无温控多波长LD泵浦方棒状Nd∶YAG固体激光器

黄 涛,王克强,罗 旭,何利杰

(华北光电技术研究所,北京 100015)

1 引 言

相比于传统有温控激光器,无温控LD泵浦激光器可以完全消除主动温度控制,不需要制冷器件和温控电路,从根本上解决了温控系统易发生故障的问题,大大提高了激光器的可靠性；由于去除了复杂的温控系统,使得激光器的结构更加紧凑,不需要温控准备时间即可工作,同时大幅度降低待机功耗,在小型无人机以及单兵装备作战等方面具有广阔的应用前景[1]。

无温控LD泵浦激光器的核心技术是解决不同温度下电光效率不一致的问题,并且使全温度范围均具有较高电光效率。实现激光器无温控运转有两种途径[2],第一种是展宽激光二极管的发射波长,进行多波长泵浦,第二种是增加增益介质的有效吸收长度,以使泵浦光在吸收峰之外时能够充分吸收。通常两种方法结合使用效果更好。

SELXGALILIO公司开发的163型激光器[3],同时使用了多波长泵浦和增加吸收长度长度的方案。将工作物质设计成Zig-Zag形板条,通过控制光路增加有效吸收长度。不仅满足在-30～+50 ℃范围内正常使用,而且提高了激光器的整体光电效率,从而降低功耗,减少热管理问题,进而减少热交换器和底盘尺寸和电池容量。实现激光器的小型化、低功耗的要求。

2 基本原理

2.1 增益介质的选择

掺钕钇铝石榴石(Nd∶YAG)晶体的综合性能较好[4],被很多激光器用作增益介质。图1为在780～828 nm光谱范围内,Nd3+掺杂浓度为1.0 at %的Nd∶YAG晶体的吸收系数随波长的变化曲线图[5]。如图1所示,Nd∶YAG(1.0 at %)晶体对不同波长的泵浦光吸收能力不同,吸收系数越小表示吸收能力越弱,吸收系数越大表示吸收能力越强。泵浦光强一定时,晶体对泵浦光的吸收效率与晶体的吸收系数和晶体的有效吸收长度有如下关系[6]:

η=(1-e-αL)

(1)

式中,η为晶体的吸收效率;α为晶体的吸收系数;L为泵浦光在增益介质中传输路径的长度。

由公式(1)可知,吸收相同能量的泵浦光时,晶体的吸收能力越弱,所需要晶体的长度越长。因此当激光二极管的发射波长处于晶体吸收能力较弱的位置时,需要增加晶体的有效吸收长度来提高晶体的吸收效率[7]。

图1 1.0 % Nd∶YAG晶体的吸收光谱

本文增加晶体的有效吸收长度采用的是侧面双通键合Nd∶YAG晶体方形棒结构,其结构如图2所示。两侧是Nd3+掺杂浓度为1.0 at %的Nd∶YAG晶体,中间是非掺杂的YAG晶体,靠近泵浦源一侧镀(808±20)nm增透膜,远离泵浦源一侧镀(808±20)nm全反膜,泵浦光2次穿过晶体,理论上晶体对泵浦光的最大有效吸收长度可以达到20 mm,经计算,该吸收长度下,即使晶体的吸收系数只有0.7 cm-1,吸收效率也能达到75 %,能在一定程度上满足激光器的稳定输出。

(a)晶体图 (b)光路模拟图

图2 Nd∶YAG方形棒键合晶体及光路模拟图

Fig.2 Nd∶YAG square bar bonded crystal and optical path simulation

2.2 泵浦模块的选择

实现多波长泵浦有两种方法,第一种是展宽单波长泵浦源LD的谱线宽度,这种方法只能满足小温度范围内,LD的部分发射谱线和晶体的吸收谱线相匹配,但大部分泵浦光的能量不能被利用,大大降低光光转换效率。第二种是合理选择不同bar条的中心波长,整合成泵浦模块,对增益介质进行同时泵浦。在不同温度下,不同波长LD的泵浦效率可以相互补偿,稳定泵浦模块总的泵浦效率,实现激光稳定输出。

本文采用的是四波长泵浦源,泵浦模块有8个bar,分为四种不同中心波长,分别为为802 nm @25 ℃、804 nm @25 ℃、806 nm @25 ℃、808 nm @25 ℃,其结构如图3所示。

多波长泵浦时,光谱线宽会对晶体的吸收效率产生影响,因此需要对泵浦模块的光谱线宽进行筛选,LD的发射谱线可近似看成高斯函数(如图4所示),其强度分布可用下列公式进行表示[8]:

(2)

式中,I0为频域中谱线中心光强；λ0为LD中心波长；δ为发射谱线的半高全宽。

图3 四波长泵浦模块

图4 LD泵浦光光谱图(25 ℃)

计算多波长泵浦时增益介质吸收的总能量E,需要对组成泵浦源的不同中心波长的LD被增益介质吸收的能量进行加权求和,可以用下式表示[9]:

(3)

式中,Ni表示不同中心波长的LD在相同泵浦条件下,单个LD输出能量占总能量的比例,均取0.25；L表示有效吸收长度,均取20 mm。

则晶体的吸收效率η可以表示为:

(4)

可以得到晶体的吸收效率与LD光谱线宽的关系如图5所示,考虑到LD的发射波长随温度漂移系数为0.28 nm/ ℃,为保证激光器在范围-40～+60 ℃内稳定输出能量≥40 mJ,则LD的发射波长波动范围需控制在30 nm内,为了获得较高的崩盘效率,需保证晶体的吸收效率≥75 %。由此可见,采用单波长或者宽光谱线宽泵浦时,不能同时在宽温度范围工作以及稳定输出能量方面达到要求；而将LD泵浦光的光谱线宽控制在5～10 nm范围内,可以很好的满足上述要求。

图5 光谱线宽与吸收率的关系曲线(吸收长度20 mm)

3 实验装置

本文中的激光器需要在严峻环境下正常工作,因此在设计谐振腔时需要考虑谐振腔对温度的敏感性。该激光器选择直角棱镜折叠腔作为谐振腔,其光路示意图如图6所示,主要由两个直角棱镜和两个偏振分光棱镜组成,用直角棱镜替代反射镜来改变光束的方向,可以降低激光器对大的温度变化保持不灵敏性,并且可以最大程度的缩短整个系统的长度；脉冲激光通过波片和分光棱镜组成的耦合系统输出,通过调节波片的方位角可以获得最佳耦合输出[10]。

激光二极管面阵列经过快轴准直,减小快轴发散角,使输出的能量更加集中,有利于长距离传输；泵浦光从侧面对Nd∶YAG键合晶体进行泵浦,键合晶体中间是没有掺杂Nd3+的YAG,两边是Nd3+掺杂浓度均为1.0 at %的Nd∶YAG晶体。靠近泵浦源一侧镀(808±20)nm增透膜,远离泵浦源一侧镀(808±20)nm全反膜,泵浦光2次穿过晶体,晶体对泵浦光的最大有效吸收长度可以达到20 mm,有效提高晶体在低吸收能力时对泵浦光的利用率。

图6 折叠型直角棱镜腔光路图

4 实验结果

4.1 脉冲能量

影响单脉冲能量的因素有输出镜透过率、调Q晶体初始透过率、工作物质掺杂浓度以及泵浦光和产生激光的模式匹配等因素。该激光器在不需要外加温控器件的情况下,在高低温箱里做输出能量测试实验,其结果如图7所示。激光器在-40～+60 ℃范围内,激光器输出能量≥40 mJ,经计算,光光转换效率最高为12 %。

图7 不同温度下激光器的输出能量

4.2 脉冲宽度

激光器的脉冲宽度主要与输出镜透过率、腔长等有关,本文中谐振腔腔长为300 mm,通过调节波片和分光棱镜组成的耦合系统中波片的方位角,可以改变输出镜的透过率,最终得到脉冲宽度为(11 ±1)ns。输出激光脉冲宽度测试结果如图8所示。

图8 输出激光脉冲宽度测试

4.3 光束质量及发散角

图9 激光束光束质量测试

5 结 论