Yb∶YAG表层增益板条激光放大器的研究

李宁; 张伟桥; 刘洋; 唐晓军

doi:doi:10.3788/CJL201845.1101003

中国激光, 2018, 45 (11): 1101003, 网络出版: 2018-11-15

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Yb∶YAG Surface Gain Slab Laser Amplifier

论文大纲

李宁张伟桥刘洋唐晓军 ^*

作者单位

华北光电技术研究所固体激光技术重点实验室，北京 100015

激光器激光放大器表层增益双程提取 lasers laser amplifier Yb∶YAG Yb∶YAG surface gain double-pass amplifying

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摘要

基于光纤与板条结合的主振荡功率放大器(MOPA)结构，以单模光纤激光器作为种子源，对Yb∶YAG表层增益板条进行功率放大。对单程及双程两种提取方式进行理论计算及实验研究，结果表明：在室温下，获得了1030 nm激光输出；当注入种子光功率为200 W，抽运光功率为11.2 kW时，单、双程放大输出功率分别为1.6 kW和2.6 kW，光-光转换效率分别为12.8%和21.4%；测得Yb∶YAG表层增益板条的透射波前畸变为1.3 μm；Yb∶YAG表层增益板条具有作为高功率激光器增益介质的潜力。

Abstract

A novel Yb∶YAG surface gain slab laser amplifier is designed, with a fiber laser seed, using the geometry of master oscillator power amplifier (MOPA). Single-pass and double-pass amplifying are investigated theoretically and experimentally. The results show that 1030 nm laser output is obtained at room temperature. Under the conditions that the total pumping power is 11.2 kW and the injected power of fiber seed laser is 200 W, the output power of single and double pass amplified laser are 1.6 kW and 2.6 kW, respectively, and the optical efficiency of the two methods are 12.8% and 21.4%, respectively. The transmission wavefront of Yb∶YAG surface gain slab is measured and the wavefront distortion value is 1.3 μm. Yb∶YAG surface gain slabs have the potential as gain medium of high power lasers.

1 引言

激光二极管(LD)抽运的固体激光器具有结构紧凑、稳定性好、效率高等优点,广泛应用于**、工业、医疗等领域^[1]。传统棒状增益介质的热效应问题限制了激光器的输出功率,导致光束质量变差。为此,科研人员先后研发出了板条、薄片等形状的增益介质,降低了高功率固体激光器中热效应的影响^[2]。

主振荡功率放大器(MOPA)既可以获得高功率激光输出,又可以保证光束质量^[3],一直都是研究的热点。2009年,美国诺格公司采用MOPA结构的激光放大器获得了15 kW的单链路输出功率,之后通过相干合成获得了功率为105 kW的激光输出^[4]。2012年,高清松等^[5]设计了功率为10 kW的板条激光放大器,采用一级预放两级主放大器获得了功率为11 kW的激光输出,光-光转换效率达到30%。2016年,雷军等^[6]研究了板条的封装工艺,对焊料层进行优化后使Nd∶YAG模块的稳定输出功率达到了4 kW。2017年,李密等^[7]设计了双掺杂浓度Nd∶YAG复合板条,其抽运功率可达18.06 kW,双程放大激光输出功率为7.08 kW,光-光转换效率为39.2%。2018年,李密等^[8]又设计了Yb∶YAG陶瓷板条激光放大器,在室温条件下,其抽运功率为20 kW,输出激光功率为6 kW,光-光转换效率约为24%,宽度范围透射波前畸变峰谷值约为3 μm。

目前,关于表层增益板条激光器的相关研究还不是很多。2008年,唐晓军等^[9]结合板条与薄片的优点,提出了表层增益板条结构(三明治板条)的概念,即在板条的两个大面上键合百微米量级的Nd∶YAG或Yb∶YAG 掺杂层,这种表层增益板条可以用于谐振腔及激光放大器。2016年,刘洋等^[10]设计了Nd∶YAG表层增益激光器,其在单脉冲抽运能量为354 mJ的条件下可以获得121 mJ的激光输出,光-光转换效率和斜效率分别为34%和45%。

本文基于主振荡功率放大器结构,以Yb∶YAG表层掺杂晶体作为增益介质,进行一级单程及双程放大理论计算及实验研究。在光纤种子光注入功率为200 W,抽运光功率为11.2 kW的条件下,获得单程和双程激光输出功率分别为1.6 kW和2.6 kW,光-光转换效率分别为12.8%和21.4%,测得透射波前畸变为1.3 μm。表层增益板条放大器或激光器有望获得更高功率和更高效率的激光输出。

2 Yb∶YAG激光动力学

Yb∶YAG作为准三能级系统,其速率方程为

\begin{matrix} \begin{matrix} \frac{d n_{2}}{dt} = \frac{I_{p}}{τ I_{sp}} ({f^{p}}_{1} n_{1} - {f^{s}}_{2} n_{2}) - \frac{n_{2}}{τ} + \\ \frac{I_{l}}{τ I_{sl}} ({f^{p}}_{3} n_{1} - {f^{s}}_{1} n_{2}), (1) \end{matrix} \end{matrix}

式中:n₂和n₁分别为上下能级粒子数密度;t为时间;τ为激光上能级荧光寿命; $\begin{matrix} f_{i}^{s} \end{matrix}$ 和 $\begin{matrix} f_{i}^{p} \end{matrix}$ 分别为Yb∶YAG能级中上、下能级粒子在各斯塔克子能级的玻尔兹曼小数;I_p为抽运光强度;I_l为振荡激光强度;I_sp为抽运饱和光强;I_sl为激光饱和光强。抽运饱和光强及激光饱和光强的表达式为

I_{sp} = \frac{h ν_{p}}{σ_{a} τ}, (2)

I_{sl} = \frac{h ν_{l}}{σ_{e} τ}, (3)

式中:h为普朗克常数;ν_p、ν_l分别为抽运激光频率和输出激光频率;σ_a为抽运光吸收截面;σ_e为受激发射截面。

令n=n₁+n₂, n表示Yb³⁺的粒子数密度,将其代入(1)式得到

\begin{matrix} \begin{matrix} \frac{d n_{2}}{dt} = \frac{I_{p}}{τ I_{sp}} [{f^{p}}_{1} n - ({f^{p}}_{1} + {f^{s}}_{2}) n_{2}] - \\ \frac{n_{2}}{τ} + \frac{I_{l}}{τ I_{sl}} [{f^{p}}_{3} n - ({f^{p}}_{3} - {f^{s}}_{1}) n_{2}] 。 (4) \end{matrix} \end{matrix}

在稳态条件下求解方程可得

\begin{matrix} n_{2} = \frac{{f^{p}}_{1} I_{p} / I_{sp} + {f^{p}}_{3} I_{l} / I_{sl}}{1 + ({f^{p}}_{1} + {f^{s}}_{2}) I_{p} / I_{sp} + ({f^{s}}_{1} + {f^{p}}_{3}) I_{l} / I_{sl}} n 。 (5) \end{matrix}

吸收系数α和增益系数g定义为

\begin{matrix} \begin{matrix} α = σ_{a} [{f^{p}}_{1} n - ({f^{p}}_{1} + {f^{s}}_{2}) n_{2}], (6) \\ g = σ_{e} ({f^{s}}_{1} n_{2} + {f^{p}}_{3} n_{1}) = σ_{e} n [({f^{s}}_{1} + {f^{p}}_{3}) n_{2} - {f^{p}}_{3} n] 。 (7) \end{matrix} \end{matrix}

将(5)式分别代入(6)式和(7)式中,得到吸收系数和增益系数的表达式:

α = σ_{a} n \frac{{f^{p}}_{1} + \frac{({f^{p}}_{1} {f^{s}}_{1} - {f^{p}}_{3} {f^{s}}_{2}) I_{l}}{I_{sl}}}{1 + \frac{({f^{p}}_{1} + {f^{s}}_{2}) I_{p}}{I_{sp}} + \frac{({f^{s}}_{1} + {f^{p}}_{3}) I_{l}}{I_{sl}}}, (8)

g = σ_{e} n \frac{({f^{p}}_{1} {f^{s}}_{1} - {f^{p}}_{3} {f^{s}}_{2}) I_{p} / I_{sp} - {f^{p}}_{3}}{1 + ({f^{p}}_{1} + {f^{s}}_{2}) I_{p} / I_{sp} + ({f^{s}}_{1} + {f^{p}}_{3}) I_{l} / I_{sl}} 。 (9)

基于吸收系数和增益系数建立简易的激光放大模型,对单程及双程激光放大器的输出功率和光-光转换效率进行理论计算,所得理论曲线将在实验结果与讨论部分给出。

3 Yb∶YAG表层增益激光放大实验

采用光纤-板条混合的主振荡功率放大器结构,实验装置如图1所示。以单模光纤作为种子源,种子源通过法拉第磁光隔离器(FR)及光束整形扩束器后,再经表层增益板条进行放大。磁光隔离器可以隔离反射的强激光,避免损伤种子源。在实验装置中,M₁~M₃及M₆~M₉均为反射镜,镀有1030 nm的高反膜;M₄和M₅为双色镜(940 nm增透,1030 nm高反)。(1)和(2)分别表示单程放大和双程放大,种子光单程和双程注入板条的角度分别为22°和26°。F₁及F₂为焦距f= 300 mm的凸透镜。在双程提取时,4f像传递系统的作用是提高耦合效率。

图 1. Yb∶YAG表层增益板条激光放大器装置图

Fig. 1. Schematic of Yb∶YAG surface gain slab laser amplifier

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采用传导冷却端面抽运结构,用恒温水冷系统控制抽运源及热沉的温度,温度分别设置为22 ℃和13 ℃。放大器的抽运源共采用4支LD,输出中心波长为942.3 nm。实验中,抽运光入射到板条端面的角度约为22°,总抽运功率达11.2 kW。增益介质为表层掺杂的Yb∶YAG晶体,其结构如图2所示。板条尺寸为67 mm×11 mm×1.7 mm,上下两大个面为Yb掺杂区域,掺杂尺寸为50 mm×11 mm×0.3 mm,掺杂Yb³⁺的原子数分数为1.2%。大面通过铟焊接到微通道冷却热沉上散热。为保证抽运光、振荡激光在板条内部全反射,在大面上镀膜,以抑制倏逝波。板条的两个端面为通光面,采用45°角切割,且镀有波长分别为940 nm和1030 nm的增透膜。

图 2. 表层增益板条的结构

Fig. 2. Schematic of surface gain slab

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表层增益结构兼具板条及薄片的优点,抽运光与振荡激光在板条内部沿着“之”字形光路传输,既增加了对抽运光的吸收,又补偿了板条内部径向的温度梯度,能够获得高功率、高光束质量的激光输出;此外,掺杂区域直接与微通道冷却热沉接触,有利于板条的散热。

4 实验结果与讨论

单、双程放大的输出功率和光-光效率曲线如图3、4所示。单模光纤种子源的中心波长为1030 nm,功率约为200 W。对于单程注入,当抽运功率为11.2 kW时,放大器输出激光功率为1.6 kW,光-光转换效率为12.8%;当双程提取时,实验结果与理论计算所得曲线比较符合,抽运功率为11.2 kW,输出功率可达到2.6 kW,光-光转换效率为21.4%;在抽运功率较小的情况下,实验得到的输出功率比理论值大,相应的转换效率也比理论计算值高。总体来说,实验值与理论值较为符合。此外,当抽运功率较小时,增益较小,输出放大的激光功率小于注入种子光功率,因此光-光转换效率为负值。由图3和图4可以看出:单、双程放大的输入-输出曲线的线性度较好,属于饱和能量提取;在高抽运功率情况下,随着抽运功率增加,输出功率虽仍有增长,但光-光转换效率曲线趋于平稳。

图 3. (a)单程放大激光输出功率曲线及(b)光-光转换效率曲线

Fig. 3. (a) Output power curves and (b) optical efficiency curves of single-pass amplifying

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图 4. 双程放大激光(a)输出功率曲线及(b)光-光转换效率曲线

Fig. 4. (a) Output power curves and (b) optical efficiency curves of double-pass amplifying

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图 5. Yb∶YAG表层增益板条的透射波前。(a) x方向的波前分布;(b) y方向的波前分布;(c)二维波前分布

Fig. 5. Transmission wavefront of Yb∶YAG surface gain slab. (a) Wavefront in x direction; (b) wavefront in y direction; (c) wavefront of two-dimension

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实验中没有测量输出激光的光束质量,因此对表层增益板条激光波前进行测试,结果如图5所示。可见:当输出功率为2.6 kW时,x方向的波前畸变为1.3 μm,y方向的波前畸变为0.3 μm,光束质量较好。输出激光光束尺寸(即板条端面尺寸)为11 mm×1.7 mm。

双程放大的转换效率明显比单程的转换效率高,种子光注入功率在单程放大时较低,因此大量的反转粒子没有被利用,从而影响了放大器的效率。单程放大时,板条内光束的填充因子较小,单、双程放大交叠效率分别为95%和98%,所以双程提取能够增大光束在板条内的交叠效率,提高对抽运光的利用率,进而获得高功率、高效率的激光输出。在高抽运功率下,光-光转换效率不再增大,初步分析原因为:1)种子光耦合进板条的尺寸较小,交叠效率要比理论计算值低,导致转换效率与理论值相比提前达到极限值;2)板条内部的热累积限制了放大器的提取效率。通过以上分析可以得出,对于表层增益板条激光放大器,高光束交叠效率以及高效的热管理技术是十分必要的。

5 结论

介绍了表层增益板条的结构,设计并初步开展了Yb∶YAG表层增益板条激光放大器的研究。在室温下,获得了1030 nm的激光输出,在单模光纤种子源输出功率为200 W,双端抽运总功率为11.2 kW的条件下,单、双程放大的输出功率分别为1.6 kW和2.6 kW,光-光转换效率分别为 12.8% 和21.4%。对透射波前进行测试后可知,Yb∶YAG表层增益板条具有作为高功率固体激光器增益介质的潜力。

实验结果表明:表层增益结构板条有望获得更高功率、更高效率的激光输出。下一步可以在多级放大、谐振腔等方面进行实验研究,以进一步提高输出功率和效率,获得优良的光束质量。

参考文献

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李宁, 张伟桥, 刘洋, 唐晓军. Yb∶YAG表层增益板条激光放大器的研究[J]. 中国激光, 2018, 45(11): 1101003. Li Ning, Zhang Weiqiao, Liu Yang, Tang Xiaojun. Yb∶YAG Surface Gain Slab Laser Amplifier[J]. Chinese Journal of Lasers, 2018, 45(11): 1101003.

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1 引言

2 Yb∶YAG激光动力学

3 Yb∶YAG表层增益激光放大实验

图 1. Yb∶YAG表层增益板条激光放大器装置图

Fig. 1. Schematic of Yb∶YAG surface gain slab laser amplifier

图 2. 表层增益板条的结构

Fig. 2. Schematic of surface gain slab

4 实验结果与讨论

图 3. (a)单程放大激光输出功率曲线及(b)光-光转换效率曲线

Fig. 3. (a) Output power curves and (b) optical efficiency curves of single-pass amplifying

图 4. 双程放大激光(a)输出功率曲线及(b)光-光转换效率曲线

Fig. 4. (a) Output power curves and (b) optical efficiency curves of double-pass amplifying

图 5. Yb∶YAG表层增益板条的透射波前。(a) x方向的波前分布;(b) y方向的波前分布;(c)二维波前分布

Fig. 5. Transmission wavefront of Yb∶YAG surface gain slab. (a) Wavefront in x direction; (b) wavefront in y direction; (c) wavefront of two-dimension

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1 引言

2 Yb∶YAG激光动力学

3 Yb∶YAG表层增益激光放大实验

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Fig. 1. Schematic of Yb∶YAG surface gain slab laser amplifier

图 2. 表层增益板条的结构

Fig. 2. Schematic of surface gain slab

4 实验结果与讨论

图 3. (a)单程放大激光输出功率曲线及(b)光-光转换效率曲线

Fig. 3. (a) Output power curves and (b) optical efficiency curves of single-pass amplifying

图 4. 双程放大激光(a)输出功率曲线及(b)光-光转换效率曲线

Fig. 4. (a) Output power curves and (b) optical efficiency curves of double-pass amplifying

图 5. Yb∶YAG表层增益板条的透射波前。(a) x方向的波前分布;(b) y方向的波前分布;(c)二维波前分布

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