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百焦耳级有源反射镜钕玻璃激光放大器
刘晶 1 , 李磊 1 , 陈汝风 1 , 施翔春 1 , 刘秋菊 1, 2 , 杨中国 1 , 王建磊 1*, *
中国科学院上海光学精密机械研究所上海市全固态激光器与应用技术重点实验室, 上海 201800
中国科学院大学, 北京 100049
摘要

搭建了一套氙灯抽运的有源反射镜钕玻璃激光放大器系统。实验研究了有源反射镜钕玻璃激光放大器的增益特性及能量提取。钕玻璃几何尺寸为380 mm×160 mm×30 mm,掺杂浓度为2.2 %(质量分数)。充电电压为23 kV时,实验测得系统的小信号增益系数为0.056 cm-1,储能效率为2.0%。充电电压为22 kV时,输出激光光斑尺寸为 126 mm ×126 mm,脉冲宽度为5 ns;预放注入能量为6.67 J时,激光放大系统获得最大为349 J的能量输出。系统静态波前峰谷(PV)值为8.38 λ

关键词 激光器; 激光放大器; 高功率激光; 有源反射镜; 钕玻璃; 氙灯
100 J Level Active Mirror Nd∶Glass Laser Amplifier
Liu Jing 1 , Li Lei 1 , Chen Rufeng 1 , Shi Xiangchun 1 , Liu Qiuju 1, 2 , Yang Zhongguo 1 , Wang Jianlei 1*, *
Shanghai Key Laboratory of All Solid-State Laser and Applied Techniques, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China
University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract

The structure of active mirror Nd∶glass laser amplifier is presented, which is pumped by Xe-lamps. The gain characteristics and energy extraction of the active mirror Nd∶glass laser amplifier are experimentally studied. The size of Nd∶glass is 380 mm×160 mm×30 mm, and the doping concentration of Nd:glass is 2.2%(mass fraction). Experimental results show that when the charging voltage is 23 kV, the small signal gain coefficient of the system is 0.056 cm-1, and the energy storage efficiency is 2.0%. The spot size of the output laser is 126 mm×126 mm and the pulse width is 5 ns when the charging voltage is 22 kV. The laser amplifier obtains the maximum output energy of 349 J when the injected energy is 6.67 J. The peak to valley (PV) value of the static wavefront of the system is 8.38 λ.

Key words lasers; laser amplifier; high power laser; active mirror; Nd∶glass;; Xe-lamp
论文信息
doi:10.3788/CJL201845.0501001
OCIS codes: 140.3280; 140.3460; 140.3538

作者简介: 刘晶(1988—),女,硕士,助理研究员,主要从事全固态激光器方面的研究。E-mail: liujing3718@163.com。*通信联系人。 E-mail: wangjl@siom.ac.cn

1 引言

有源反射镜构型多采用正面或背面抽运方式, 与透射构型相比有两方面优势:一方面, 可以实现激光光束单程双通放大, 单程增益高, 能量提取效率高; 另一方面, 激光增益介质表面可以通过直接接触增益介质表面的流体而进行冷却, 能够更加有效地解决激光增益介质的散热问题, 非常适合高重频高功率激光系统。近年来, 有源反射镜构型因其独特的优势而广泛应用于激光二极管抽运的薄片激光系统中[1, 2]。德国斯图加特大学Giesen等[3, 4]研制的薄片激光器、日本大阪大学[5, 6]报道的低温陶瓷激光器和法国LUCIA[7, 8]激光装置均采用了激光二极管抽运有源反射镜构型。国内, 中国工程物理研究院[9]采用有源反射镜构型搭建了一套10 Hz Yb∶YAG薄片激光器, 获得3.3 J脉冲能量输出。2013年, 上海光机所施翔春课题组[10]采用低温下的Yb∶YAG薄片激光放大系统获得了6.05 J、1 Hz脉冲激光输出。2015年, 清华大学[11]报道了激活反射镜Nd∶YAG激光放大系统, 该系统获得了20 Hz、2 J激光脉冲输出。2012年, 本课题组[12]实验探究了有源反射镜钕玻璃激光放大器的增益特性及横向放大自发辐射和氙灯发光效率对增益特性的影响。

磷酸盐钕玻璃具有荧光寿命长、吸收光谱带宽、高储能以及尺寸大等特点而被广泛应用于高功率激光系统中[13]。本文在原有实验经验积累基础上设计并搭建了一套氙灯抽运、百焦耳级有源反射镜钕玻璃激光放大系统, 实验研究了该激光放大系统的增益特性及能量提取。

2 实验装置及特点

实验装置如图1所示, 整个装置包括种子源、预放大系统和主放大系统。种子源输出中心波长为1053 nm单纵模、水平偏振、5 ns的方波脉冲。种子源输出激光光束经预放大系统进行光束整形及能量放大, 最终输出光斑尺寸为27 mm×27 mm, 最大输出能量为10 J。预放大器输出光束经L1和L2空间滤波器透镜组后扩束为126 mm×126 mm光斑(光束离轴入射到透镜L2上), 光束经过窗口镜W2 以布儒斯特角入射到1#钕玻璃片中, 钕玻璃背面镀有全反膜, 再次通过钕玻璃, 获得双程增益后出射, 依次经过2#、3#钕玻璃片, 然后由端镜M5反射, 再依次经过4#、5#、6#钕玻璃片, 由窗口出射, 经片箱外部的双程反射镜M6反射, 再次进入主放大器片箱, 依次经过6#、5#、4#钕玻璃片、M5、3#、2#、1#钕玻璃片后, 经窗口后出射, 由于光路存在一定的离轴量, 所以光路经反射镜M3后, 入射进入透镜L3, 在经取样楔镜M7 前表面反射进行取样测试, 取样光束经凹镜L4准直后经窗口镜出射进入测试系统。

图1 实验装置光路示意图Fig. 1 Light path schematic of experimental setup

图2 放大器装置示意图Fig. 2 Schematic of amplifier experimental setup

系统光路设计中采用双程离轴工作方式, 与传统的布儒斯特角入射的透射式构型[14, 15]相比, 在保证钕玻璃增益介质实现同样4次提取下, 单程增益高, 能量提取效率高; 系统光路设计简单, 避免了大口径电光开关及偏振片的使用, 节约了造价且降低了光路调整难度; 同时该系统结构紧凑, 缩小了整个激光系统的空间体积。整个光路排布符合像传递规律, M6位于L1、L2构成的空间滤波器的像传输面上。

主放大器整体构成一个模块, 主要由窗口、反射镜、钕玻璃、氙灯和腔反射镜组成, 装置俯视图如图2所示。采用6片N31型钕玻璃作为增益介质, 钕玻璃尺寸为380 mm×160 mm×30 mm, 包边为5 mm, 掺杂浓度为2.2 %(质量分数), 结构上两两对称, 有利于单侧未吸收的抽运光被对侧再吸收, 提高抽运利用率; 氙灯外径为25 mm, 内径为21 mm, 极间距为1200 mm, 横向排布于钕玻璃后侧, 每侧均有5支, 每两支组成一路充电回路, 共5路充电回路; 氙灯背面排布镀银反射板, 其结构采用优化设计的渐开线型, 更加有效地利用氙灯后向传输光束, 使更多的抽运光传输到钕玻璃增益介质上, 提高增益介质的储能密度。整个装置处于密封状态, 以保证腔内的洁净度。放大器装置整体实物图如图3所示。

图3 放大器装置整体图Fig. 3 Overall photo of amplifier experimental setup

3 放大的自发辐射和自激振荡的抑制

在高功率激光系统中, 由于抽运功率和系统单程增益较高, 放大的自发辐射和自激振荡会消耗增益介质储能, 降低系统储能提取效率, 这对激光系统会产生极大的危害, 因此在系统结构设计中必须考虑如何抑制放大的自发辐射和自激振荡。

为抑制钕玻璃增益介质片内寄生振荡和放大的自发辐射, 并提高增益系数, 对钕玻璃进行包边处理并磨斜, 前后表面在长度方向上呈3'的倾斜角度; 为抑制钕玻璃增益介质片间寄生振荡, 相对放置的两张钕玻璃片不能完全平行, 呈“八”字排列, 两端的4张钕玻璃, 两两之间的夹角为1°(各自与竖直方向呈0.5°且倾斜方向相反), 中间的两张钕玻璃片间张角为2°且与两端钕玻璃偏离方向相反, 这样保证水平入射的光束经过3张钕玻璃片后又回到水平状态。

在放大器模块中, 窗口和腔反射镜之间是容易形成自激振荡回路的, 虽然窗口镜镀有增透膜, 但不可避免会存在一些残留反射。因此在装校过程中将窗口镜倾斜微小角度。

4 实验结果及分析

实验测得主放大系统的静态透射率为77%。种子光经预放大系统后输出能量5 mJ, 光斑大小27 mm×27 mm经像传递透镜组L1和L2后, 注入主放大器的光斑大小为126 mm ×126 mm, 在系统最佳延时下, 实验测试了主放大系统的小信号增益特性。图4为不同充电电压下的小信号增益系数和储能效率。在充电电压为16 kV、储能电容器放电电容为116 μF时, 测得小信号增益系数g=0.044 cm-1, 对应钕玻璃增益介质内储能为1.99 kJ, 系统储能效率为3.2%。随着注入能量的不断增大, 小信号增益系数不断增加, 充电电压为23 kV时, 测得小信号增益系数为0.056 cm-1, 对应钕玻璃增益介质有效储能为2.52 kJ, 但此时的系统储能效率下降为2.0 %。充电电压为23 kV时, 对应氙灯的爆炸系数为0.25, 处于安全运行状态。与充电电压为16 kV时相比, 系统的储能效率下降了37.5%, 分析其原因为:一方面随着抽运功率的增强, 横向放大自发辐射(ASE)和级间ASE的影响增大, 使得钕玻璃增益介质的有效储能下降; 另一方面, 实验中采用的氙灯放电脉冲较窄, 充电电压越高, 氙灯放电时峰值电流越高, 氙灯发光效率下降, 同时出现光谱蓝移, 使得钕玻璃吸收的抽运能量减少[12]

图4 不同充电电压下的小信号增益系数和储能效率Fig. 4 Small signal gain coefficient and energy storage efficiency with different charging voltages

在充电电压为22 kV、抽运总能量为119 kJ时, 实验测得激光系统的输出性能如图5所示。随着注入能量的不断增加, 输出随之增大, 在注入能量为6.65 J时, 获得最大349 J的能量输出。利用Frantz-Nodvik方程[16]对激光放大系统进行了理论模拟, 理论计算参数如表1所示, 模拟曲线如图5蓝线所示, 可以看出实验值和理论模拟数值较符合, 从模拟曲线上可看出继续增加注入能量时, 输

图5 充电电压为22 kV时激光放大器的输出性能Fig. 5 Output performance of laser amplifier with the charging voltage of 22 kV

出能量也会继续增加, 当注入能量为8 J时, 可以获得大于400 J的能量输出, 但考虑到光学元件的破坏阈值(反射镜M4的能流密度约为14 J/cm2)和系统整体的稳定运行, 没有继续增加注入能量。

表 1 理论计算参数      Table 1 Theoretical calculation parameters

图6为激光放大前后的近场光斑, 从图中可以看出激光光束呈现近平底分布, 没有明显的强区; 光斑中的条形调制由CCD上的窗口干涉造成, 局部圆环可能是由光学元件表面灰尘造成。图7为系统输出激光脉冲的时间波形, 脉冲宽度为5 ns, 没有明显的增益饱和现象, 脉冲后延拖尾由光电探测器造成。

在光学元器件相同面型要求下, 有源反射镜式构型与透射式构型相比引入更多的波前畸变, 特别是大角度入射时反射式构型对波前畸变更加敏感, 因此除对光学元件面型要求外, 对反射式构型的装

图6 近场光斑图。(a)静态图; (b)动态图Fig. 6 Near field spot image. (a) Static image; (b) dynamic image

图7 输出激光脉冲时间波形Fig. 7 Temporal wavefront of the output laser pulse

校要求更高。在钕玻璃片装校过程中, 需使钕玻璃与片框之间实现软接触, 可通过顶丝对钕玻璃施加微小的力, 并在装校过程中通过干涉仪实时监测, 保证每片钕玻璃面型控制在λ/2。系统联通后, 在透镜L2后焦点处, 通过哈特曼传感器测试了系统的静态波前和远场光斑, 如图8所示。系统的静态波前峰谷(PV)值为8.38λ, 远场光斑直径为1.1 mm, 其光斑大小约为衍射极限的27倍。从图8可以看出波前畸变像差主要由像散构成, 其主要原因是钕玻璃加工和镀膜过程中不可避免会引入一定的球差, 而在激光光束以布儒斯特角入射的情况下, 波前畸变中的球差体现为像散。

图8 系统的(a)静态波前畸变和(b)远场光斑Fig. 8 (a) Static wavefront distortion and (b) far field spot of the system

5 结论

搭建了一套氙灯抽运的有源反射镜钕玻璃激光放大器系统。实验研究了大口径有源反射镜钕玻璃放大器的增益特性及能量提取。钕玻璃几何尺寸为380 mm×160 mm×30 mm, 掺杂浓度为2.2 %(质量分数)。充电电压为23 kV时, 实验测得系统的小信号增益系数为0.056 cm-1, 储能效率为2.0%。充电电压为22 kV时, 输出激光光斑尺寸为126 mm×126 mm, 脉冲宽度为5 ns; 预放注入能量为6.67 J时, 激光放大系统获得最大为349 J的能量输出。

氙灯抽运激光放大器不可避免会带来大量的热, 而采用有源反射镜片状激光放大器构型可以采用背面冷却方式, 增益介质表面可以通过直接接触背面的流体而进行冷却, 更加有效地解决其热效应问题。实验中在灯箱和腔内充入流动的氮气来保持激光腔内的洁净度, 但不能起到冷却的作用, 如果实验中在钕玻璃的背面采用液体冷却的方式会减小系统热效应的影响, 对光束质量和缩短系统运行周期均有改善作用。

针对系统波前畸变严重的情况, 一方面, 对于固定的静态波前畸变, 可以在系统中引入固定相位的波前相位板进行校正; 另一方面, 对于动态波前畸变, 可以通过引入小口径变形镜来对低阶像差进行校正。

The authors have declared that no competing interests exist.

作者已声明无竞争性利益关系。

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