側面泵浦板條激光器

在為固體激光器提供能量的泵浦源方面，固體激光器發(fā)展的早期普遍采用技術較為成熟的閃光燈來泵浦。然而燈泵激光器自身存在效率低、熱效應嚴重、體積龐大等問題，進入八十年代以來發(fā)展緩慢，逐漸被以半導體激光二極管(Laser Diode, LD)為泵浦源的固體激光器所取代。隨著半導體量子阱結構、LD堆棧等幾項重要技術突破的產生，以及半導體材料生長技術的日趨成熟，LD的各項性能不斷提升，同時成本不斷降低，推動了二極管泵浦固體激光器，尤其是二極管泵浦板條激光器的飛速發(fā)展，具有高功率、高亮度等優(yōu)異性能的激光器不斷涌現(xiàn)，在工業(yè)、醫(yī)療、軍事、科研等領域均獲得了廣泛的應用，發(fā)揮著重要的作用。

在側面泵浦結構中,泵浦光從垂直于冷卻表面和激光傳播平面的另一個平面注入,增加了泵浦光的吸收長度,提高了利用率。此外這種泵浦方式可采用水冷熱沉的冷卻方式,實現(xiàn)泵浦面和冷卻面分離,簡化激光頭的設計。同時由于冷卻液體不直接接觸增益介質,不會造成對板條的污染,整個系統(tǒng)的機械穩(wěn)定性也有所提高。2001年,斯坦福大學報導了LD側面泵浦的Yb:YAG和Nd:YAG板條激光器。摻雜濃度一%,尺寸l.45x4.57x35.7mm3的Nd:認。板條激光器,30Ow泵浦功率獲得127w多模輸出;摻雜濃度2%,尺寸0.91X4.57x35.7~3的Yb:YAG板條激光器,3巧W泵浦功率獲得46W輸出。但是在半導體泵浦的板條結構中,常常采用光纖禍合輸出的激光進行泵浦,這樣受LD禍合進光纖的效率的限制,會降低系統(tǒng)的整體效率。

板條激光器

板條激光器是目前功率水平最高的固體激光器，其外形呈板條狀，工作時激光沿著介質長度方向行進。當前世界上僅有的兩例功率突破百千瓦的固體激光系統(tǒng)均采用了板條結構，此外還有大量功率在數(shù)十千瓦的相關報道。

側面泵浦結構

側面泵浦結構利用板條的上下兩個大面進行泵浦，板條的厚度方向為泵浦光的吸收方向。激光增益介質的泵浦面與激光通光面不共面，泵浦光方向與激光方向不平行，通常是垂直的關系。

2000年日本大阪大學的Kato等人報道的側面泵浦八通板條激光器的示意圖。振蕩器輸出的種子脈沖重復頻率為 1kHz, 光束質量為 M2=1.1，單脈沖能量為 0.5mJ。放大級增益介質 Nd:YAG 的端面切了多個斜角以實現(xiàn)之字形路，兩個 LD 陣列由晶體側面泵浦，單程的小信號增益為 3.03。放大級通過外圍巧妙的光路設計使種子脈沖八次通過放大器，實現(xiàn)了能量的充分提取。該激光系統(tǒng)獲得了平均功率為 68W 的脈沖輸出，儲能提取效率達到 61%。

2002 年，美國 TRW 實驗室研制出 2.4 倍衍射極限的 5.4kW 輸出的二極管泵浦 Nd:YAG 板條激光器:DP-25。該激光器由 5 個之字形板條增益模塊組成，采用 POPA 結構(Power Oscillator Power Amplifier，功率振蕩器+功率放大器)。諧振腔含有 2 個增益模塊，使用簡單的非穩(wěn)腔進行模式控制。該非穩(wěn)腔的放大率為 1.7，長度為 70cm。每個增益模塊的尺寸為 5×37×150mm，采用表面水冷、 側面泵浦的結構。泵浦源為水冷的 LD 模塊，每個模塊包括 15 個 LD 陣列，每個陣列有 16 個 bar 條。這些準連續(xù)的 bar 條以最大占空比 20%驅動激光器。DP-25激光器共采用了 150 個 LD 陣列，總峰值功率為 120kW，平均功率為 24kW。振蕩器輸出光束的像散通過一個放在諧振腔外的長焦距柱面鏡校正，然后進入第一級放大，接著依次穿過余下的兩個放大器。在重復頻率 400Hz，脈沖寬度 0.5ms的泵浦脈沖下，DP-25 激光器的輸出功率為 5.4kW，單脈沖能量為 13.5J，光束質量為 2.4 倍衍射極限。采用望遠鏡結構矯正像散，使得激光光束在輸出時保持對稱，約 8mm×8mm 見方。

2003 年，英國帝國理工學院的 Minassian 等人報道了一種新型的掠入射結構板條激光器。掠入射激光器作為一種特殊的側面泵浦激光器，利用增益介質的強吸收特性將大部分泵浦能量集中在泵浦面附近一個很小的區(qū)域內，實現(xiàn)了泵浦光束和激光光束較好的模式匹配，從而易于獲得基模激光輸出。該板條激光器使用強吸收晶體 Nd:YVO4，獲得了 26.1W 的多模輸出，光光效率大于 68%，并在 39.5W 泵浦功率下獲得了 23.1W 的基模輸出，光光效率約為 58%，兩方向的光束質量分別為 1.3 和 1.1。利用掠入射結構高增益的特點，產生高重頻或低重頻脈沖的研究也取得了不錯的進展。

側面泵浦板條激光器

早期的板條激光器均由閃光燈進行泵浦，一般采用大面泵浦、大面冷卻的結構。1990 年，在 ICA-LEO 上報道閃光燈泵浦的板條激光器連續(xù)最高輸出功率為 1.2kW，光束質量為 3 倍衍射極限。 2005 年，美國達信公司(Textron)憑借其獨特的 ThinZag 技術實現(xiàn)了單模塊15kW，近衍射極限的高能激光輸出。ThinZag 模塊可以視為是側面泵浦板條激光器的改進版，板條介質固定于兩石英窗口之間，冷卻液在窗口內流動，形成傳導冷卻格局。泵浦光垂直入射板條大表面，信號光則通過特殊光楔導入，在石英窗體之間沿 ZigZag 光路前進。2010 年，該公司報道了采用 3 組 15kW 模塊實現(xiàn)單口徑輸出 30kW，3.3 倍衍射極限的高能激光，同年，通過 6 組模塊級聯(lián)實現(xiàn)了超過 100kW 輸出。

固體激光器具有結構緊湊、體積小巧、電力驅動、無污染、成本低廉、續(xù)發(fā)能力強等諸多優(yōu)勢，在工業(yè)加工、國防軍事和科學研究等領域有著廣泛的應用需求。隨著半導體技術的突飛猛進，激光二極管泵浦固體激光器(DPSSL)逐步成熟，涌現(xiàn)出光纖激光器、薄片激光器、板條激光器等一大批新穎結構，功率及光束質量水平屢創(chuàng)新高。然而，受制于熱效應和非線性效應，單口徑輸出固體激光器的亮度水平始終有其上限。單增益模塊的高光束質量固體激光器功率水平普遍在數(shù)千瓦量級,即使采用了主振蕩-功放 (MOPA)結構和光束凈化等輔助技術，單口徑近衍射極限輸出的固體激光鏈路平均功率也只能達到數(shù)十千瓦量級。

相干合成是實現(xiàn)激光器亮度擴展的有效途徑。該技術通過相位鎖定，使多單元激光鏈路的輸出產生穩(wěn)定的干涉效果，提高了目標處激光能量集中度，在實現(xiàn)功率擴展的同時保證了系統(tǒng)的光束質量。光纖激光器結構緊湊、易于維護且光束質量優(yōu)越，因此目前國內外公開報道的相干合成技術大多針對光纖激光器進行研究。而塊狀固體激光器在大能量、高峰值功率和窄線寬等應用領域有其獨特的優(yōu)勢和巨大的潛力，其中板條激光器能夠憑借特殊的光路設計降低熱效應影響，是當前高能固體激光技術的發(fā)展熱點之一。

在國際上得到迅猛發(fā)展的大功率激光二極管列陣泵浦的固體激光器, DPL迅速走向市場, 器件的物理性能優(yōu)勢擴展為技術應用優(yōu)勢, 在軍事、工業(yè)、醫(yī)和科學研究的應用上嶄露鋒芒。高平均功率1000wDPL器件已試用于汽車工業(yè)加工; 25 Mw的DPL綠光器件實現(xiàn)了機載空一海通訊; 5 Mw的高重復頻率DPL器件成功地用于飛機和航天器測距, 使大地測繪技術發(fā)生革命性飛躍。

海灣戰(zhàn)爭后, DPL被西方國家列為戰(zhàn)術激光武器的發(fā)展重點。瓦量級L D 泵浦的摻T m-, Ho-，和Er-中紅外激光器, 以其高穩(wěn)定度和高光束質量的特點, 正用于眼科手術實驗; 瓦量級的單橫模DPL器件已用于精細機械加工和集成電路修復; 輸出mJ量級的單縱模調心和鎖模DPL器件被認為是最理想的注入種籽光源?？梢灶A言, 隨著激光二極管列陣(LDA ) 和DPL的發(fā)展, 激光產業(yè)將躍上一個新臺階。

DPL的早期研究多采用端面泵浦方式, 這是由于0.1mm尺度的LD可作為點光源處理,通過適當光學藕合能與固體激光器達到良好的模式匹配, 因此激光閩值低, 輸出效率高。隨著大功率激光二極管列陣的發(fā)展, 1 c m 尺度的一維、二維LDA端面泵浦碰到兩個難題: 一是面光源縱向光學禍合系統(tǒng)變得更加困難復雜, 對光學和機械精度要求越來越高; 二是端面泵浦光的高功率密度使局部固體激光介質產生熱透鏡和熱致雙折射效應。

側面泵浦模式復蓋度差, 激光閩值高, 效率低, 但是光學藕合簡單, 結構緊湊, 熱效應小且均勻, 適合大功率線陣和面陣的LD泵浦, 可獲得高功率激光輸出。近年來, 利用固體激光多次反射折疊腔以增加占空比, 或利用窄縫泵浦內側全反射方式以增加吸收, 均獲得較好的側面泵浦效果。

熔錐側面泵浦耦合是將多根裸光纖和去掉外包層的雙包層光纖纏繞在一起, 在高溫火焰中加熱使之熔化, 同時在光纖兩端拉伸光纖, 使光纖熔融區(qū)成為錐形過渡段, 能夠將泵浦光由多模光纖由雙包層光纖側面導入內包層, 從而實現(xiàn)定向側面泵浦耦合。

國內外用于通訊方面光纖無源器件-光纖定向耦合器主要用于光分路或者合路連接器,采用較為成熟的熔錐法生產, 工藝較簡單, 制作周期短, 適于實現(xiàn)微機控制的半自動化生產。但是, 這種用于通訊的單模光纖定向耦合器是將一路或一路以上輸入光信號按一定比例要求分配到兩路或多路輸出的光信號中去。其原理決定其只能進行對輸入信號光功率分配, 因此, 輸出的信號光功率必定小于輸入最大信號的光功率, 因而無法用于實現(xiàn)光功率的擴展。在雙包層光纖側面泵浦耦合技術中, 在錐形區(qū)耦合段需要將多模泵浦光纖的包層去除露出纖芯, 同時雙包層的外包層也要去除露出內包層, 并且要使之能夠融合在一起, 因此, 其生產工藝較為復雜, 雖然已有相關專利可供查詢參考, 但是最為重要的關鍵過程未見報道。DIGIOVANNI 等介紹了一種雙包層熔錐側面耦合器的生產工藝, 從中也可以看出, 其生產過程與目前的單模光纖耦合器有很大不同。國外已有一些能夠生產多模光纖側面耦合器, 例如美國的OFS , 他們已將此項術用于高功率的光纖激光器以及Raman 光纖放大器等領域.

該技術先將雙包層光纖外包層去除一小段, 然后在裸露的內包層刻蝕出一個V 槽, 槽的一個斜面用作反射面, 也可將兩個面都用于反射。泵浦光由半導體激光器經(jīng)微透鏡耦合, 使泵浦光在V 槽的側面匯聚,經(jīng)過側面反射后改變方向進入雙包層光纖內包層,從而沿著光纖的軸向傳輸。

為了提高耦合效率,V 槽側面的面型要求能夠對泵浦光全反, 此外, 還需在泵浦光入射的內包層一側增加一層襯底, 襯底材料的折射率應該與光纖內包層折射率相近, 并且可以加鍍增透膜。利用該側面泵浦耦合技術的光線激光放大器可以得到數(shù)瓦的激光輸出。GOLDBERG 等報道的耦合效率為76 %。

該側面泵浦耦合方式原理簡單, 但工藝加工要求卻很高, 因為V 槽的側面要作為反射面, 要對其進行拋光等相應處理。加工的時候還要避免對于纖芯的破壞, 因此, 要確保槽的精細結構。此外, 由于利用了微透鏡準直, LD 泵浦源、微透鏡以及雙包層光纖的相對位置對于耦合效率的影響較大。

嵌入反射鏡式泵浦耦合方式是在V 槽側面泵浦耦合方式上的改進,首先將雙包層光纖的外包層去除一小部分, 然后在內包層上刻蝕出一個小槽, 槽的深度足夠放入用來反射泵浦光的嵌入微反射鏡, 但是距纖芯還有一定距離, 以保證不破壞纖芯。嵌入的微反射鏡的反射面可以是平面或是根據(jù)優(yōu)化設計的曲面, 為了得到高的耦合效率, 其反射面事先鍍上了高反率的膜層, 入射面鍍了對泵浦光的增透膜。該技術中采用了光學膠用以將嵌入微反鏡的出射面和光纖內包層粘接固定, 同時光學膠還作為折射率匹配介質用來降低界面的反射損耗。LD 泵浦源應當與嵌入微反鏡足夠近, 以保證具有較大發(fā)散角的泵浦光能夠全部照射到微反鏡的反射面上。

嵌入反射鏡式泵浦耦合避免了V 槽側面泵浦耦合要求利用側面作為反光面的方式, 因此, 對于槽的加工要求大大降低, 但是仍要保證槽深不能破壞纖芯。KOPLOW 等利用此方式獲得了5 .2W(波長1064nm)和2 .6W(波長1550nm)的光纖激光輸出。

實驗獲得的嵌入反射鏡式泵浦耦合效率受x , y , z 3 個方向偏移失調量影響的曲線圖。實驗中采用了SDL-6380-A 多模半導體激光器作為泵浦源,其發(fā)光面為1μm ×100μm 長條形, 兩個方向發(fā)散角分別為28°和12°, 所用的雙包層光纖內包層為135μm ×135μm 正方形, 數(shù)值孔徑約0 .45 。

其基本原理是在雙包層光纖去一小段, 剝去涂敷層和外包層, 將內包層沿縱向進行磨拋, 得到小段用以泵浦耦合光的平面(對于內包層形狀為矩形、D型、六角形等雙包層光纖, 內包層已有窄平面, 如果平面寬度足夠, 可以不必磨拋雙包層光纖)。然后將端面按一定角度磨拋好的泵浦光纖的纖芯相對該平面緊密貼合并固定好兩纖的相對位置。泵浦光即可由泵浦光纖側面耦合進入雙包層光纖的內包層.

實際上, 由于泵浦光纖按一定角度磨拋好的端面并不能完全和雙包層光纖內包層緊貼, 因此, 還需要利用光學膠將其空隙填充。一方面光學膠能夠將泵浦光纖端面和內包層側面固定好, 另一方面又作為折射率匹配介質將泵浦光有效導入內包層中。由于采用了光學膠, 因此, 不必對內包層縱向進行磨拋而得到平面, 直接利用光學膠也可將泵浦光由內包層的彎曲側面導入。通常該側面泵浦耦合技術要求泵浦光纖端面的磨拋角A 較小(約10°), 對于光纖端面磨拋工藝提出了很高的要求。

利用該側面泵浦耦合方式獲得了高達90 %的耦合效率, 但是獲得的光纖激光輸出功率還未見有高于1W 的報道?？赡苁怯捎谠诟弑闷止β氏? 光學膠難以承受其功率密度而導致?lián)]發(fā)或分解所致。這里泵浦光纖的芯徑100μm, 數(shù)值孔徑0 .22 , 雙包層光纖的芯徑350μm , 數(shù)值孔徑0 .37 。與光纖角度磨拋側面泵浦耦合技術相類似的是微棱鏡來進行側面耦合, 但是微棱鏡寬度不能大于內包層的直徑, 因此, 給微棱鏡的加工帶來了技術上的困難。