1 引言

脉冲激光是将增益介质内存储的能量在极短时间内释放, 其输出激光的峰值功率比连续激光提高了几个数量级。 脉冲激光具有峰值功率高、脉冲时间短等优点,被广泛应用于激光清洗、激光毛化、激光精细打孔和激光切割等工业加工领域^[1-5]。随着激光技术的不断发展和国内工业的转型升级,激光加工系统的集成程度不断提升,对系统中各关键部件,尤其是激光光源的技术性能提出了更高的要求。占市场份额较大的传统CO₂激光器的商业化生产技术比较成熟,但其造价高、结构复杂、体积庞大且无法实现光纤输出的缺点限制了它在未来工业中的进一步发展。已快速抢占市场份额的光纤激光器由于其非线性效应和损伤阈值的限制无法获得更高的重复频率和更大的单脉冲能量。国内工业领域高重复频率、高功率的固体激光器主要依靠国外进口,极大限制了激光加工技术在我国现代工业中的应用。

目前,国内高重复频率、短脉冲的Nd∶YAG激光器的平均功率均不超过100 W,1000 W量级输出功率的激光器更是鲜有报道。2007年,冯永伟等^[6]设计了消除热退偏损耗的复合双调Q晶体谐振腔结构,在1 kHz重复频率下获得最大单脉冲能量为26.2 mJ的1064 nm激光输出。2009年,杨文是等^[7]将双棒串接的Nd∶YAG (尺寸为φ5 mm×80 mm)晶体作为工作物质,在1 kHz重复频率下实现65 W平均功率的激光输出。2013年,Li等^[8]通过主振荡-功率放大(MOPA)的方法,即对种子源加2级预放大(板条增益介质的尺寸为5 mm×5 mm×110 mm)和2级主放大(板条增益介质的尺寸为8 mm×8 mm×120 mm),实现了在250 Hz重复频率下单脉冲能量为800 mJ的1064 nm激光输出。2017年,靳全伟等^[9]采用振荡级加1级预放大后分2级主放大,最后2级主放大通过偏振合束方式在400 Hz重复频率下获得单路平均功率为285 W的激光输出。

本文研制出一种高重复频率的声光调Q Nd∶YAG激光器,在10 kHz重复频率下输出激光的平均功率高达4256 W,单脉冲能量为425.6 mJ,弥补了国内短脉冲激光器无法实现高重复频率下大单脉冲能量输出的劣势,为我国自主研制高重复频率、高光束质量、大脉冲能量的激光光源提供了参考,对推进短脉冲激光在工业中的深度应用具有十分重要的意义。

2 激光器结构设计

高平均功率、短脉冲激光器的实验装置如图1所示,主要包括双棒串接振荡器和板条放大器。振荡器基于两个侧面抽运的激光头,采用平凹腔型,高反镜(HR)的反射率大于99%,输出镜(OC)选择具有最佳透过率的平凹镜。增益介质为两个直径为3 mm Nd∶YAG圆棒,中心波长为808 nm半导体芯片抽运源对称分布在圆棒侧边。双棒之间插入石英旋光器以补偿热致双折射效应,系统采用声光调Q作为脉冲调制器件,布儒斯特角偏振片作为起偏器,以保证输出线偏振激光。为了减少反向回光放大对振荡级的影响,保证振荡器的输出状态稳定,在振荡级与放大级之间插入高功率法拉第隔离器。对振荡级输出激光进行扩束整形后,将其注入板条激光放大器。放大器级间采用4f(f为焦距)成像系统进行级联传输,以提高光强均匀性,减少激光自由传输和衍射导致的损耗。

图 1. 激光器结构示意图

Fig. 1. Schematic of laser configuration

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放大器部分采用端面抽运传导冷却的板条增益模块,结构如图2所示。板条增益介质的尺寸为150 mm×30 mm×2.5 mm,长度方向上中心120 mm范围内的介质为Nd∶YAG晶体,两端15 mm为非掺杂YAG,端面切角为45°。在这种增益介质构型中,只有板条厚度方向存在温度梯度,激光在板条内部的光路为“之”字形(zigzag)光路,补偿了温度梯度造成的光学畸变,显著降低了热效应导致的热致像差,保证了种子光在经板条放大后的光束质量。单个抽运源采用2 line×30 bar空间叠加结构的二极管激光器阵列(DLA),中心波长为808 nm,其中一个bar条的功率为100 W。在每个板条中采用两个抽运源分别从两端抽运。抽运光经过光束整形以后沿端面45°楔角反射进入板条内部,并在掺杂区被吸收。两个微通道冷却器分别焊接在板条的两个大面上,以实现高效率的散热冷却。

图 2. 板条增益模块结构示意图

Fig. 2. Schematic of slab gain medium

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对两个板条激光器进行双程放大设计,可以选择先双程放大后串联或者先串联再双程放大这两种光路排布。根据板条长度内各点功率密度的计算公式^[1],采用多次迭代模拟计算了两种光路排布板条内部不同位置输出功率(P_out),结果分别如图3和图4所示,在模拟计算过程中没有考虑放大自发辐射(ASE)的影响。

图 3. 先双程放大后串接光路中两个板条内不同位置的功率分布。(a)板条1;(b)板条2

Fig. 3. Power distributions of two slabs at different positions for the case of amplifying for two pass and then connecting two slabs in series. (a) Slab 1; (b) slab 2

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图 4. 先串接后双程放大光路中两个板条内不同位置的功率分布。(a)板条1;(b)板条2

Fig. 4. Power distributions of two slabs at different positions for the case of connecting two slabs in series and then amplifying for two pass. (a) Slab 1; (b) slab 2

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图3所示为先双程放大再串接光路中两个板条内不同位置的功率分布。图3(a)所示为第一个板条放大器双程放大时的激光功率,第一通放大后的输出功率为208 W,第二通放大后的输出功率为955 W。图3(b)所示为第二个板条放大器双程放大时的激光功率,第一通放大后的输出功率为2153 W,第二通放大后的输出功率为4449 W。

图4所示为先串接再双程放大光路中两个板条内不同位置的功率分布。图4(a)所示为第一个板条放大器双程放大时的激光功率,第一通放大后的输出功率为215 W,第二通放大后的输出功率为4593 W。图4(b)所示为第二个板条放大器双程放大时的激光功率,第一通放大后的输出功率为426 W,第二通放大后的输出功率为1665 W。

对比两种光路的放大输出功率,在相同的抽运条件下,先串接再双程放大的功率更有优势。此外,在先双程放大再串接的第一个板条中,即图3(a)中,由于提取效率低,ASE严重,实际的提取效率和输出功率会更低,相应也会影响第二个放大器的效率和输出功率。

3 实验结果与分析

振荡器采用连续抽运方式,声光调Q开关在10 kHz重复频率下输出平均功率为14 W 的线偏振激光,脉宽为130 ns,光束质量因子M²≈5。种子光经过两个板条放大器双通放大输出,放大器采用连续抽运方式。图5所示为激光放大输出功率曲线:在放大抽运光功率从0增加到20 kW的过程中,光-光效率不断增大。抽运功率大于20 kW后,光-光效率趋于稳定。当最大抽运功率为22.7 kW时,可得到平均功率为4256 W的激光输出,实验结果与理论计算值基本吻合。由于注入种子激光功率较小,远小于Nd∶YAG增益介质的饱和提取通量,因此,如果增大注入种子光功率,就能进一步提高输出激光的平均功率。将声光调Q的重复频率从10 kHz增大到50 kHz,单脉冲能量减小,但输出激光的平均功率并无明显变化。这主要是因为采用连续抽运方式,在这种高重复频率调Q下,增益介质的整体储能没有变化,所以输出功率没有明显变化。所使用的脉宽探测器是Thorlabs公司生产的PDA10CF型光电探测器。 图6为激光器出光时的实物图,功率计上显示的是实时功率。

图 5. 输出功率随抽运功率变化曲线

Fig. 5. Output power as a function of pump power

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图 6. 激光出光时的实物图

Fig. 6. Photo when laser system is running

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实验中监测了4 kW激光输出状态下脉宽随重复频率的变化情况,当重复频率分别为10,20,30,40,50 kHz时,脉宽分别为133,141,149,156,164 ns,不同重复频率下放大输出激光的脉宽变化不明显。图7所示为使用Tektronix示波器采集重复频率为10 kHz、输出平均功率为4256 W时激光的脉冲信号,其脉宽为133 ns,此时单脉冲能量为425.6 mJ,峰值功率为3.2 MW。下一步实验将对振荡器进行优化,以进一步压缩脉宽,提高放大后的峰值功率。

图 7. 输出激光的脉宽

Fig. 7. Pulse width of output laser

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为了解输出激光波前畸变空间特性,保证输出激光的光束质量,采用哈特曼波前传感器对输出激光波前进行实时测量。哈特曼波前传感器由缩束器、微透镜阵列、CCD和图像采集处理系统构成,测量动态范围为±0.5 μm,测试精度为0.1 μm,采样帧频为30 frame/s。将板条输出的长条形光斑在x方向和y方向扩束成近方形光斑,经高反镜透射取样后进入哈特曼波前传感器和光束质量β测试仪。激光波前和远场光斑结果如图8所示,激光波前峰谷值为2.576 μm,光束质量β为3.8倍衍射极限。

图 8. 输出功率为4256 W时输出激光的波前畸变空间特性。(a)激光波前畸变; (b)远场光斑

Fig. 8. Space characteristics of wavefront distortion of output laser at output power of 4256 W. (a) Distortion of wavefront; (b) far-field spot

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4 结论

本文采用主振荡-功率放大结构研制了一台全固态高重复频率大脉冲能量Nd∶YAG激光器。通过声光调Q获得14 W高重复频率线偏激光注入板条放大,在抽运功率22.7 kW,获得了4256 W激光平均功率输出,单脉冲能量为425.6 mJ,峰值功率3.2 MW,光束质量β为3.8倍衍射极限。此激光器可做到重复频率可调,单脉冲能量可变,满足不同的实际需求,为高端激光制造技术与装备的提升有着显著的促进作用。