板條結構的介質冷卻面大,沿板條厚度方向基本可以近似為一維溫度梯度。其x軸為板條的寬度方向,y軸為板條的厚度方向,z軸為板條的長度方向。
基本介紹
- 中文名：端面泵浦板條雷射器
- 外文名：endpumped slab disk laser
背景介紹,板條雷射器,產品簡介,結構,發展狀況,
背景介紹
半導體泵浦固體雷射器(DPSSL),最早起源於六十年代,早期的發展一直因效率低和熱效應大而受到限制。1963年,GaAsLD問世後的第二年,Ne~an最早提出了用波長在800~goolun之間的LD作為固體雷射介質泵浦源的構想,接著美國林肯實驗室(MIT)的R.J.Keynes等人用84onrn的Ln泵浦u:C叮:晶體,製成了世界上第一台LD泵浦的固體雷射器。1968年,麥道宇航公司的M.Ross等人用GaAsLD泵浦Nd:YAG晶體,最早實現了LD泵浦的Nd:YAG雷射器。但是使所需的LD必須冷卻到170K以實現波長匹配。早期的LD泵浦源由於穩定性差,轉換效率低,壽命比閃光燈短,且需在液氦溫度下方可連續運轉,因此DPSSL未引起人們的充分認識。
板條雷射器
傳統的固體雷射器都加工成長而細的棒狀形式,這種棒狀雷射介質在承受熱負荷時,徑向的溫度梯度使棒呈現出光學畸變,它包括熱聚焦、應力感生雙軸聚焦和應力感生雙折射。這些熱效應嚴重影響了輸出光束的光束質量,限制了雷射器的功率,在高平均功率泵浦下,這些熱效應的影響甚至會使增益介質在熱應力作用下出現破裂,這些缺陷都會限制雷射的輸出功率。棒結構的負面影響在很早就受到了重視,並得到了廣泛的研究,在此基礎上改進和發展了板條雷射器、碟片雷射器和光纖雷射器等技術。
上世紀八十年代,由於量子阱的出現,二極體雷射器技術實現了突破,不但提高了LD的增益係數,而且使得在室溫下闌值電流減小,線寬變窄,效率提高,極大地降低了LD的閉值電流,大幅度提高了輸出功率,因而DPSSL工作上了一個新台階。此外二極體陣列的出現以及封裝工藝和冷卻技術的迅速發展,使DPSSL研究成為世界範圍內新的熱點。同時,DPSSL在理論和實驗研究方面都獲得了迅速發展,主要研究內容涉及到泵浦方式、鎖模、鎖相、調Q、倍頻、熱效應、主振盪一功率放大器(MasterOseillatorandpowerAmplifier,MoPA)系統、禍合光學系統、增益介質的冷卻等物理和技術問題。
產品簡介
對於高亮度大功率全固態雷射器,既要求大功率輸出,又要求輸出雷射具有高亮度的特性,還要求保持雷射器的緊湊性,三者之間存在著互相制約的矛盾。為使雷射器大功率輸出,就要增大雷射介質的孔徑;而增大了雷射介質的孔徑,就難以獲得基模輸出,光束質量因子MZ變得很大,雷射腔也需拉長。因此,要實現同時滿足大功率輸出,又同時具有高光束質量的全固態雷射器的研究成為一個難題。
板條結構的介質冷卻面大,沿板條厚度方向基本可以近似為一維溫度梯度。其x軸為板條的寬度方向,y軸為板條的厚度方向,z軸為板條的長度方向。在忽略邊緣效應的條件下,如果採用板條的大面冷卻,熱梯度和熱應力主要發生在y方向。因此,在x,y方向上線偏振光不會出現應力雙軸聚焦和退偏損耗。但是板狀雷射介質仍起著圓柱薄透鏡的作用,其焦距比棒狀雷射介質短2倍左右。如果使光束沿著219一Zag光路傳播,理論上就可消除板中的圓柱聚焦。在219一Zag光路中,光束與xz平面成一定角度入射,入射後光束在介質的上下表面來回全反射向前傳播,整個光路呈“Z”形結構。當光束從板條的一個表面反射到另一個表面時,光束波前的所有部分都渡越了表面之間的相同溫度梯度,所以與溫度有關的折射率變化不會引起光學畸變。在理想的條件下,熱畸變效應在基質材料內可以得到充分補償。1
1969年美國通用電器公司提出板條雷射器的概念,使用面泵浦的板條狀晶體,通過合理設計219一Zag光路,消除一階熱聚焦、應力雙折射和退偏效應,得到了更好的光束質量和更高的平均輸出功率。另外,板條雷射器理論上僅受限於雷射介質的應力斷裂極限,從而可以開發出一些具有很大的熱透鏡效應而不宜做棒狀的雷射玻璃和晶體介質。從20世紀70年代初開始,板條雷射器的研究工作就受到各國的重視,美國、西歐、日本等都紛紛投資發展千瓦級甚至萬瓦級的固體板條雷射器,西歐尤里卡計畫的固體雷射規劃中將板條YAG雷射器作為3kw高功率工業用固體雷射器的選擇方案.
早期板條雷射器利用閃光燈泵浦,因此大多採用大面泵浦的結構。工作物質內溫度梯度是一維分布的,只存在於y方向上,因而不易產生熱致雙折射從而防止熱退偏。為了消除熱透鏡的影響,將兩個端面切割成布儒斯特角,並將介質的兩個大面也拋光。1990年,在ICA一LEO上報導閃光燈泵浦的板條雷射器連續最高輸出1.2kw,光束質量為3倍衍射極限。
但是這種板條增益介質加工時,要求兩個大面的平行度和光潔度都很高,這使加工變得困難且機械安裝也變得複雜。採用直接水冷來散熱,由於冷卻液體直接接觸增益介質,容易造成板條表面的污染,因此要求冷卻液的純淨。此外,兩個大面之間還容易產生寄生振盪,使雷射效率降低。並且類似於圓棒結構,當對雷射增益介質板條進行面冷卻並達到熱平衡狀態時,沿泵浦方向的溫度分布近似地呈拋物線狀,同樣也會出現類似於圓棒結構的光束質量變差等問題。LD泵浦推動了板條固體雷射器向更高功率發展。在LD泵浦的板條雷射器中,為了克服大面泵浦結構中泵浦面和冷卻面重合而造成的機械加工方面的困難,採取側面泵浦方式,相應可採取熱沉水冷冷卻方式.
1997 年，德國夫朗禾費雷射技術所杜可明等人，在一體化的板條中部，使泵浦光本身形成一個微型增益區，因此被稱作部分端面泵浦板條雷射器(INNOSLAB)。2010，Edgewave 公司已經推出了功率 600W，M因子小於 2 的高能高光束質量 INNOSLAB 雷射器。
國內針對部分端面泵浦板條雷射器進行研究的單位很多，早在 2003 年，上海光機所的石鵬等人就採用相同的結構利用 1×10×12 mm的 Nd:YVO4 晶體，獲得了輸出功率 110 W，M因子小於 1.3 和 1.5 的雷射輸出。
結構
板條雷射放大器的種類多樣,以雷射材料介質劃分,常見的主要有:釹玻璃、Nd:YAG、Yb:YAG、Nd:YV04、Nd:YLF;以泵浦抽運方式劃分,常見的主要有:端面泵浦方式、側面泵浦方式、側邊泵浦方式、角泵浦方式等。
對於傳統的固體雷射器來說,熱效應是限制雷射輸出高功率、高光束質量的最主要原因,這是因為晶體增益介質的尺寸形狀導致了在晶體內部必然會有較強的熱效應。為了改善這一問題,薄片雷射器和板條雷射器應運而生,都是從結構上具有良好的設計。但板條雷射器有所不同於薄片雷射器,它是在雷射振盪垂直方向上將晶體進行壓縮,晶體介質的厚度一般是在毫米數量級。板條雷射放大器自從上世紀60年代以來已經取得了快速發展,在泵浦源為閃光燈時,板條雷射器就己經實現千瓦量級的輸出功率。而且隨著二極體泵浦板條雷射放大器技術的飛速發展,其輸出功率已得到了進一步的提高,尤其是隨著部分端面泵浦板條雷射器的提出,光束質量也比傳統的固體雷射器有了很大的提高雷射輸出能獲得近似衍射極限效果。
泵浦光從左右兩個端面抽運照射晶體;釆用水冷熱沉對上下兩個大面進行散熱,帶走內部積累的熱量。泵浦光模體積和諧振腔在這種泵浦方式下均能實現良好的匹配。在泵浦均勻比較理想的情況下,只在y方向上即垂直晶體上下兩個大面的方向上才存在溫度梯度,也就是溫度梯度在工作介質內是呈一維分布的。這種溫度場只呈現一維分布,因此熱致雙折射不易產生從而有效防止了熱退偏現象發生,但熱透鏡效應會出現在豎直方向上。板條晶體通常把兩個雷射輸出端面切割成布儒斯特角,並且拋光安裝有水冷熱沉的兩個大面,以達到消除熱透鏡影響的目的,這樣使得在板條晶體內振盪雷射通在兩個大面內全反射走之字形路線傳播,讓光束在垂直方向上的不同熱效應經過不同區域內疊加而相互抵消,從而實現使熱透鏡減弱甚至消除的目的。可在實際狀況中,穩定的均勻泵浦很難實現,這就導致熱效應現象不止限於一維問題,而是更加複雜的三維問題,熱應力雙折射現象也突顯出來。因為在X方向上同樣也存在溫度梯度,這樣使板條晶體在兩個方向的光學特性都會發生變化,光束在兩個偏振方向上的熱效應影響也不盡相同。
發展狀況
1997 年，德國 K. M. Du 等人，利用LD端面泵浦Nd:YAG板條，通過光束整形實現了40W 的雷射輸出，光-光轉換效率44%，斜效率55%。第二年，他們又提出了一種新型的固體雷射器結構，稱為雷射二極體部分端面泵浦混合腔板條雷射器（InnoSlab 雷射器）。部分端面泵浦指的是將泵浦光進行光束變換後入射至晶體端面，泵浦光只泵浦了晶體的一部分，而不充滿整個晶體，通常整形為截面為細條狀長方形且光強分布均勻的光斑，使得晶體中央的增益層呈薄片狀，從而與雷射模體積實現有較好的匹配。板條結構的晶體比棒狀晶體有更大的散熱面，可以有效的降低晶體的熱效應導致的熱透鏡效應和熱致雙折射效應，有利於提高雷射輸出功率和改善雷射光束質量。由於通光面與冷卻面的分離使得晶體的光學加工的難度也隨之降低。而混合腔指在增益介質厚度方向上，採用可以使泵浦光與雷射模體積的匹配較好的穩腔結構，能使雷射輸出高光束質量得到改善；而在增益介質的寬度方向上，採用具有很好地選模作用離軸共焦非穩腔，可以在該方向上得到近似平行光的雷射輸出，該結構雷射器輸出雷射的光束質量在兩個方向上都具有近衍射極限的特點。InnoSlab 結構雷射器具有輸出雷射功率高和光束質量好的特點，開始成為人們廣泛研究的對象。
2004 年，H. Zhang 等人通過對 Nd:YLF 板條晶體脈衝泵浦，混合腔結構下實現雷射輸出近衍射極限，重複頻率為500Hz時，單脈衝能量為14.3mJ，脈衝寬8.5ns。2008 年，他們又採用兩塊Nd:YLF 板條，也使用混合腔結構實現了近衍射極限的調 Q 脈衝輸出，重複頻率為 1kHz 時，最大脈衝能量為 24.2mJ。
北京理工大學的 P. Shi 等人採用端面泵浦 Nd:YVO4板條混合腔結構，實現110W 的雷射輸出，兩個方向的 M2分別為 1.3 和 1.5，光-光轉換效率達 44%，斜率效率 59%。通過腔外準直聚焦和小孔組合成的空間濾波器，最佳化光束質量當輸出功率為 50W 時，M2因子分別為1.09 和1.2。2009 年，他們通過 LD 端面泵浦 Nd:YVO4板條雷射器，採用混合腔結構，實現了 35.4W 的 1342nm 的雷射輸出，光-光轉換效率 25.4%。當輸出功率為 29W 時，不穩定方向 M2約為1.2，穩定方向為1.3。由於 1342nm為光通信波段，引起了人們極大的興趣。2008 年，P. Zhu 研究小組又利用兩塊端面泵浦的 Nd:YAG 板條及穩定-非穩定混合腔結構，獲得了 189W 連續雷射輸出，重複頻率為 10kHz 時，調 Q 平均輸出功率為 169W。
國內外對1μm波段的板條雷射器進行了大量研究，但是2μm波段的端面泵浦板條雷射器報導較少。
2006年，S. So等人研究了1.5×9×20mm的Tm(2 at.%):YLF板條雷射器，板條後端面對泵浦光高反，通過0.1mm厚的銦箔夾在兩塊水冷紫銅熱沉之間，溫度控制在16ºC。6個巴條組成的LD陣列最大泵浦功率為300W，中心波長在792nm，通過柱透鏡組成的望遠鏡系統將入射到板條慢方向的光直徑壓縮為8mm。在經過另一塊柱透鏡在快方向的腰斑直徑為0.74mm。諧振腔由對振盪光高反、泵浦光高透的平面輸入鏡和曲率200mm、透過率13%的輸出耦合鏡組成，腔長為50mm。在板條孔徑方向雷射模式為超高斯形狀，垂直方向近似為高斯形狀，對應的光束質量因子M2分別為350和3.5。雷射器實現了單塊Tm:YLF板條68W的1.91μm的雷射輸出，斜效率為44%，閾值約為47W。
