基于零声子线泵浦的高效率Yb∶YAG薄片激光器
0 引言
近年来,高功率激光器发展迅速,在焊接、切割和熔覆等工业应用领域的需求不断增长[1-5]。传统棒状激光器在高功率运转过程中,存在严重的热透镜和热畸变等效应,极大地限制了激光器输出功率的提升,同时降低了激光的光束质量[6]。面对这一问题,人们对增益介质的结构进行不断改进和优化,发展出诸如光纤[7]、板条[8]以及薄片[9]等增益介质结构。光纤激光器通过增大增益介质表面积和体积的比值将光纤内的热积累进行有效扩散,并且具有很高的单程增益,通过光纤结构的波导效应可以获得高光束质量的激光。然而,光纤激光器在高功率下仍面临自相位调制和受激拉曼散射等非线性效应带来的挑战。板条激光器采用侧向面泵浦结构,其温度梯度发生在板条晶体厚度方向上,光传播方向近似与温度梯度方向平行,可有效减缓晶体热效应。然而其他方向的热畸变仍然存在,并且激光输出发散角较大,技术也较为复杂[10,11]。薄片激光器(Thin Disk Lasers,TDLs)是将增益介质做成极薄的圆盘状晶体结构(直径约10~25 mm,厚度约100~300 μm)[12,13],这种独特的几何结构显著提高了晶体的散热效率,使其在工作过程中仅存在一维的轴向热梯度,降低了晶体的热透镜、热畸变等效应,可以有效提升输出激光的光束质量。薄片激光器因具有功率可扩展、冷却效率高、波前畸变小等优点,成为下一代高功率、高能量、高峰值功率激光器的理想方案之一[12]。
薄片晶体轴向尺寸小,泵浦光单次通过厚度小于300 μm的薄片时吸收率低,影响激光器的光-光转化效率。增加泵浦光通过晶体的次数来提高薄片晶体的吸收效率[14],是提高激光器转化效率的一种有效手段。1994年,德国斯图加特GIESEN A教授等[9]首次提出薄片激光器概念,展示了薄片晶体在高功率、高转化效率和高光束质量激光器极大的应用潜力。随后,该课题组报道了8冲程泵浦结构的薄片激光器,平均功率为13.5 W,光-光转化效率达到50%[12]。近年来,研究人员把泵浦次数从8次增加到了44次,转化效率提升至63%[15-17]。2015年,SCHUHMANN K等设计出了多种泵浦结构,最多可实现108次泵浦[14]。2021年,德国通快公司采用72冲程泵浦结构,从单个薄片获得了12 kW的平均功率和73%的光-光转化效率[18]。
另一方面,Yb∶YAG晶体表现出的优异特性如宽泵浦带宽、长荧光寿命、高质量生长和高热导率等特点,使其成为目前最成熟的薄片晶体材料。Yb∶YAG晶体在波长940 nm处及969 nm处具有较强的吸收峰,在940 nm波长附近进行宽带泵浦吸收,量子损耗为8.7%。在969 nm波长附近泵浦,可以将量子损耗进一步降低至5.9%,热负荷将降低30%以上。然而,在969 nm处吸收线宽仅约1 nm,这对半导体泵浦激光器有极高的要求。随着体布拉格光栅(Volume Bragg Grating,VBG)在半导体激光器的应用,采用波长锁定的969 nm零声子线泵浦成为有效解决方案[19]。2021年,D+G公司报道了采用969 nm“零声子线”(Zero Phonon Line,ZPL)泵浦的高功率薄片激光器,实现了2.8 kW的连续激光输出,光-光转化效率高达80%[20]。
国内薄片激光器的相关研究起步较晚,但发展迅速。2011年,中国工程物理研究院王春华研究员等采用16冲程940 nm泵浦,获得了27 W的连续薄片激光输出,光-光转化效率为38.8%[21]。华中科技大学朱晓教授课题组[22]提出了共轭双抛物面镜的多通泵浦结构,并开展了大量研究。2016年,该课题组基于48冲程940 nm泵浦方案,实现了654 W的高功率激光输出和47.2%的光-光转化效率[23]。2022年,中国科学院大连化学物理所李刚研究员课题组报道了基于72冲程969 nm泵浦系统的连续薄片激光器,最终输出243.2 W的连续激光,光-光转化效率达到了54%[24]。
目前国内薄片激光器核心器件仍然发展不足,尤其是薄片晶体和泵浦系统。因此,研制高性能的薄片晶体和泵浦模块,对于实现高功率、高能量和高光束质量的激光输出意义重大。本文采用体布拉格光栅锁波长的969 nm泵浦源和自主设计的48冲程系统对Yb∶YAG薄片晶体进行研究,实现了最高输出功率373 W,光-光转化效率可达73.37%,2 h功率抖动均方根(Root Meam Square,RMS)测试结果低于0.2%。本文研究为后续开展千瓦级超快和万瓦级连续薄片激光器研究奠定了基础。
1 Yb∶YAG薄片晶体及多冲程泵浦模块
Yb∶YAG晶体表现出的优异特性使其成为高功率激光活性材料的理想选择[25]。Yb∶YAG 具有简单的能级结构,仅由间距约10 000 cm-1的基态能级2F7/2和受激多重态2F5/2两个能级组成。在强晶场作用下,抽运和激光跃迁发生在Stark分裂的子能级之间,如
自主设计的48冲程泵浦系统及薄片晶体如
48冲程泵浦系统的内部结构及泵浦光线分布如
图 3. 泵浦模块原理及薄片晶体上的泵浦光斑
Fig. 3. Schematic of the pump module and the pump light spot on the crystal
当晶体厚度、Yb3+掺杂浓度以及晶体前后表面反射率确定时,高冲程系统可以有效提高薄片晶体对泵浦光的吸收效率。冲程次数过高会增加系统的加工难度,而过低则难以实现薄片晶体对泵浦光的高效吸收。基于朗伯比尔定律,晶体的吸收效率η与泵浦冲程次数N的关系[30-31]可表示为
式中,光学元件对泵浦光的反射率R=99.95%@969 nm@0°~30°,A=e-αL/cos θ,Yb∶YAG薄片晶体的吸收系数α为0.42/mm,薄片晶体的厚度L=150 µm,泵浦光对薄片晶体的入射角θ=30°,冲程次数N=48。通过
图 4. 薄片晶体吸收效率与泵浦冲程次数的关系
Fig. 4. Absorption efficiency of thin-disk crystal versus number of pump passes
2 实验结果与讨论
薄片激光器结构如
图 5. 基于48冲程泵浦系统的Yb∶YAG薄片激光器结构
Fig. 5. Schematic of the Yb∶YAG thin disk laser based on the 48-passes pumping system
激光器的光-光转化效率
式中,
通过
3 结论
本文设计并搭建了一台Yb∶YAG连续薄片激光器,采用VBG锁波长的969 nm泵浦光经过自制的48冲程系统对Yb∶YAG薄片晶体进行了系统研究,冷却系统采用射流直接冲击金刚石热沉,实现了最高输出功率373 W,光-光转化效率可达73.37%,2 h功率抖动均方根测试结果低于0.2%。研究结果表明,该薄片激光器系统具有高效的热管理能力,优异性能,可为后续开展万瓦级连续薄片激光器、千瓦级绿光激光及超快薄片激光研究奠定基础。
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