LD环状侧面均匀泵浦Nd∶YAG激光振荡器

韩昌昊,穆 宇,罗 辉,韩 隆,方 聪,王思博,魏 磊

(1.中国电子科技集团公司第十一研究所,北京 100015;2.北京航天控制仪器研究所,北京 100039)

1 引 言

LD侧面泵浦Nd∶YAG晶体激光器具有结构简单、光束质量高、单脉冲能量大等特点,常常在高能脉冲固体激光器中作为MOPA结构的振荡器,是实现高脉冲能量固体激光器的一种重要方式[1-5]。MOPA结构的大能量激光器通常会存在多级放大后激光光束质量的严重退化,科研人员会通过在放大级间采用受激布里渊散射相位共轭镜(SPS-PCM)、空间滤波器(spatial filter,SF)等方式来改善光束质量[6-7]。但在实际工程应用中,采用过多的光学元件会使系统可靠性降低,并且会使激光器结构更加庞大、冗杂。而单纯的采用小能量、高质量的种子源也需要在后续光路种加入预放大系统,同样会使得激光器系统更加复杂。所以,优化泵浦结构,提高泵浦均匀性,提高大能量激光振荡器的光束质量,是实现高能脉冲激光器小型化及工程化的关键。

LD泵浦方式主要分为端面泵浦和侧面泵浦两种。其中端面泵浦拥有更高的光耦合效率,更容易实现高光束质量的激光输出,但是其泵浦光耦合系统比较复杂,且不容易输出高功率激光。相较于端面泵浦,侧面泵浦结构更为简单,具有高可靠性及紧凑性的优点,但是其泵浦光是沿晶体径向注入,存在泵浦光分布不均匀、工作物质热效应严重等问题,导致输出激光的光束质量变差。因此,国内外研究人员对侧面泵浦构型的光场均匀性进行了大量的研究[8-11],通过对侧面泵浦结构、晶体掺杂浓度优化设计,最大程度上提高泵浦的均匀性。

本文主要介绍了一种应用于高能脉冲固体激光器中的激光振荡器,该振荡器采用了LD侧面均匀泵浦Nd∶YAG晶体的泵浦结构,并结合超高斯非稳腔结构实现大能量输出。其中,侧面泵浦结构没有采用传统的线阵或者面阵的泵浦方式,而是直接采用了bar条串联的环形集成结构,提高了泵浦均匀性及效率。通过Zemax软件进行侧泵均匀性的仿真分析,基于仿真结果设计了20向侧泵结构的激光振荡器,实现了100 Hz重复频率下,496 mJ的激光输出,光光效率约为18.5 %,脉冲宽度为12.4 ns,光束质量优于9 mm·mrad。并且该振荡器可以维持光轴稳定不变的同时,实现20 ns脉宽以内能量变档可调,对激光振荡器工程化应用由一定意义。

2 LD侧面均匀泵浦结构仿真

侧面泵浦结构具有结构简单、性能稳定等优点,相对与端面泵浦更具备实现小型化激光器的潜力。但是由于其泵浦光在延径向注入晶体时,会出现晶体内外吸收不均匀,导致热效应严重,从而影响光束质量。为解决泵浦不均匀导致的光束质量退化等问题,采用Zemax软件对不同侧面泵浦条件下光场吸收情况进行仿真,从而为优化激光器设计提供理论基础。

2.1 不同泵浦方向数下的光场均匀性

由于不同方向的泵浦光在进入晶体棒后会存在交叠,所以激光二极管在晶体棒侧面排列方式的对其光场分布的影响较大。图1为不同泵浦方向数下的吸收光场的对比图,其中,晶体尺寸、泵浦距离、吸收系数均相同,图1(a)、(b)、(c)、(d)分别为泵浦方向为3向、5向、9向、20向时的吸收光场。可以看出,随着泵浦方向数目的增加,晶体内吸收光场分布会逐渐呈中心对称形状,光场的均匀性会随之提高。这种情况应当是由于激光二极管所发射激光的发散角是固定的,通过从多个方向入射能够增加泵浦头内激光的空间交叠效率,从而提高晶体对泵浦光吸收的均匀性。

图1 不同泵浦方向数下的吸收光场

2.2 不同吸收系数下的光场均匀性

在选择激光晶体时,往往根据实际情况选择适合的掺杂浓度的晶体,不同浓度晶体的吸收系数差异较大,对晶体内泵浦均匀性也有较大影响。图2是采用20向的泵浦结构对在不同吸收系数下的吸收光场的对比图。由图2可以看出,吸收系数α=4 cm-1时明显优于其他两种,当激光晶体的吸收系数较小时,晶体棒中间的吸收强度明显要高于两端,这种情况下有利于激光基模的振荡,但是易造成中心功率密度过高损坏光学器件。当提高激光晶体的吸收系数时,晶体边缘吸收的泵浦光能量越来越强,这种情况下激光的模式分布会逐渐失配。综合考虑各因素,在泵浦结构设计时应当选取晶体吸收系数较小的方案,更加有利于泵浦的均匀性。

图2 不同吸收系数下的吸收光场

3 实验装置

根据仿真结果表明,随着泵浦方向的增加,光场的均匀性会随之提高。故本研究采用了20个激光二极管bar条直接串联的环状结构进行侧面均匀泵浦,环状侧面泵浦结构如图3所示。整个泵浦模块包含了沿轴向等间距分布的10个环状结构,总峰值功率最高为20 kW。这种bar条串联的环状结构的好处在于可以使bar条在侧面进一步集成化,使泵浦光入射方向数增加,尽可能提高泵浦的均匀性。根据仿真结果计算,激光晶体选择了掺杂浓度为0.6 at %的Nd∶YAG晶体,晶体直径为10 mm,长度154 mm。

图3 LD侧面泵浦模块截面图

LD侧面均匀泵浦Nd∶YAG振荡器实验装置如图4所示,谐振腔总腔长780 mm。其中,M1为镀有1064 nm高反膜的平-凹镜,反射率大于99 %。偏振片P1作为起偏器,以保证水平线偏振激光输出。L1、L2为负透镜,R1为90°石英旋光器。耦合输出镜OC为可变反射率的弯月镜,中心透过率为70 %,曲率半径R=±1000 mm,使振荡器获得大体积、模式分布光滑均匀的基横模输出。为消除自发放大辐射(ASE)振荡,Nd∶YAG晶体两端面设计为呈1°梯形斜角的结构。采用升压式电光调Q的方式,采用BBO双晶作为电光Q开关,双晶总长40 mm。

图4 实验装置示意图

虽然采用均匀泵浦的方式可以一定程度上降低热效应,但是由于固有的量子损耗,在晶体中的热效应是不可避免的。在单泵浦模块测试中,当注入2.31 J泵浦光时,输出激光光束出现明显的热退偏,所以选择了双棒串接的方式进行补偿,并在晶体棒之间加入90°石英旋光器以补偿热致双折射。用He-Ne准直光对重复频率100 Hz时,对注入不同泵浦光能量的热透镜进行测量,晶体的热透镜焦距随输入泵浦光能量的变化情况如图5所示。考虑到调Q后热透镜效应可能会加重,在腔内加入两个负透镜L1(R=-2000 mm)、L2(R=-2500 mm),用于补偿晶体棒中的热透镜效应。

4 实验结果

输出耦合镜的参数设计对激光振荡器的输出功率有重要影响。实验中针对中心透过率分别为60 %、70 %、80 %的耦合输出镜进行对比实验,在重复频率为100 Hz、泵浦脉宽为220 μs时,输出激光单脉冲能量随注入泵浦光能量的变化关系如图6所示。从图6可以看出,输出激光单脉冲能量和输入泵浦光能量呈线性关系增长,并且没有出现饱和的趋势。

图6 输出单脉冲能量随注入单脉冲能量的变化关系

图7是当注入泵浦光能量为2.31 J时的近场光斑,虽然中心部分略强,但径向分布相对均匀,说明侧泵结构设计有效。可以通过进一步提高晶体掺杂浓度优化侧泵结构设计。也可通过对可变反射率反射镜(Variable Reflectivity Mirrors,VRM)的膜层进行优化设计,改善光斑形态,使近场激光接近平顶分布。将注入泵浦光能量增加到2.68 J时,采用套孔法测量激光光束质量,光束质量优于9 mm·mrad。

图7 近场光斑分布图

当注入泵浦光能量为2.68 J时,得到单脉冲能量为496 mJ,此时光-光效率为18.5 %,与国内同类侧面泵浦大能量激光振荡器进行对比(文献[1]～文献[5],文献[12]～文献[14]),光-光效率处于领先水平,说明该环形侧泵设计对效率提升存在明显效果。使用光电探测器和数字示波器测得激光振荡器激光脉冲波形如图8所示,激光脉冲宽度为12.4 ns。当继续提高泵浦光能量时,腔内热效应会逐渐明显,导致光束质量恶化,光斑出现畸变。当注入泵浦光能量大于3.2 J时,热退偏效应会导致Q开关的工作效率下降,激光脉宽不再稳定。

图8 电光调Q后的单脉冲波形

为实现输出激光能量变档可调,同时保证激光光轴稳定,本文采用改变Q延时的方式来进行能量变档。因为注入的泵浦光能量不变,所以晶体热分布处于一个稳定的状态,光轴可以近乎保持稳定状态。在100 Hz重复频率下,注入泵浦光能量为2.31 J时,激光单脉冲能量随Q延迟变化如图9所示。从图9可以看出,在Q延时和泵浦脉宽完全匹配时,所得到的单脉冲能量不是最高的,这种现象可能是Q驱动与泵浦电源等器件细小的误差导致的。随后对Q延时在260 μs和310 μs时激光脉宽进行测量,分别为16 ns和18.4 ns。并对不同Q信号延时状态的光轴位移量进行测量,不同Q延时下激光光轴的位移量不大于20 μrad,说明改变Q延时对光轴稳定性影响很小,该激光振荡器能够在光轴稳定下实现脉宽20 ns以内的脉冲能量变档可调。

图9 激光单脉冲能量随Q延迟变化关系

5 结 论

本文主要介绍了一种应用于高能脉冲固体激光器中的激光振荡器,该振荡器采用了LD侧面均匀泵浦Nd∶YAG晶体的泵浦结构,并结合超高斯非稳腔结构实现大能量输出。其中,侧面泵浦结构没有采用传统的线阵或者面阵的泵浦方式,而是直接采用了bar条串联的环形集成结构,提高了泵浦均匀性及效率。通过Zemax软件进行侧泵均匀性的仿真分析,基于仿真结果设计了20向侧泵结构的激光振荡器,实现了100 Hz重复频率下,496 mJ的激光输出,光光效率约为18.5 %,脉冲宽度为12.4 ns,光束质量优于9 mm·mrad,并可以实现脉宽20 ns以内的脉冲能量变档可调。实验证明了该侧泵结构可靠有效,为MOPA结构振荡级选取提供了一种有效的方案。