1 引言

热效应是制约固体激光器实现高平均功率、高转换效率和高光束质量输出的主要因素。薄片激光器以其薄片状的外型结构和垂直封装的散热方式,使得激光晶体内部产生的废热高效地移出,极大地降低了温度及热效应对激光增益介质的影响^[1]。目前,薄片激光器可获得34 kW连续光输出^[2],且商用化薄片激光器已能获得16 kW的连续输出^[3],其中单薄片已实现10 kW多模、4 kW基模的激光输出。实验室研究的皮秒脉冲激光器已能获得1 kW平均功率、200 mJ脉冲能量的输出^[4],并成为工业界、科研领域的主要激光光源^[5]。

虽然薄片激光器相对于传统的块状和棒状激光器具有明显的优势,但是其热效应及热效应所引起的热畸变仍是影响激光器输出光束质量和限制其输出功率进一步提高的主要因素之一^[6]。国内外的相关科研团队也开展了大量针对这类薄片状激光增益介质热畸变的理论与实验研究,分析了其热畸变产生的原因及危害,并给出了相关的抑制手段^[6-10]。2010年,Sazegari等^[7]利用Monte Carlo光线追迹法结合有限元分析法仿真得到了连续抽运条件下薄片晶体光程差(OPD)分布,提出薄片晶体温度梯度分布导致的晶体膨胀和热沉弯曲是热畸变的主要来源。在此基础上,Zhu等^[8-9]采用解析法结合有限元分析法对薄片激光晶体的热畸变进行了深入分析,给出了不同抽运功率、不同抽运光斑分布等因素下热畸变的空间分布,并讨论了热畸变的球面项和非球面项产生的原因及危害。总的来说,薄片晶体总的OPD来自于热光效应、轴向热膨胀、弹光效应和晶体后表面的形变这4个部分,并可分解为球面项和非球面项。球面项主要影响谐振腔的动态稳定范围;非球面项则会引起衍射损耗,导致输出激光光束质量的降低。利用腔内变形镜来补偿热畸变非球面量^[10]是获得高功率、高光束质量激光输出的重要手段。

在实验层面,准确地获取薄片晶体的热畸变对谐振腔的设计和热畸变的补偿提供了必要的数据支撑。目前,针对薄片激光器热畸变的检测主要有波前检测和干涉测量两种方式,其中,用于对薄片激光介质热畸变进行检测的哈特曼波前传感器具有结构紧凑、使用方便、能对波前的即时分布进行检测及可有效规避环境振动影响的优点。2013年,Miura等^[11]利用哈特曼波前传感器成功规避了环境振动,并获得脉冲抽运下的薄片晶体波前畸变分布。但该测量仪器存在价格昂贵、空间分辨率低和闭环测量控制系统过于复杂的缺点。相对于波前传感器,干涉检测具有较高的空间分辨率。Perchermeier等^[12]利用相移干涉方法精确地测量了薄片激光晶体热畸变的空间分布,检测结果与现有理论结果基本一致,为热畸变的补偿提供了重要的设计依据。然而,相移干涉的测量技术对外界环境的振动非常敏感,并且会对压电陶瓷的位移精度带来误差,使得在薄片激光器的测量中,热畸变测量的重复测量精度受到了影响。

为了同时达到薄片激光晶体热畸变测量中高空间分辨率和较好的抗振动效果,本文采用空间载频干涉法,针对具有多程抽运结构的薄片激光器开展了薄片激光晶体热畸变特性的精确测量,检测结果的均方根(RMS)的重复测量精度达到1.153 nm。同时分析了薄片激光晶体射流冲击冷却系统对薄片激光晶体初始面形的影响,以及不同抽运功率条件下薄片激光晶体热畸变的变化特性。实验表明,薄片激光晶体背面的射流冲击冷却系统在有效散热的同时,对薄片晶体初始面形的影响主要表现为球面项。随着抽运功率的不断增加,薄片激光晶体热畸变越来越明显,球面项畸变主要分布在抽运中心区域,且光焦度不断下降,而非球面项畸变主要分布在抽运区边缘。这些实验数据为谐振腔的设计和热畸变的补偿提供了有利支撑。

2 基本原理

图1为利用空间载频干涉法、结合4f(f表示焦距)共轭成像系统所构建的多程抽运薄片激光器激光增益介质热畸变测量装置示意图。图1(a)为干涉测量光路,用以检测薄片激光晶体的面形特性。薄片激光晶体为厚度范围在200~300 μm的Yb∶YAG。一方面,为了提高激光晶体对抽运光的吸收效率及抽运光空间分布的均匀性,采用双抛物面共轭抽运结构^[13],如图1(b)所示;另一方面,为高效地带走抽运下激光晶体产生的废热,此激光晶体被焊接在金属热沉上, 并利用冷却液射流冲击冷却,如图1(c)所示。在本干涉测量结构中,为了降低射流冲击冷却带来的微小振动的影响,采用了结合4f共轭系统的马赫泽德干涉光路。图1(a)中,L1与L2为4f系统,高反镜HR1为参考镜,高反镜HR2、HR3用来折叠光路,BPF为带通滤光片。扩束后的激光束经分束镜BS1分束后构成检测(绿线)和参考(红线)光路,检测光束经过被测量的薄片激光晶体后与参考光路的激光在分束镜BS2合束,最终在电荷耦合器件(CCD)相机处形成干涉条纹。CCD上测量的干涉光强分布可表示为

I(x,y)=a(x,y)+b(x,y)·cos[Δφ(x,y)],(1)

式中:(x,y)表示中心区域内点的坐标;a(x,y)表示该点的平均光强;b(x,y)为该点的调制度;Δφ(x,y)为该点的相位差;I(x,y)为该点的光强。

图 1. 用于热畸变检测的空间载频干涉结构示意图。(a)空间载频干涉光路;(b)多程抽运结构;(c)薄片激光晶体

Fig. 1. Schematic of spatial carrier interferometry for thermo-aberration measurement. (a) Light path of spatial carrier interferometry; (b) multi-pass pumping scheme; (c) thin-disk laser crystal

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采用空间载频干涉方法以提高干涉条纹动态测量的能力,通过微调参考镜HR1使参考光束倾斜一个微小的角度θ,则此时CCD上的光强分布可表示为

I(x,y)=a(x,y)+c(x,y)·exp(j2πμ1x)+c*(x,y)·exp(-j2πμ1x),(2)

式中:c(x,y)=bexp[jΔφ(x,y)]/2;c^*(x,y)=bexp[-jΔφ(x,y)]/2;参数μ₁=sinθ/λ,λ为检测激光的波长。

取合适的μ₁值,在对(2)式进行二维傅里叶变换后,可在频谱上分离正负一级,从中分离出C(μ-μ₁,ν),其中C(μ,ν)为c(x,y)的傅里叶变换结果,将其移至频谱中心并对其做二维傅里叶逆变换可得到c(x,y),进而得到相位差分布为

Δφ(x,y)=Im{lg[c(x,y)]}。(3)

对(3)式中的相位差进行解包络运算,可得到连续的相位差分布。

图2给出了采用空间载频干涉方法测量薄片激光器面形的流程图。第一步,搭建实验装置并采集薄片激光晶体的空间载频干涉图;第二步,对此单幅干涉图做二维傅里叶变换;第三步,取频谱图中相应的正一级做傅里叶逆变换后按(3)式计算、并解包络,即可得到激光晶体的波前分布。测量薄片激光晶体波前分布的过程中,仅需要采集一幅干涉条纹图进行计算,因此空间载频干涉法可有效规避环境振动对检测结果的干扰。

图 2. 空间载频干涉计算示意图。(a)薄片激光晶体;(b)单幅载频干涉图;(c)频谱图;(d)波前图

Fig. 2. Calculation diagram of spatial carrier interferometry. (a) Thin-disk laser crystal; (b) single interferogram with spatial carrier; (c) spectrum; (d) wavefront

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3 实验及结果

3.1 检测平台搭建

图3给出了测量薄片激光晶体热畸变的实验装置图,所测量的Yb∶YAG晶体的厚度为275 μm,直径为10 mm,掺杂浓度(原子数质量分数)为10%,焊接于铜热沉上,热沉厚度为1.5 mm,并由20 ℃的冷却水在13.5 L/min流速下冲击冷却热沉。为提高抽运光斑的均匀性,940 nm半导体激光光源被耦合至400 μm的方形匀化光纤后,经准直进入双抛物面共轭多程抽运中,实现48程抽运,此时近98%的抽运功率被吸收,并最终在薄片激光晶体内形成了4 mm的均匀抽运的正方形光斑。为了避免Yb∶YAG激光晶体对测量激光的吸收,采用532 nm的半导体激光器作为干涉光源,经10倍扩束镜准直后,获得直径为10 mm的圆形探测光斑。此探测光经BS1分束后,一束作为参考光束,经HR1和HR2镜传输至BS2镜,另一束激光经过薄片激光晶体反射后传输至BS2镜,两束激光经过BS2镜后,进行合束并产生干涉条纹,并通过L1、L2组成的4f共轭成像系统成像到CCD1表面(其中L1、L2的焦距都为30 cm,BPF为对可见光高透的有色玻璃滤光片)。与此同时,使用CCD2和红外热像仪(Testo 890-2,Testo公司,德国)检测抽运光强空间分布和温度场的空间分布。红外热像仪可在非接触的条件下精确检测薄片激光晶体表面温度场的空间分布。CCD相机(UI-1240ML-M-GL,IDS公司,德国)的分辨率为1280 pixel×1024 pixel,像素尺寸为5.3 μm,曝光时间设置为9 μs。

图 3. 干涉检测实验装置图

Fig. 3. Experimental setup for interference detection

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3.2 射流冲击水冷对检测的影响

基于所搭建的载频干涉测量系统,研究了射流冲击冷却水对薄片激光晶体面形的影响。图4给出了在射流冲击冷却系统开关前后,每隔5 s、测量7组面形参数的结果。图4(a)、(b)分别为薄片激光晶体的描述球面项的光焦度和描述非球面项的RMS的测量数据。实线、虚线分别对应开启射流冲击冷却系统前、后的测量数据的平均值。可以看出,薄片激光晶体在加载射流冲击冷却水前,具有正光焦度的特性,当开启射流冲击冷却系统后,薄片激光晶体的光焦度下降了0.0308 m^-1,变成了负的光焦度,可见,射流冲击冷却系统的压力会导致薄片激光晶体弯曲,使其具有负透镜的效应。另一方面,薄片激光晶体的非球面项RMS值的变化量为0.94 nm,远小于RMS的值。测量结果说明,射流冲击冷却系统对薄片激光晶体面形的影响主要是球面变形,而对非球面的畸变影响较小,符合薄板弯曲理论^[14]。

图 4. 冷却前后测量结果。(a)光焦度;(b) RMS

Fig. 4. Measurement results before and after cooling. (a) Dioptric power; (b) RMS

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同时,利用图4中测量结果的均方差值评价载频干涉测量系统的重复测量精度。开启射流冲击冷却系统前,薄片激光晶体的光焦度的均方差(σ_power)为0.002 m^-1、RMS值的均方差(σ_RMS)为0.745 nm;开启射流冲击冷却系统后,薄片激光晶体的光焦度的均方差为0.0025 m^-1、RMS值的均方差为1.153 nm。可以看出,射流冲击冷却系统开启后,会增加薄片晶体的微抖动,导致薄片激光晶体的光焦度和RMS值的均方差均增加。但是,薄片激光晶体的光焦度和RMS值的均方差值依旧较小。这也证明,利用空间载频干涉可有效减小射流冲击冷却带来的振动对检测的干扰,抗振动能力和测量精度均高于四步相移干涉。

3.3 热畸变检测结果与分析

图5给出了薄片激光晶体的热畸变沿径向的分布曲线。图5(a)为薄片激光晶体的波前畸变随抽运功率的增加而变化的曲线。以未加载抽运光状态下测量波前为参考,相同抽运电流下测量7次并计算平均值。可以看出,薄片激光晶体的波前畸变随着抽运功率的增加而不断增加。图5(b)给出了薄片激光晶体在493 W抽运功率下的OPD分布曲线,其中实线为总的OPD,红色虚线为OPD球面项,蓝色点划线为OPD非球面项。由图可见,抽运光斑的中心主要表现为球面畸变,而抽运区边缘表现为非球面畸变,且越靠近抽运区边缘,非球面畸变越严重。实验所获得的薄片激光晶体波前畸变的测试曲线与文献[ 6]中理论计算的结果、文献[ 12]中检测的结果均一致,对总的OPD分解而得到的球面量、非球面曲线与文献[ 8]中仿真结果一致。

图 5. 薄片激光晶体热畸变分布。(a)不同抽运功率下波前畸变分布;(b) 493 W抽运功率下OPD分布

Fig. 5. Thermo-aberration distributions of thin-disk laser crystal. (a) Wavefront aberration distributions under different pumping powers; (b) OPD distributions under 493 W pumping power

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图6给出了薄片激光晶体抽运光中心不同区域波前畸变的球面项光焦度和非球面项RMS值随抽运功率的增加而变化的曲线。可以看出,随着抽运功率的不断增加,薄片晶体的温度呈现线性升高的趋势,且波前畸变中描述的球面项的光焦度不断减小,并表现为线性下降的趋势。同时,抽运光斑不同区域光焦度的变化不同,越接近抽运光斑中心,光焦度的变化斜率越大。这对薄片激光器谐振腔设计中模式匹配和稳区宽度的设计有着至关重要的影响。另一方面,表征薄片激光晶体的波前畸变非球面项的RMS值则随着抽运功率的增加而增加,且越远离抽运区中心,RMS值的变化斜率越大。测量数据说明在抽运光斑中心,薄片晶体的热畸变主要是球面项,可以通过谐振腔的设计进行有效补偿;相反,越靠近抽运光斑边缘,非球面畸变越严重,对谐振腔内振荡的激光衍射损耗就越发明显。

图 6. 薄片热畸变随抽运功率的变化。(a)光焦度;(b) RMS

Fig. 6. Thermo-aberration of thin disk versus pumping power. (a) Dioptric power; (b) RMS

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4 结论

采用空间载频干涉法对薄片激光器增益介质的热畸变进行测量,深入研究了射流冲击冷却系统对薄片激光晶体产生的形变和冲击振动,以及薄片激光晶体热畸变的变化特性。实验结果表明,采用空间载频干涉法可有效规避环境振动的影响,检测结果的RMS值为1.153 nm。另一方面,射流冲击冷却系统对薄片激光晶体的畸变影响较小,且主要为球面形变。随着抽运功率的不断增加,薄片激光晶体的热畸变愈发明显,在抽运区中心主要为球面变形,越靠近抽运区边缘,非球面畸变越严重,其中,在493 W抽运功率下薄片激光晶体波前畸变的光焦度为-0.2391 m^-1,RMS值为66.075 nm。实验结果对薄片激光器的谐振腔的设计及热畸变的补偿有着重要的指导意义。