高效率Nd:YAG平面波導激光技術當前位置:首頁 > 科學技術 > 研究進展

高效率Nd:YAG平面波導激光技術

文章來源:《強激光與粒子束》編輯部   時間:2020-05-15 訪問數:

 共1頁  1 


小型化輕量化的高功率/大能量全固態激光器在科學研究、光電對抗和工業加工等領域有廣闊的應用前景。激光器的體積和重量取決于其光源效率,因此高效率的高功率激光器一直是研究熱點和重點。早期的全固態激光器的增益介質通常選用圓棒或者塊狀結構,但是在高功率泵浦下存在著嚴重的熱透鏡效應和雙折射效應,這使增益介質產生很強的光學畸變,限制了輸出功率進一步提高。為了增大散熱表面積,獲得高功率的激光輸出,從激光出現之初研究人員就在增益介質形態上做了很多嘗試和創新工作,出現了板條、薄片、光纖和平面波導等結構。

平面波導激光器通過提供熱透鏡效應的一維控制以及通過增加導波增益區的寬度和長度進行功率縮放,提供了介于板條激光器和光纖激光器的中間條件。平面波導激光器綜合了塊狀板條激光和光纖激光的優勢,同時避免兩者的劣勢:光纖激光的優點在于結構緊湊、效率高、廢熱導致的光束質量退化較小,缺點在于由于激光亮度極高,非線性效應直接限制最高輸出功率;板條激光高功率定標放大時不存在非線性效應問題,缺點在于效率較低和廢熱導致的光束質量退化嚴重,同時結構上難以實現小型緊湊化。類似于雙包層光纖,雙包層平面波導結構的出現,大大提高了泵浦效率。內包層的引入擴大了泵浦光耦合進入波導激光器的數值孔徑,能夠有效地提高泵浦光耦合效率,另一方面它有著很好的散熱性能。所以,平面波導是一種比較理想的實現高效率高功率激光輸出的增益介質結構。

平面波導是最簡單的一維波導結構,其寬度(非導波方向)遠大于厚度(導波方向)。導波方向上,中心為高折射率的芯層(即摻雜區),兩側為低折射率的包層(非摻雜區),圖1為典型的平面波導激光增益介質結構示意圖。芯層的厚度一般為5~200 μm,泵浦光只被芯層吸收形成增益。因此,平面波導結構增益介質可以提供高增益和高效率。同時,大的表面積/體積比可以為其散熱提供良好的冷卻條件,并且減小熱效應。

高效率Nd:YAG平面波導激光技術

美國Raytheon公司近十年來在高功率平面波導激光方面一直處于國際領先水平。從2010年起在RELI計劃(Robust Electric Laser Initiative)的支持下,開展高效率高功率平面波導激光器研究。2016年實現了單塊材料上25 kW的激光輸出,圖2是其光學示意圖。根據Raytheon的理論分析,實現100 kW的激光輸出只需30~40 cm長度的平面波導,并且在單塊材料上實現MW激光輸出不存在理論上的瓶頸。

2013年,中國工程物理研究院應用電子學研究所針對未來高能激光光源的品質要求,深入分析高功率激光器的應用環境和發展趨勢,啟動了平面波導激光技術研究。圍繞高效率高功率平面波導激光中的關鍵技術問題,從理論分析與設計、單元技術驗證、系統集成綜合驗證等方面開展了深入研究和持續攻關,先后掌握了泵浦耦合技術、PO/ASE抑制技術、準連續激光放大技術、連續激光放大技術和準連續激光振蕩器技術,為下一步開展更高功率的高效率平面波導激光關鍵技術研究以及小型化輕量化實用化的高功率激光器奠定了基礎。

1  高效率小口徑高亮度泵浦耦合技術

根據理論分析設計,使用1 mm()×10 mm()×60 mm()Nd:YAG平面波導。在厚度方向上形成YAG/Nd:YAG/YAG波導結構,其中芯層厚度為100 μm,長度為50 mm,上下內包層的厚度均為450 μm。為了減小端面泵浦時的端面熱效應,在YAG/Nd:YAG/YAG兩端各鍵合了5 mm長的非摻雜YAG。在大面(10 mm×60 mm)上鍍SiO2倏逝膜作為外包層,為包層泵浦提供條件。

高效率的泵浦耦合是實現高功率激光輸出的基礎之一,是實現高效率激光輸出的前提。在端面泵浦平面波導激光放大器中,需要將1~2 kW的泵浦光從1 mm×10 mm的端面耦合進入平面波導內部。采用808 nm空間疊加結構的2×10bar半導體激光器陣列,其光斑大小為18.9 mm(快軸)×10 mm(慢軸),兩個方向的發射半角分別為0.2°(快軸)×4°(慢軸)。根據泵浦光兩個方向上的光束參數和平面波導數值口徑,采用慢軸縮束成像加快軸會聚將其耦合進入波導端面,慢軸方向對應波導寬度方向。圖3a)為TracePro模擬的快軸方向泵浦光經過柱透鏡后的會聚光斑強度分布,x方向上會聚光斑大小接近600 μm。圖3b)為實際測試結果,理論模擬結果和實測結果比較吻合??燧S會聚后其發散角為0.10 rad,遠小于內包層的NA0.426,即從端面進入的泵浦光都能在YAG/SiO2界面全反射。即使考慮到傾斜泵浦帶來的端面上泵浦光斑增大,仍然能在1 mm口徑上實現高效耦合。

高效率Nd:YAG平面波導激光技術

2  PO/ASE抑制技術

平面波導激光增益介質易于形成高增益,實現高效率的激光輸出,相應地也易于出現寄生振蕩和放大的自發輻射。寄生振蕩是限制其輸出能量和功率提升的主要因素,通過Nd:YAG平面波導結構參數優化大大提高了寄生振蕩閾值,驗證并掌握了寄生振蕩和放大的自發輻射抑制關鍵技術。

準連續泵浦時,利用光電探測管和示波器監測熒光信號,驗證寄生振蕩的抑制情況。脈沖寬度250 μs,某一塊Nd:YAG平面波導單端泵浦時寄生振蕩閾值電流為74 A,這與目標還有較大的差距。實驗研究寄生振蕩光信號的位置方向強度等特性,結合分析平面波導結構內部各區域增益損耗特點和各界面的反射特性,確定其振蕩路徑。對平面波導表面結構做優化處理,通過對其中一個端面切特定的角度,實現對平面波導內部閉合回路的破壞,提高寄生振蕩的閾值電流。圖4為平面波導內部的某一角度熒光路徑。圖5給出了結構優化前后單端準連續泵浦時的寄生振蕩閾值電流對比情況,由之前的74 A提高到了180 A。因為半導體激光的出光閾值為28 A,實際上優化后的增益介質儲能為優化前的3倍多。為了不斷提高儲能,提高寄生振蕩閾值,建立了平面波導PO/ASE熒光分析模型,為高效率高功率輸出奠定基礎。

高效率Nd:YAG平面波導激光技術

3  準連續平面波導激光放大技術

以棒狀Nd:YAG的準連續振蕩器為種子源,研究了平面波導Nd:YAG準連續運轉時的長脈沖激光放大特性,圖6為準連續主振蕩功率放大系統的光路示意圖。種子光經過隔離擴束之后,經柱透鏡會聚從端面進入平面波導,單通放大后輸出。泵浦光以不同的角度分別從兩個端面傾斜進入波導內部,在兩個大面上多次反射被芯層吸收。

高效率Nd:YAG平面波導激光技術

對比研究了泵浦能量和種子光注入能量對輸出脈沖能量和光光轉換效率的影響,如圖7和圖8所示。注入種子光能量越高,相同泵浦能量下的提取能量越高,相應的效率也越高。在固定的種子光能量下,泵浦能量越高輸出能量越高,各個工作點的效率跟種子光能量、泵浦能量和泵浦方向都有關系。對比研究了泵浦方向對輸出能量和效率的影響,大能量種子光注入時,前端泵浦和后端泵浦的放大效果基本相同。小能量種子光注入時,不同泵浦方向的放大效果相差明顯。圖91 mJ種子光注入時前端泵浦和后端泵浦的輸出能量和光光效率比較,當泵浦能量小于300 mJ時前端泵浦和后端泵浦的放大效果相同。當泵浦能量大于300 mJ時,二者的差別逐漸趨于明顯,后端泵浦時的光光效率一直隨著泵浦光光能量的增大而增大,前端泵浦時的光光效率在達到一個最高點之后開始逐漸下降。這是因為前端泵浦時,平面波導入口端的激光提取效率低,產生了嚴重的放大的自發輻射。

高效率Nd:YAG平面波導激光技術

開展了雙端泵浦放大實驗,在注入種子光能量128 mJ時,實現了944 mJ的最大能量輸出,對應的光光效率為51.6%,脈沖寬度192 μs,峰值功率5 kW。輸出能量曲線和光光效率曲線如圖10所示。最大輸出時兩個方向上的光束質量M2分別為3.44.8,偏振度為98.6%。經理論分析,該系統通過優化結構和增大泵浦功率,在該塊材料上可以實現2 J的激光輸出。

高效率Nd:YAG平面波導激光技術

在準連續泵浦中解決了寄生振蕩抑制、認識到效率的影響因素之后,開展了連續平面波導激光放大研究,光路圖與圖6相同。種子源采用線偏振光纖激光器,種子光在平面波導激光器中單通放大輸出。泵浦光以不同的角度分別從兩個端面傾斜進入波導內部,在兩個大面上多次反射被芯層吸收。兩個熱沉與大面通過無空洞焊接實現了良好的散熱條件。

       研究了前端泵浦、后端泵浦和雙端泵浦時的放大輸出效果,泵浦方向、種子光功率和泵浦功率對提取效率的影響趨勢與準連續時基本一致。掌握了光束質量的影響因素,驗證了膜層的高功率密度承受能力,經過理論計算分析,優化了系統設計參數。在323 W種子光注入時輸出功率為1 544 W,此時的泵浦光功率為2 480 W,對應的光光效率為49%。放大輸出功率隨著泵浦光功率基本上保持線性增長,光光效率都在45%以上。在最高輸出功率時,測試光束質量M2,兩個方向上分別為2.797.01。利用半波片和偏振片,測得偏振度為97%。當種子光功率減小到101 W時,最高輸出功率1 071 W,光光效率39%。變化趨勢與同峰值功率的準連續放大效果一致。

高效率Nd:YAG平面波導激光技術

         理論分析表明,通過ASE抑制和泵浦耦合優化可以進一步在同樣材料上實現更高的光光效率和輸出功率,同時通過增大材料尺寸可以實現功率的等比增大。

5  準連續平面波導激光振蕩器技術

       為了研究平面波導結構激光增益介質的熱效應,采用同樣的Nd:YAG平面波導研究準連續振蕩器在不同脈沖重復頻率下的輸出性能。由于平面波導兩個方向上的光學性能差異,采用如圖13所示的光路結構。采用平平腔,導波方向上左右分別使用一個柱透鏡來準直聚集,非導波方向不做特殊處理,輸出鏡的透過率為79%。

高效率Nd:YAG平面波導激光技術

通過研究不同脈沖重復頻率下的激光輸出性能,發現重頻從100 Hz提高到500 Hz時,輸出單脈沖能量從928 mJ輕微減小到882 mJ,幅度為5%,如圖14所示??梢?,平面波導激光增益介質的熱效應可以忽略。準連續模式下平面波導激光的輸出性能基本不隨脈沖重復頻率的變化而改變,適用于對脈沖重頻頻率有隨時變化要求的應用環境。圖15為激光脈沖寬度與泵浦光信號寬度的關系,二者在時間上基本相同。在泵浦脈沖上升沿期間就出現了寄生振蕩,說明其脈沖建立時間極短。不過,由于該振蕩器的光束質量不易控制,惡化的光束質量也會影響輸出能量。因此,在準連續激光放大器中,輸出能量隨重復頻率的變化會更小,并且在光束質量上比振蕩器有明顯的優勢。

高效率Nd:YAG平面波導激光技術

延伸閱讀

三张牌扑克返水 22选5 十大网上股票配资平台 光线传媒股票 吉林11选5 投资理财平台商家 2019年安全靠谱的理财平台 中石化股票推荐 11选5 江苏十一选五 新疆35选7 天下财经百姓炒股秀 天津快乐10分 股票融资和债券融资 365网球比分 广西快乐十分 上市公司基金配资