPI为1.1;Bar条数量nbars为240个;泵浦脉宽tp为200μs.假设放大器中泵浦光能使激光材料得到均匀的抽运,故而反转粒子数分布在激光晶体内是均匀的,在能量存储阶段考虑放大自发辐射,腔内反转粒子数密度为

$ \frac{{{\rm{d}}n}}{{{\rm{d}}t}} = {W_{\rm{p}}}\left( {{n_{{\rm{tot}}}}-n} \right)-\frac{n}{{{\tau ^\prime }_{\rm{f}}}} $ (6)

式(6)第一项是泵浦光对反转粒子数的作用,第二项是放大自发辐射效应(Amplified Spontaneous Emission, ASE)的影响[16].Wp为泵浦速率(s-1),τf为增益介质上能级寿命,取230 μs.荧光寿命因子m可近似为

$ m = \frac{{{\tau _{\rm{f}}}}}{{{\tau ^\prime }_{\rm{f}}}} = {\sigma _{\rm{a}}}{l_{\rm{a}}}n $ (7)

式中σa取经验值为1.88×10-20 cm2; la参考增益介质长度及经验,取值100 mm,n为增益介质上能级粒子数.

求解式(6),可以得出不同泵浦功率时的上能级反转粒子数n.根据g0=Est=g0Es,可从理论上预测在某信号注入能量下g0及增益介质存储能量随放大器泵浦能量Ep的变化趋势,如图 1.

图 1 g0及增益介质存储能量随放大器泵浦电流的变化 Fig.1 Small signal gain coefficient g0 and stored energy in Nd:YAG versus pumping current

图 1可以看出:随着放大器泵浦电流的增加,放大器增益介质内储存能量和小信号增益系数g0均快速增长,并呈线性趋势,并且放大器增益介质内储存的能量处于相对较高的水平, 有利于种子光对存储能量的提取,当泵浦电流大于80 A时,由于ASE效应和反转粒子数达到饱和的原因,放大器增益介质内储存能量和增益系数g0也趋于饱和状态.

1.2 提取效率和输出能量

将式(4)代入式(2)中,则在一定贮能密度Est下,激光放大器的输出能量密度Eout与注入信号能量密度Ein的关系为

$ {E_{{\rm{out}}}} = {E_{\rm{s}}}\exp \left( {- \alpha L} \right)\ln \left\{ {1 + \left[{\exp \left( {\frac{{{E_{{\rm{in}}}}}}{{{E_{\rm{s}}}}}} \right)-1} \right]\exp \left( {{E_{{\rm{st}}}}L/{E_{\rm{s}}}} \right)} \right\} $ (8)

激光放大由两个过程构成:将泵浦能量Ep转换为放大工作物质的贮能Est和将该贮能转化为激光放大器的输出能量.因此,设计激光放大器除了使放大激光介质有较高的反转贮能外,还应当考虑如何最有效地使用激光放大器的贮能,将激光工作物质中通过光泵浦得到的贮能有效地提取出来,变为激光放大器的输出能量.为此,将从激光放大器中提出的能量与通过泵浦而贮存在放大激光介质中的能量之比定义为激光放大器的提取效率ηe,表示为

$ {\eta _{\rm{e}}} = \left( {{E_{{\rm{out}}}}-{E_{{\rm{in}}}}} \right)/{E_{{\rm{st}}}}L $ (9)

将式(8)代入式(9)中,可得出在一定贮能条件下激光放大器的提取效率ηe与增益介质中存储能量Est的关系.饱和能量密度Es的表达式为:Es=/σ, 其中σ是受激发射截面,当激光工作物质为Nd:YAG晶体时,σ=8.8×10-19 cm-2, 则饱和能量密度Es=0.225 7 J·cm-2.如果取放大Nd:YAG激光介质的长度为L=13.4 cm, 单程损耗系数α=0.01 cm-1, 由式(8)和式(9)计算得出在注入信号种子光能量为350 mJ时,提取效率ηe以及Eout随放大器泵浦能量Ep的变化关系如图 2.

图 2 提取效率ηeEout随放大器泵浦电流的变化 Fig.2 Amplifier energy extraction efficiency ηe and output energy density Eout versus pumping current

图 2可以看出:1)在注入种子光能量较大的情况,即Ein>Es,可实现较高的提取效率,达到76%以上,在放大器泵浦电流大于80A时,提取效率趋于稳定;2)在输出能量方面,随着放大器泵浦电流的增加,输出能量呈线性增长趋势,其中在泵浦电流为80A时输出光能量可达到798mJ,在泵浦电流大于80A时,由于ASE效应、热效应和反转粒子数达到饱和等原因,输出能量趋于稳定.

2 实验验证

固体激光放大器有单程行波放大和多程再生放大等结构形式,为了在结构简捷的基础上获得更高能量输出的激光,使用了350 mJ的调Q激光器作为主振荡级来提供种子光,对其进行单程放大实验.实验装置如图 3,其中左侧部分为种子光模块,右侧部分为放大器模块.

图 3 放大器实验装置示意图 Fig.3 Schematic diagram of experimental device

为提高放大系统的稳定性并缩小其体积,将尺寸为Φ7.5 mm×134 mm,Nd3+的掺杂浓度为1.1±0.1%的Nd:YAG晶体棒和Bar条集成到了一个模块上.该晶体棒由铜夹具固定并散热,晶体棒的四周为48个峰值功率为100 W的Bar条组成的LD阵列,所有Bar条均匀排布在晶体棒的四周,确保泵浦光的能量中心与晶体中心能够重合.整个模块由五个相似的泵浦部件组成,每个组件都有48个Bar条,并将所有Bar条串接入外电路中.LD阵列的工作电流范围是0~120 A,工作脉宽范围是0~250 μs.其中LD模块的横截面图及实物图如图 4.

图 4 放大级LD模块的横截面及实物图 Fig.4 Cross-section and The appearance view of the LD module amplifier

为有效散热使放大器工作环境维持在一定温度范围,将所有Bar条直接焊接在了一块铜热沉上.在系统散热方面,LD模块上粘贴有热敏电阻,对模块温度进行实时监控,使用三个最大功率为66 W的TEC冷却片进行半导体热电制冷并配合风扇,采用风冷却方式.由一个温控精度为0.01度的外部电源进行供电,对晶体工作环境进行严格的温度调制,确保晶体工作环境在25℃.其中半导体制冷器(TEC)如图 5,铜热沉结构如图 6.

图 5 半导体制冷器实物图 Fig.5 The appearance view of TEC
图 6 模块散热结构图 Fig.6 The structure of module

放大级由种子光电源提供的同步信号进行泵浦的同步控制,种子光的光束质量及脉宽如图 7.将能量为350 mJ的激光脉冲种子光通过放大级模块后,测得种子光的能量衰减到333 mJ,大约损耗为5%.打开放大级的泵浦开关,将其频率设置为10 Hz,泵浦脉宽为200 μs,通过改变泵浦电流,测得能量及脉宽随电流变化曲线如图 8.

图 7 种子光光束质量及脉冲宽度 Fig.7 Measurement result of beam quality and pulse width
图 8 不同泵浦电流下单程放大激光的输出能量及脉宽 Fig.8 Output energy and pulse width of single-pass amplification versus pumping current

图 8中可以看出,当电流在40 A~50 A之间时,能量呈线性增长,当泵浦电流达到60 A之后,能量增长速度减慢,最终在80 A时趋近饱和.脉宽、光束质量与种子光类似,差异很小,单程放大的光斑如图 9.最终,在放大泵浦电流为80 A的时候得到了700 mJ、10 ns的1 064 nm激光输出.

图 9 单程放大激光的光斑形状及外观 Fig.9 Beam shape and appearance of single-pass amplification

针对该无水冷LD侧面泵浦Nd:YAG固体激光放大器进行了稳定性测试,由图 10可以看出,在泵浦电流为80 A的条件下,采用自然冷却的方式持续工作3 h,每20 min记录一个输出光束能量值,发现其在700~715 mJ范围内振荡,稳定性为2%,该激光放大器可实现持续稳定的工作状态.

图 10 输出能量稳定性测试 Fig.10 The stability of output energy
3 结论

报道了一套LD侧面泵浦Nd:YAG无水冷固体激光放大器系统.通过激光放大器的泵浦系数K和损耗系数α,计算出激光放大器的储能、增益、提取效率和输出能量等参量的理论值,其中提取效率达到76%以上.在泵浦电流为80 A时,理论输出光能量最大可达798 mJ.实验中对单程放大激光的输出特性进行了测试,在种子光能量为350 mJ,脉宽为10 ns时,单程放大的泵浦电流为80 A的时候获得了最大脉冲能量为700 mJ、脉冲宽度为10 ns的激光输出,其光束质量参数M2分别是7.9和12.4,同时激光器连续工作3个小时稳定度为2%.与之前已发表的结果相比,该结论在能量、稳定性等方面更有优势.

通过实验可以看出在高能量的激光器放大过程中,单程放大已经足够提取出放大级当中存储的能量,并且提供了一种实现小型化、无水冷高能固体激光放大器的现实、有效的方法,也对同行研究高能量放大提供了一定参考意义.

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