在側面泵浦結構中,泵浦光從垂直於冷卻表面和雷射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採用水冷熱沉的冷卻方式,實現泵浦面和冷卻面分離,簡化雷射頭的設計。
基本介紹
- 中文名：側面泵浦板條雷射器
- 外文名：sidepumped slab disk laser
1背景資料,2概述,
1背景資料
固體雷射器具有結構緊湊、體積小巧、電力驅動、無污染、成本低廉、續發能力強等諸多優勢，在工業加工、國防軍事和科學研究等領域有著廣泛的套用需求。隨著半導體技術的突飛猛進，雷射二極體泵浦固體雷射器(DPSSL)逐步成熟，湧現出光纖雷射器、薄片雷射器、板條雷射器等一大批新穎結構，功率及光束質量水平屢創新高。然而，受制於熱效應和非線性效應，單口徑輸出固體雷射器的亮度水平始終有其上限。單增益模組的高光束質量固體雷射器功率水平普遍在數千瓦量級,即使採用了主振盪-功放 (MOPA)結構和光束淨化等輔助技術，單口徑近衍射極限輸出的固體雷射鏈路平均功率也只能達到數十千瓦量級。
相干合成是實現雷射器亮度擴展的有效途徑。該技術通過相位鎖定，使多單元雷射鏈路的輸出產生穩定的干涉效果，提高了目標處雷射能量集中度，在實現功率擴展的同時保證了系統的光束質量。光纖雷射器結構緊湊、易於維護且光束質量優越，因此目前國內外公開報導的相干合成技術大多針對光纖雷射器進行研究。而塊狀固體雷射器在大能量、高峰值功率和窄線寬等套用領域有其獨特的優勢和巨大的潛力，其中板條雷射器能夠憑藉特殊的光路設計降低熱效應影響，是當前高能固體雷射技術的發展熱點之一。
在國際上得到迅猛發展的大功率雷射二極體列陣泵浦的固體雷射器, DPL迅速走向市場, 器件的物理性能優勢擴展為技術套用優勢, 在軍事、工業、醫和科學研究的套用上嶄露鋒芒。高平均功率1000wDPL器件已試用於汽車工業加工; 25 Mw的DPL綠光器件實現了機載空一海通訊; 5 Mw的高重複頻率DPL器件成功地用於飛機和太空飛行器測距, 使大地測繪技術發生革命性飛躍。
海灣戰爭後, DPL被西方國家列為戰術雷射武器的發展重點。瓦量級L D 泵浦的摻T m-, Ho-，和Er-中紅外雷射器, 以其高穩定度和高光束質量的特點, 正用於眼科手術實驗; 瓦量級的單橫模DPL器件已用於精細機械加工和積體電路修復; 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。可以預言, 隨著雷射二極體列陣(LDA ) 和DPL的發展, 雷射產業將躍上一個新台階。
DPL的早期研究多採用端面泵浦方式, 這是由於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雷射器達到良好的模式匹配, 因此雷射閩值低, 輸出效率高。隨著大功率雷射二極體列陣的發展, 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變得更加困難複雜, 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雷射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, 雷射閩值高, 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, 可獲得高功率雷射輸出。近年來, 利用固體雷射多次反射摺疊腔以增加占空比, 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。
2概述
在為固體雷射器提供能量的泵浦源方面，固體雷射器發展的早期普遍採用技術較為成熟的閃光燈來泵浦。然而燈泵雷射器自身存在效率低、熱效應嚴重、體積龐大等問題，進入八十年代以來發展緩慢，逐漸被以半導體雷射二極體（Laser Diode, LD）為泵浦源的固體雷射器所取代。隨著半導體量子阱結構、LD堆疊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，推動了二極體泵浦固體雷射器，尤其是二極體泵浦板條雷射器的飛速發展，具有高功率、高亮度等優異性能的雷射器不斷湧現，在工業、醫療、軍事、科研等領域均獲得了廣泛的套用，發揮著重要的作用。
在側面泵浦結構中,泵浦光從垂直於冷卻表面和雷射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採用水冷熱沉的冷卻方式,實現泵浦面和冷卻面分離,簡化雷射頭的設計。同時由於冷卻液體不直接接觸增益介質,不會造成對板條的污染,整個系統的機械穩定性也有所提高。2001年,史丹福大學報導了LD側面泵浦的Yb:YAG和Nd:YAG板條雷射器。摻雜濃度一%,尺寸l.45x4.57x35.7mm3的Nd:認。板條雷射器,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板條雷射器,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,常常採用光纖禍合輸出的雷射進行泵浦,這樣受LD禍合進光纖的效率的限制,會降低系統的整體效率。
板條雷射器是目前功率水平最高的固體雷射器，其外形呈板條狀，工作時雷射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雷射系統均採用了板條結構，此外還有大量功率在數十千瓦的相關報導。
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。雷射增益介質的泵浦面與雷射通光面不共面，泵浦光方向與雷射方向不平行，通常是垂直的關係。
2000年日本大阪大學的Kato等人報導的側面泵浦八通板條雷射器的示意圖。振盪器輸出的種子脈衝重複頻率為 1kHz, 光束質量為 M2=1.1，單脈衝能量為 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衝八次通過放大器，實現了能量的充分提取。該雷射系統獲得了平均功率為 68W 的脈衝輸出，儲能提取效率達到 61%。
2002 年，美國 TRW 實驗室研製出 2.4 倍衍射極限的 5.4kW 輸出的二極體泵浦 Nd:YAG 板條雷射器：DP-25。該雷射器由 5 個之字形板條增益模組組成，採用 POPA 結構（Power Oscillator Power Amplifier，功率振盪器+功率放大器）。諧振腔含有 2 個增益模組，使用簡單的非穩腔進行模式控制。該非穩腔的放大率為 1.7，長度為 70cm。每個增益模組的尺寸為 5×37×150mm，採用表面水冷、 側面泵浦的結構。泵浦源為水冷的 LD 模組，每個模組包括 15 個 LD 陣列，每個陣列有 16 個 bar 條。這些準連續的 bar 條以最大占空比 20%驅動雷射器。DP-25雷射器共採用了 150 個 LD 陣列，總峰值功率為 120kW，平均功率為 24kW。振盪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，然後進入第一級放大，接著依次穿過餘下的兩個放大器。在重複頻率 400Hz，脈衝寬度 0.5ms的泵浦脈衝下，DP-25 雷射器的輸出功率為 5.4kW，單脈衝能量為 13.5J，光束質量為 2.4 倍衍射極限。採用望遠鏡結構矯正像散，使得雷射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 等人報導了一種新型的掠入射結構板條雷射器。掠入射雷射器作為一種特殊的側面泵浦雷射器，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域內，實現了泵浦光束和雷射光束較好的模式匹配，從而易於獲得基模雷射輸出。該板條雷射器使用強吸收晶體 Nd:YVO4，獲得了 26.1W 的多模輸出，光光效率大於 68%，並在 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衝的研究也取得了不錯的進展。
側面泵浦板條雷射器
早期的板條雷射器均由閃光燈進行泵浦，一般採用大面泵浦、大面冷卻的結構。1990 年，在 ICA-LEO 上報導閃光燈泵浦的板條雷射器連續最高輸出功率為 1.2kW，光束質量為 3 倍衍射極限。 2005 年，美國達信公司(Textron)憑藉其獨特的 ThinZag 技術實現了單模組15kW，近衍射極限的高能雷射輸出。ThinZag 模組可以視為是側面泵浦板條雷射器的改進版，板條介質固定於兩石英視窗之間，冷卻液在視窗內流動，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，該公司報導了採用 3 組 15kW 模組實現單口徑輸出 30kW，3.3 倍衍射極限的高能雷射，同年，通過 6 組模組級聯實現了超過 100kW 輸出。
