側(cè)面泵浦板條激光器2概述

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(shù)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(yīng)嚴(yán)重、體積龐大等問題，進(jìn)入八十年代以來發(fā)展緩慢，逐漸被以半導(dǎo)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(dǎo)體量子阱結(jié)構(gòu)、LD堆棧等幾項(xiàng)重要技術(shù)突破的產(chǎn)生，以及半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)技術(shù)的日趨成熟，LD的各項(xiàng)性能不斷提升，同時(shí)成本不斷降低，推動(dòng)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(lǐng)域均獲得了廣泛的應(yīng)用，發(fā)揮著重要的作用。

在側(cè)面泵浦結(jié)構(gòu)中,泵浦光從垂直于冷卻表面和激光傳播平面的另一個(gè)平面注入,增加了泵浦光的吸收長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)泵浦面和冷卻面分離,簡(jiǎn)化激光頭的設(shè)計(jì)。同時(shí)由于冷卻液體不直接接觸增益介質(zhì),不會(huì)造成對(duì)板條的污染,整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械穩(wěn)定性也有所提高。2001年,斯坦福大學(xué)報(bào)導(dǎo)了LD側(cè)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(rèn)。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(dǎo)體泵浦的板條結(jié)構(gòu)中,常常采用光纖禍合輸出的激光進(jìn)行泵浦,這樣受LD禍合進(jìn)光纖的效率的限制,會(huì)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(shí)激光沿著介質(zhì)長(zhǎng)度方向行進(jìn)。當(dāng)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(jié)構(gòu)，此外還有大量功率在數(shù)十千瓦的相關(guān)報(bào)道。

側(cè)面泵浦結(jié)構(gòu)

側(cè)面泵浦結(jié)構(gòu)利用板條的上下兩個(gè)大面進(jìn)行泵浦，板條的厚度方向?yàn)楸闷止獾奈辗较?。激光增益介質(zhì)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(guān)系。

2000年日本大阪大學(xué)的Kato等人報(bào)道的側(cè)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(fù)頻率為 1kHz, 光束質(zhì)量為 M2=1.1，單脈沖能量為 0.5mJ。放大級(jí)增益介質(zhì) Nd:YAG 的端面切了多個(gè)斜角以實(shí)現(xiàn)之字形路，兩個(gè) LD 陣列由晶體側(cè)面泵浦，單程的小信號(hào)增益為 3.03。放大級(jí)通過外圍巧妙的光路設(shè)計(jì)使種子脈沖八次通過放大器，實(shí)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(chǔ)能提取效率達(dá)到 61%。

2002 年，美國(guó) TRW 實(shí)驗(yàn)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(gè)之字形板條增益模塊組成，采用 POPA 結(jié)構(gòu)(Power Oscillator Power Amplifier，功率振蕩器+功率放大器)。諧振腔含有 2 個(gè)增益模塊，使用簡(jiǎn)單的非穩(wěn)腔進(jìn)行模式控制。該非穩(wěn)腔的放大率為 1.7，長(zhǎng)度為 70cm。每個(gè)增益模塊的尺寸為 5×37×150mm，采用表面水冷、 側(cè)面泵浦的結(jié)構(gòu)。泵浦源為水冷的 LD 模塊，每個(gè)模塊包括 15 個(gè) LD 陣列，每個(gè)陣列有 16 個(gè) bar 條。這些準(zhǔn)連續(xù)的 bar 條以最大占空比 20%驅(qū)動(dòng)激光器。DP-25激光器共采用了 150 個(gè) 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(gè)放在諧振腔外的長(zhǎng)焦距柱面鏡校正，然后進(jìn)入第一級(jí)放大，接著依次穿過余下的兩個(gè)放大器。在重復(fù)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(zhì)量為 2.4 倍衍射極限。采用望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)矯正像散，使得激光光束在輸出時(shí)保持對(duì)稱，約 8mm×8mm 見方。

2003 年，英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院的 Minassian 等人報(bào)道了一種新型的掠入射結(jié)構(gòu)板條激光器。掠入射激光器作為一種特殊的側(cè)面泵浦激光器，利用增益介質(zhì)的強(qiáng)吸收特性將大部分泵浦能量集中在泵浦面附近一個(gè)很小的區(qū)域內(nèi)，實(shí)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(qiáng)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(zhì)量分別為 1.3 和 1.1。利用掠入射結(jié)構(gòu)高增益的特點(diǎn)，產(chǎn)生高重頻或低重頻脈沖的研究也取得了不錯(cuò)的進(jìn)展。

側(cè)面泵浦板條激光器

早期的板條激光器均由閃光燈進(jìn)行泵浦，一般采用大面泵浦、大面冷卻的結(jié)構(gòu)。1990 年，在 ICA-LEO 上報(bào)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(zhì)量為 3 倍衍射極限。 2005 年，美國(guó)達(dá)信公司(Textron)憑借其獨(dú)特的 ThinZag 技術(shù)實(shí)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(cè)面泵浦板條激光器的改進(jìn)版，板條介質(zhì)固定于兩石英窗口之間，冷卻液在窗口內(nèi)流動(dòng)，形成傳導(dǎo)冷卻格局。泵浦光垂直入射板條大表面，信號(hào)光則通過特殊光楔導(dǎo)入，在石英窗體之間沿 ZigZag 光路前進(jìn)。2010 年，該公司報(bào)道了采用 3 組 15kW 模塊實(shí)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(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)了超過 100kW 輸出。

固體激光器具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小巧、電力驅(qū)動(dòng)、無污染、成本低廉、續(xù)發(fā)能力強(qiáng)等諸多優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)加工、國(guó)防軍事和科學(xué)研究等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用需求。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的突飛猛進(jìn)，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(jié)構(gòu)，功率及光束質(zhì)量水平屢創(chuàng)新高。然而，受制于熱效應(yīng)和非線性效應(yīng)，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(zhì)量固體激光器功率水平普遍在數(shù)千瓦量級(jí),即使采用了主振蕩-功放 (MOPA)結(jié)構(gòu)和光束凈化等輔助技術(shù)，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(dá)到數(shù)十千瓦量級(jí)。

相干合成是實(shí)現(xiàn)激光器亮度擴(kuò)展的有效途徑。該技術(shù)通過相位鎖定，使多單元激光鏈路的輸出產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉效果，提高了目標(biāo)處激光能量集中度，在實(shí)現(xiàn)功率擴(kuò)展的同時(shí)保證了系統(tǒng)的光束質(zhì)量。光纖激光器結(jié)構(gòu)緊湊、易于維護(hù)且光束質(zhì)量?jī)?yōu)越，因此目前國(guó)內(nèi)外公開報(bào)道的相干合成技術(shù)大多針對(duì)光纖激光器進(jìn)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(yīng)用領(lǐng)域有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和巨大的潛力，其中板條激光器能夠憑借特殊的光路設(shè)計(jì)降低熱效應(yīng)影響，是當(dāng)前高能固體激光技術(shù)的發(fā)展熱點(diǎn)之一。

在國(guó)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(chǎng), 器件的物理性能優(yōu)勢(shì)擴(kuò)展為技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì), 在軍事、工業(yè)、醫(yī)和科學(xué)研究的應(yīng)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(shí)現(xiàn)了機(jī)載空一海通訊; 5 Mw的高重復(fù)頻率DPL器件成功地用于飛機(jī)和航天器測(cè)距, 使大地測(cè)繪技術(shù)發(fā)生革命性飛躍。

海灣戰(zhàn)爭(zhēng)后, DPL被西方國(guó)家列為戰(zhàn)術(shù)激光武器的發(fā)展重點(diǎn)。瓦量級(jí)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(zhì)量的特點(diǎn), 正用于眼科手術(shù)實(shí)驗(yàn); 瓦量級(jí)的單橫模DPL器件已用于精細(xì)機(jī)械加工和集成電路修復(fù); 輸出mJ量級(jí)的單縱模調(diào)心和鎖模DPL器件被認(rèn)為是最理想的注入種籽光源?？梢灶A(yù)言, 隨著激光二極管列陣(LDA ) 和DPL的發(fā)展, 激光產(chǎn)業(yè)將躍上一個(gè)新臺(tái)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(diǎn)光源處理,通過適當(dāng)光學(xué)藕合能與固體激光器達(dá)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(gè)難題: 一是面光源縱向光學(xué)禍合系統(tǒng)變得更加困難復(fù)雜, 對(duì)光學(xué)和機(jī)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(zhì)產(chǎn)生熱透鏡和熱致雙折射效應(yīng)。

側(cè)面泵浦模式復(fù)蓋度差, 激光閩值高, 效率低, 但是光學(xué)藕合簡(jiǎn)單, 結(jié)構(gòu)緊湊, 熱效應(yīng)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(nèi)側(cè)全反射方式以增加吸收, 均獲得較好的側(cè)面泵浦效果。

熔錐側(cè)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(shí)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?qū)⒈闷止庥啥嗄９饫w由雙包層光纖側(cè)面導(dǎo)入內(nèi)包層, 從而實(shí)現(xiàn)定向側(cè)面泵浦耦合。

國(guó)內(nèi)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(chǎn), 工藝較簡(jiǎn)單, 制作周期短, 適于實(shí)現(xiàn)微機(jī)控制的半自動(dòng)化生產(chǎn)。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(hào)按一定比例要求分配到兩路或多路輸出的光信號(hào)中去。其原理決定其只能進(jìn)行對(duì)輸入信號(hào)光功率分配, 因此, 輸出的信號(hào)光功率必定小于輸入最大信號(hào)的光功率, 因而無法用于實(shí)現(xiàn)光功率的擴(kuò)展。在雙包層光纖側(cè)面泵浦耦合技術(shù)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(shí)雙包層的外包層也要去除露出內(nèi)包層, 并且要使之能夠融合在一起, 因此, 其生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜, 雖然已有相關(guān)專利可供查詢參考, 但是最為重要的關(guān)鍵過程未見報(bào)道。DIGIOVANNI 等介紹了一種雙包層熔錐側(cè)面耦合器的生產(chǎn)工藝, 從中也可以看出, 其生產(chǎn)過程與目前的單模光纖耦合器有很大不同。國(guó)外已有一些能夠生產(chǎn)多模光纖側(cè)面耦合器, 例如美國(guó)的OFS , 他們已將此項(xiàng)術(shù)用于高功率的光纖激光器以及Raman 光纖放大器等領(lǐng)域.

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

為了提高耦合效率,V 槽側(cè)面的面型要求能夠?qū)Ρ闷止馊? 此外, 還需在泵浦光入射的內(nèi)包層一側(cè)增加一層襯底, 襯底材料的折射率應(yīng)該與光纖內(nèi)包層折射率相近, 并且可以加鍍?cè)鐾改?。利用該?cè)面泵浦耦合技術(shù)的光線激光放大器可以得到數(shù)瓦的激光輸出。GOLDBERG 等報(bào)道的耦合效率為76 %。

該側(cè)面泵浦耦合方式原理簡(jiǎn)單, 但工藝加工要求卻很高, 因?yàn)閂 槽的側(cè)面要作為反射面, 要對(duì)其進(jìn)行拋光等相應(yīng)處理。加工的時(shí)候還要避免對(duì)于纖芯的破壞, 因此, 要確保槽的精細(xì)結(jié)構(gòu)。此外, 由于利用了微透鏡準(zhǔn)直, LD 泵浦源、微透鏡以及雙包層光纖的相對(duì)位置對(duì)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(cè)面泵浦耦合方式上的改進(jìn),首先將雙包層光纖的外包層去除一小部分, 然后在內(nèi)包層上刻蝕出一個(gè)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(shè)計(jì)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(duì)泵浦光的增透膜。該技術(shù)中采用了光學(xué)膠用以將嵌入微反鏡的出射面和光纖內(nèi)包層粘接固定, 同時(shí)光學(xué)膠還作為折射率匹配介質(zhì)用來降低界面的反射損耗。LD 泵浦源應(yīng)當(dāng)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(cè)面泵浦耦合要求利用側(cè)面作為反光面的方式, 因此, 對(duì)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(zhǎng)1064nm)和2 .6W(波長(zhǎng)1550nm)的光纖激光輸出。

實(shí)驗(yàn)獲得的嵌入反射鏡式泵浦耦合效率受x , y , z 3 個(gè)方向偏移失調(diào)量影響的曲線圖。實(shí)驗(yàn)中采用了SDL-6380-A 多模半導(dǎo)體激光器作為泵浦源,其發(fā)光面為1μm ×100μm 長(zhǎng)條形, 兩個(gè)方向發(fā)散角分別為28°和12°, 所用的雙包層光纖內(nèi)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?nèi)ネ糠髮雍屯獍鼘? 將內(nèi)包層沿縱向進(jìn)行磨拋, 得到小段用以泵浦耦合光的平面(對(duì)于內(nèi)包層形狀為矩形、D型、六角形等雙包層光纖, 內(nèi)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(duì)該平面緊密貼合并固定好兩纖的相對(duì)位置。泵浦光即可由泵浦光纖側(cè)面耦合進(jìn)入雙包層光纖的內(nèi)包層.

實(shí)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(nèi)包層緊貼, 因此, 還需要利用光學(xué)膠將其空隙填充。一方面光學(xué)膠能夠?qū)⒈闷止饫w端面和內(nèi)包層側(cè)面固定好, 另一方面又作為折射率匹配介質(zhì)將泵浦光有效導(dǎo)入內(nèi)包層中。由于采用了光學(xué)膠, 因此, 不必對(duì)內(nèi)包層縱向進(jìn)行磨拋而得到平面, 直接利用光學(xué)膠也可將泵浦光由內(nèi)包層的彎曲側(cè)面導(dǎo)入。通常該側(cè)面泵浦耦合技術(shù)要求泵浦光纖端面的磨拋角A 較小(約10°), 對(duì)于光纖端面磨拋工藝提出了很高的要求。

利用該側(cè)面泵浦耦合方式獲得了高達(dá)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(bào)道?？赡苁怯捎谠诟弑闷止β氏? 光學(xué)膠難以承受其功率密度而導(dǎo)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(cè)面泵浦耦合技術(shù)相類似的是微棱鏡來進(jìn)行側(cè)面耦合, 但是微棱鏡寬度不能大于內(nèi)包層的直徑, 因此, 給微棱鏡的加工帶來了技術(shù)上的困難。