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環形高增益LD泵浦激光放大器研制技術

文章來源:《強激光與粒子束》編輯部   時間:2020-03-18 訪問數:

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環形高增益半導體激光器(LD)泵浦激光放大器技術是基于LD側泵浦浦技術路線,沿棒狀激光增益介質的徑向進行等邊排布泵浦,軸向等距排布泵浦,從而實現增益介質的儲能。在某重大工程項目中,預放大系統單束工程樣機的多程放大組件需要較高的激光增益,將輸入激光能量由毫焦耳量級提高到系統輸出所需的焦耳量級。采用了468500 W(使用在350 W)中心波長802 nmLD作為泵浦源單元器件,N31釹玻璃棒作為增益介質。實現了單程增益倍率大于4的技術指標。該激光放大器的研制涉及光學、材料學、機械、傳熱、工程等多個學科領域,具有儲能大、增益高、熒光均勻性可定制、可靠性高等極具競爭力等特點。特別適合脈沖激光功率放大等領域的科研應用。中國工程物理研究院應用電子學研究所先后開發并完成數十款不同型號(包括2,4,6,8,12,16 kW連續疊陣和9,18,50,100 kW脈沖疊陣等)高性能泵浦源和激光增益模塊(半導體激光泵浦源、激光介質及散熱冷卻單元集成一體化的器件,已形成LDPM-QH1k5、LDPM-QH3k、LDPM-QH4k5、LDPM-QH16k等系列產品)產品自主研制,打破了禁運限制,泵浦源封裝技術水平達到國際先進。為我院固體激光相關研究提供了重要保障。

1  總體技術方案

泵浦模塊總體結構采用成熟的一體化緊湊型結構設計方案[1],如圖1所示。這種設計優點在于單元環形泵浦模塊可以根據泵浦功率的需求和介質棒的長短任意組裝。每個環形LD模塊可單獨作為泵浦模塊使用,也可以沿晶體棒軸向方向串聯n個模塊使用。泵浦腔內部采用多邊形結構。冷卻部分采用串并聯結構。首先保證LD的均勻冷卻,然后將LD的冷卻液導流后對介質棒進行冷卻。

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設計主要考慮冷卻玻璃棒、冷卻液以及漫反射腔的反射、折射和吸收等參數,邊界條件也經過多年技術驗證確定的。本方案設計采用802 nm脈沖500 W芯片作為單元LD[2]。假設每圈上各LD單元發出的泵浦光強度是相同的,發散角一般約為45°,慢軸方向的發散角12°,每圈的LD數量為39個。為了保證激光器增益分布的均勻性,主要考慮LD與增益介質棒的距離以及摻雜濃度等參數,確保在增益分布均勻的條件下,獲得指標要求的增益放大能力。

1  放大器模塊熱管理分析與設計

增益介質為N31釹玻璃棒,其熱物性如表1所示。長度為200 mm,直徑為20 mm,增益區長度為144 mm。在側泵浦模塊中,激光棒吸收泵浦光產生的廢熱是通過流過棒側面的冷卻液帶走的,假設棒沿軸向產熱均勻,沿徑向的產熱與泵浦均勻性呈正比??刂品匠虨?/SPAN>

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其中:ρ為密度,Cp為比熱容,T為溫度,k為熱導率,Q為熱量。由于N31為磷酸鹽型釹玻璃,有潮解效應,所以冷卻液不得采用水或水溶液冷卻?;诖?,本方案選擇了一種熱傳導用油基冷卻液,其熱物性如表2所示。這種油冷卻液化學穩定性優異,高溫下(300 以內)仍然有較好的穩定性。已在前期測照器項目中得到成功應用。

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計算可以采用脈沖功率下的瞬態熱分析。如圖2所示。藍色線代表增益介質棒軸心溫度,綠色線代表增益介質棒表面溫度。

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500 μs、1 Hz條件下160 kW脈沖泵浦功率對應的平均功率僅為80 W左右。產熱比一般取值為0.35,即增益介質上的平均熱功率僅有28 W。采用有限元計算得出棒內溫度分布,如圖3所示。

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通過計算,評估了160 kW泵浦功率下增益介質沿徑向的溫度梯度。棒中心的溫度梯度值為26 K。棒沿徑向的溫度梯度是導致波前畸變的主要原因。溫度梯度會導致折射率變化,即熱光效應。另外還會導致棒內部產生應力,也會導致折射率變化,即彈光效應。應力導致的應變在棒端面表現為變形也會導致光程差。這三個因素均由熱導致,表現均為光程出現差異。光沿平行于棒軸方向傳播,沿該路徑進行積分得出光程長度,對于不同的r有不同的路徑積分值。棒中心和邊緣的差值即為光程差。經計算所得160 kW泵浦功率下的波前畸變值為5.6 μm,如圖4所示,對應熱焦距18 m。

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由于LD工作占空比僅有0.05%,所以平均熱效應非常低。但由于大電流瞬態熱效應,LD波長漂移還是非常明顯。如圖5所示。從圖5可以看出LD結溫受電流大小、脈寬長短影響較大。而LD熱管理的設計是滿足項目總體技術要求的。

 

2  增益與光場(熒光均勻性)設計

增益是放大級模塊的核心指標,任務要求在160 kW泵浦功率條件下實現增益大于4,需要綜合考慮泵浦結構、泵浦耦合效率、增益長度、增益截面、激光介質吸收效率、量子效率、斯托克斯效率等諸多參數。一般環形側泵浦模塊傳輸效率約為95%,吸收效率約為95%,量子效率為85%,斯托克斯效率為76.2%。依據下列公式計算可得,峰值泵浦功率160 kW時,總單脈沖泵浦能量80 J,小信號增益為4.24,即可實現增益倍率G大于4的要求。主要計算公式

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其中,g0為小信號增益系數,l為增益長度,h分別為耦合效率、吸收效率、量子效率、斯托克斯效率和存儲效率。Epump為總泵浦能量,Es為飽和能量密度,A為增益截面,為光子能量,σ21為發射截面,τp為泵浦脈寬,τf為熒光壽命。取值如表3所示。

3  釹玻璃增益計算參數

參數

數值

單位

符號

泵浦功率

160

kW

Epump

增益介質半徑

1

cm

r

增益介質增益長度

14.4

cm

l

增益介質長度

20

cm

lz

光子能量

1.886×10-19

J

發射截面

4.0×10-20

cm2

σ21

泵浦脈寬

500

μs

τp

熒光壽命[4]

330

μs

τf

耦合效率

0.95

/

hCO

吸收效率

0.95

/

ha

量子效率

0.84

/

hQ

斯托克斯效率

0.762

/

hs

激光增益介質為直徑20 mmN31釹玻璃圓棒,長度約為200 mm,泵浦增益區長度為144 mm??紤]成熟技術的cm-bar半導體激光器泵浦,沿釹玻璃棒軸向可排布12圈環形泵浦單元。每圈的泵浦能力為13~19.5 kW。LD環形單元泵浦模塊設計如圖6所示。

影響激光增益分布主要因素為棒截面的泵浦光吸收分布,一般而言吸收分布受棒摻雜濃度、泵浦距離、泵浦光發散角等多種因素影響。所以單圈泵浦單元有多種排布方式選擇,典型的有圓形均勻排布泵浦、多邊形非均勻排布泵浦。目前用于高功率脈沖泵浦的LD,單bar功率范圍可由300~500 W不等,脈沖寬度可以達到1000 μs。

在單圈設計功率不低于13 kW的指標下,單圈泵浦的單元bar條數量設計為39,并選擇德國OSRAM公司成熟標準的半導體激光芯片BY81-15,該模塊中設定額定工作輸出功率350 W/bar。模型參考我們成熟的Nd:YAG設計模型,該模型理論與試驗的符合率在90%以上,主要邊界條件和參數以該模型為參考,只改變與激光材料N31釹玻璃相關的參數,建模仿真采用tracepro完成,如圖7所示。

半導體激光器的發散角根據測試結果設為48°。由于釹玻璃棒的直徑為20 mm,冷卻液流層厚度設計為2 mm,石英管壁厚為2 mm。通過選取LD發光面與激光棒中心間距為16 mm確定吸收系數為0.22 mm-1。然后,通過不斷改變LD發光面與激光棒中心間距確定最佳均勻性參數,結果如圖8所示。

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3  研制結果

如圖9(a)所示。LD環形泵浦單元由11個寬型LD次封裝單元、2個窄型LD次封裝單元和環形冷卻器組件組成,次封裝單元采用具有高可靠性的AuSn封裝工藝。按照正11邊形排布向心泵浦,作為環形高增益LD泵浦激光放大器的關鍵單元,最高可以實現19.5 kW的泵浦功率,降幅使用在13.65 kW可以大大提高模塊的可靠性。將LD環形泵浦單元裝夾在測試、老化夾具內進行數據測量。如圖9(b)所示。將LD環形泵浦單元的泵浦光通過導光錐導出進行功率測試。第一個LD環形泵浦單元經過測試,各項性能指標均達到了設計要求。結果如表4所示和圖10所示。

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12LD環形泵浦單元通過串聯集成組裝,將進行熒光分布和增益性能測試。經過最終測試、老化,各項指標均達到了設計要求。增益-電流曲線的測試結果如圖11所示。小信號增益與電流的函數關系為y=0.835e0.0054x。即,y=e0.0054x - 0.1803。該環形高增益LD泵浦激光放大器最終測試結果如表5所示。

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