激光二極管端面抽運的焦耳級10Hz_V_型水冷Yb_YAG激講解

1、第37卷第1期中國激光V ol.37,N 0.12010 年 1 月CHINESE JOURNAL O F LASERSJa nuary,2010文章編號：0258 7025（201001 0044 05激光二極管端面抽運的焦耳級10Hz V型水冷Y b:Y AG激光器段文濤蔣新穎蔣東鑌鄭建剛李明中於海武（中國工程物理研究院激光聚變研究中心，四川綿陽621900摘要為研究激光二極管抽運的大能量重復(fù)頻率Yb:Y A G激光器的關(guān)鍵單元技術(shù),建立了焦耳級10H z V型有源鏡（AM構(gòu)型丫 b:Y AG激光器。設(shè)計了一套空心導(dǎo) 管抽運耦合系統(tǒng)，獲得了 90%的抽運耦合效率。設(shè)計了水冷增益介質(zhì)的熱管理

2、方 案,10Hz自由振蕩模式工作時獲得3.3J激光輸出，光光轉(zhuǎn)換效率27.5%,相對1H z重 復(fù)頻率工作（4.4J能量僅下降了 25%。對正、背面抽運兩種構(gòu)型的實驗研究結(jié)果 表明,正面抽運對介質(zhì)熱效應(yīng)的抑制弱于 背面抽運,與計算結(jié)果一致，但正面抽運 效率高，無鍍膜難題，更有利于工程化。關(guān)鍵詞 固體激光器；激光二極管抽運；Y b:Y AG晶體;熱管理中圖分類號 T N248.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A do i :10.3788/CJL 20103701.004410Hz Joule Class Laser Diode End Pumpe d V Shap ed Water Coole dY b:Y

3、AG OscillatorDuan Wen tao Jia ng Xinying Jia ng Dongbin Zheng Jia ngang Li Min gzho ng Yu Haiwu(Resea r ch Cen ter of La ser F usi on ,Ch in a Aca dem y of En gin eer ing Phy sics ,Mia ny an g ,Sichua n 621900,Chin a Ab stract In order to study the key problems of rep rated high power laser diode pu

4、med Yb:YAG laser,a 10Hz joule class V shaped water c ooled Yb:YAG oscillator with active mirror (AMc on figurati on is dem on strated.A n effic ient hollow duct c oupli ng system for 12kW L D was desig ned and the coupli ng efficiency is 90%.3.3J /10Hz output energy with 27.5%optica l optical effic

5、iency has been achieved in free running regime,which shows that the thermal effects within the Yb:YAG crystal are well m an aged by the cooli ng system of the laser hea d compared with 4.4J /1Hz output energy.The experim ental results about two kinds of pumping architectures show that the front pump

6、ed a rchitecture is less effec tive to dec rease the average temperature and its gradient within the gain medium than the rear pum ped arc hitecture which accords basically with our predict ion ,but the front pumped is more efficie nt and has no dic hroma t ic coati ng !issues which are helpful to b

7、e impleme nted ea sily.Key words solid state laser;laser diode pumped;Yb:YAG crystal;thermal man ageme nt收稿日期:2009 02 12收到修改稿日期:2009 04 08作者簡介:段文濤(1982?,男,研究實習(xí)員，主要從事高功率固體激光器方面的研究工作。E mai:mofeie126.co m1引言20世紀(jì)90年代以來,得益于高功率InGaAs (900980nm激光二極管(LD的發(fā)展 及價格的日趨降低，中心吸收譜在940nm附近的Yb離子的激光性能得到了廣泛的 研究。Yb離子能級結(jié)構(gòu)簡

8、單，電子構(gòu)型為4f 13,僅有一個基態(tài)2F 7/2和一個激發(fā)態(tài) 2F5/2，抽運和激光躍遷發(fā)生于基態(tài)和激發(fā)態(tài)Stark分裂子能級之間，與Nd離子相比，不存在濃度猝滅、激發(fā)態(tài)吸收、上能級轉(zhuǎn)換等不利因素，而且Yb介質(zhì)的長熒光壽命更有利于儲能。然而在室溫下Yb離子屬于準(zhǔn)三能級結(jié)構(gòu)，抽運飽和強度很高，為獲得高的系統(tǒng)效率，需要較 高的抽運強度，目前常見LD陣列發(fā)光強度僅1kW /cm 2量級，而常溫下脈沖儲能器所需抽運強度高達(dá) 1020kW /cm 2以上,因此如何實 現(xiàn)LD抽運光的高效耦合是Yb激光系統(tǒng)需解決的關(guān)鍵技術(shù)之一；而且由于Yb離子 的激光下能級有一定的熱布居數(shù)（服從玻爾茲曼熱分布，激光性能對

9、介質(zhì)的溫度十分 敏感，這又對重復(fù)頻率高強度抽運下的增益介質(zhì)熱管理技術(shù)提出挑戰(zhàn)。目前,國內(nèi)對Yb激光器的研究主要在超短脈沖1期段文濤等：二極管端面抽運的焦耳級10H z V型水冷丫 b:Y AG激光器z-axiswindowpum103Q nmHR)030 tun HR940 nm0*water產(chǎn)生、寬帶調(diào)諧和連續(xù)運轉(zhuǎn)的高平均功率激光器等方面14,而關(guān)于重復(fù)頻率脈沖儲能器件的研究報道較少。美國勞倫斯#利弗莫爾實驗室（LLNL、德國Jena 大學(xué)、法國Luli實驗室分別采用Yb:SFAP,Yb:FP glass,Yb:YAG等激光介質(zhì)建立 Mercury,Polaris,Lucia等納秒級重復(fù)頻率

10、大能量（100J級的激光裝置68,以開展慣 性聚變能（IFE基礎(chǔ)預(yù)先研究和重復(fù)頻率脈沖波（PW抽運源技術(shù)研究。本文利用峰 值功率12kW的LD陣列和Yb:YAG晶體建立了 10H z焦耳級端面抽運Yb:YAG 激光器實驗平臺，為下階段100J級重復(fù)頻率（10H z脈沖Yb:YAG激光器探索關(guān)鍵技 術(shù)，也為開展IFE激光驅(qū)動器技術(shù)基礎(chǔ)研究和為未來重復(fù)頻率PW項目的抽運源探索新的技術(shù)途徑。2實驗裝置激光器由LD抽運源、抽運光耦合系統(tǒng)、激光頭和諧振腔組成。增益介質(zhì)為 10mm ?3mm，摻雜原子數(shù)分?jǐn)?shù)為5%的Yb:YAG晶體。抽運源為DILAS公司生產(chǎn) 的QCW InGaAs激光二極管陣列，室溫下驅(qū)

11、動電流120A，脈沖寬度與Yb:YAG上能 級壽命（1m s匹配，中心波長為940nm譜線寬度3nm半峰全寬（FWH M ,快軸準(zhǔn)直后 發(fā)散角0.6%（FWH M ,慢軸發(fā)散角7.5%（FWH M。抽運源共兩個模塊，每個模塊有 兩個LD子陣列，總峰值功率12kW,最大重復(fù)頻率10H乙占空比1%。為實現(xiàn)對 Yb:YAG晶體的高強度抽運，設(shè)計了一套空心導(dǎo)管型的抽運耦合系統(tǒng)9，如圖1所示。該耦合系統(tǒng)由兩塊半徑181mm的矩形透鏡和兩塊長300mm的鍍銀不銹鋼反 射鏡組成，抽運光斑為7mm（快軸？6mm（慢軸。LD陣列快軸方向的光線用透鏡匯聚 同時將兩模塊偏轉(zhuǎn)主光軸7%,使二圖 1 抽運耦合系統(tǒng) F

12、ig.1P um ping deliver y system者匯聚的抽運光斑在晶體表面疊加；慢軸方向的光線用銀反射鏡傳導(dǎo)匯聚，銀膜 表面涂覆SiO 2保護(hù)膜以防氧化，用不銹鋼做基底拋光鍍膜效果較好，且硬度強，熱導(dǎo) 率高，不易形變,抽運光沉積在基底的廢熱自然冷卻即可不會變形破壞鏡面。我們設(shè) 計了兩種端面抽運結(jié)構(gòu)？正面抽運和 背面抽運，如圖2所示,以研究不同抽運結(jié) 構(gòu)對激光器輸出能力的影響。圖2（a為正面抽運結(jié)構(gòu)示意圖，抽運光與激光在介質(zhì) 同一側(cè)，從介質(zhì) 正面抽運,背面冷卻,正面鍍抽運光（940nm和激光（1030nm增透介 質(zhì)膜,背面鍍940nn和1030nm高反射介質(zhì)膜。背面抽運結(jié)構(gòu)示意圖如圖

13、2（b所示,抽運光和激光在介質(zhì)兩側(cè)，從介質(zhì)背面抽運,背面冷卻,這種結(jié)構(gòu)需在介質(zhì)同一面鍍 膜性相反的雙色膜，對于這種抽運波長（940nm與激光波長（1030nn間隔僅90nm的雙 波長膜，目前鍍膜技術(shù)實現(xiàn)起來難度大，且成本較高，因此我們在晶體 背面鍍940nm 增透膜和1030nm高反射膜而在 正面只鍍1030nm增透膜,無940nm反射膜。激光 提取方式采用提取效率更高的 V型有源鏡（Active mirror,AM構(gòu)型10，平凹穩(wěn)定腔，后腔鏡為半徑2m的凹面全反射鏡，輸出鏡反射率為82%,激光提取 夾角20%圖2不同抽運結(jié)構(gòu)示意圖。（a正面抽運;（b背面抽運F ig.2Schematic d

14、iag rams of differ rent pumping a rchitectur e.(aF ront face pumped;(br ear face pumped45中國激光37卷3增益介質(zhì)的熱管理由于室溫下Yb:YAG具有很高的抽運飽和通量（28kW /cm 2water outlets，因此要實現(xiàn)系統(tǒng)較高效率必須采用強抽運，雖然Yb:YAG介質(zhì)的抽運光轉(zhuǎn)換成 激光的量子效率高達(dá)91%,但強抽運10H z重復(fù)頻率運行時增益介質(zhì)中仍然存在很 強的熱負(fù)載。對于Yb離子這種準(zhǔn)三能級結(jié)構(gòu)增益介質(zhì)，激光下能級固有的熱布居導(dǎo) 致激光器對介質(zhì)溫度非常敏感，因此對Yb :YA G增益介質(zhì)的高效熱

15、管理是保證該激 光器10H z重復(fù)頻率穩(wěn)定高效運行的關(guān)鍵?；谝郧暗膶嶒炑芯拷Y(jié)果11,我們對激光頭做了改進(jìn)設(shè)計，結(jié)構(gòu)如圖3所示。激光頭有3個進(jìn)水口 ,3個出水口，致冷水從封 水窗口和Yb:YA G晶體間1m m間隙中高速流過以帶走介質(zhì)中的沉積廢熱，致冷水流向圖3激光頭結(jié)構(gòu)F ig.3Cutw ay view of the laser head示意圖如圖4所示。圖4激光頭水流示意圖Fig.4Scheme of the wat er flo w in t he laser head經(jīng)測試，該激光頭致冷水流量達(dá)55mL /s,用有限元軟件ANSYS結(jié)合流體力學(xué)軟 件FLUENT對該結(jié)構(gòu)熱管理效果進(jìn)行

16、模擬計算，當(dāng)致冷水溫度為288K時，介質(zhì)冷卻 面的換熱系數(shù)高達(dá)104W /(m 2#K量級,抽運強度為25kW /cm 2,激光器10Hz運行時，兩種抽運結(jié)構(gòu)下介質(zhì)縱 向不同位置處的橫向溫度分布如圖 5所示。如圖5(a,正面抽運時，介質(zhì)中最大橫向 溫差為17K,介質(zhì)前后表面溫差為40K;而背面抽運時如圖5(b，介質(zhì)中最大橫向溫 差僅8K,介質(zhì)前后表面溫差也僅16K。計算結(jié)果表明，背面抽運時，介質(zhì)平均溫升和橫縱向溫差均小于 正面抽運結(jié)構(gòu)，背面抽運的熱管理效果更佳。/water outlets圖5Yb:Y A G晶體中的橫向熱分布。(a正面抽運;(b背面抽運Fig.5T ransver se te

17、mperatur e distr ibut ion w ithin the Y b:Y AG cry st al.(aF ro ntface pum ped;(brear face pumped4實驗結(jié)果與討論根據(jù)以上設(shè)計參數(shù)，完成了抽運耦合系統(tǒng)及激光頭加工，搭建Yb:YAG激光器實 驗平臺。對該激光器進(jìn)行了抽運耦合實驗，圖6為用成像法測得的晶體表面的抽運 場分布，抽運光斑大小約7.5mm （快軸？ 6.25mm（慢軸，與設(shè)計值相符，此區(qū)域內(nèi)抽運光 為總能量的90%，即系統(tǒng)耦合效率達(dá)90%,由此可推知,12kW LD陣列120A電流驅(qū)動時，晶體上的峰值抽運光強高達(dá) 23kW /cm 2，電流脈

18、沖寬度1ms時,晶體表面能量密度為23J /cm 2。實驗研究了這種水冷Yb:YAG激光器在兩種端面抽運結(jié)構(gòu)下的不同頻率工作 時的激光自由振蕩輸出性能，結(jié)果如圖7所示。圖7（a是正面抽運1H z,5Hz和 10Hz重復(fù)頻率時激光輸出能量隨抽461期段文濤等：二極管端面抽運的焦耳級10H z V型水冷丫 b:Y AG激光器圖6晶體表面的抽運光斑分布Fig.6Pump distr ibut ion on the front face of Y b:Y AG運光的變化曲線，由圖可知激光器1Hz和10H z重復(fù)頻率工作的斜率效率分別 52.8%,41.1%,12J抽運光注入時，輸出能量為4.4J和3.

19、3J,對應(yīng)光光轉(zhuǎn)換效率為36.7% 和27.5%。圖7(b為背面抽運下不同頻率時的激光輸出變化曲線,1Hz和10Hz重復(fù) 頻率工作時斜率效率分別為33.4%和27.2%,12J抽運光注入時激光輸出分別為 2.41J 和 1.91J。實驗結(jié)果表明，正、背面抽運方案中，隨著抽運強度的增強和激光器工作頻率 的提高，激光輸出能量損耗均隨之增加。主要原因是介質(zhì)溫升使激光下能級熱布居 數(shù)增加及熱畸變等所致的熱效應(yīng)影響降低了系統(tǒng)效率，但激光輸出斜率效率都隨著 抽運強度的增加和重復(fù)頻率的降低呈線性增長趨勢，這說明，激光頭目前的水冷結(jié)構(gòu)滿足激光器重復(fù)頻率工作時增益介質(zhì)的熱管理需要，而且具有一定的定標(biāo)放大潛力。對

20、比兩種抽運方式的 實驗結(jié)果，相同條件下 正面抽運的激光輸出能量及效率均大于背面抽運,這是因為背面抽運晶體激光提取面未鍍 940nm反射膜，抽運光強23kW /cm 2時約16%的抽 運光未被吸收，而且此結(jié)構(gòu)中抽運光經(jīng)窗口、致冷水后入射至晶體，在傳輸過程中抽運光被損耗和彌散從而降低了增益介質(zhì)上的抽運強度，這些因素導(dǎo)致系統(tǒng)抽運光利用效率較低，影響了系統(tǒng)輸出 性能。12J /10Hz抽運時，正、背面抽運的激光輸出能量相對1H z運行時分別下降 了 25%和20.7%,但這無法證明 背面抽運的熱管理效果優(yōu)于 正面抽運，以上實驗結(jié) 果可推知1Hz運行時熱效應(yīng)對激光輸出的影響可以忽略，則兩抽運方式1Hz輸

21、出 均為2.41J時,10Hz時正、背面抽運激光輸出分別是1.83J和1.91J相應(yīng)的能量下 降率為24.1%和20.7%,從考察增益介質(zhì)重復(fù)頻率熱管理效果的角度看，該激光器背 面抽運對增益介質(zhì)重復(fù)頻率熱管理效果優(yōu)于正面抽運,與模擬計算結(jié)果一致；而這種差別的根本原因在于 背面抽運結(jié)構(gòu)里增益介質(zhì)中高熱沉積層與冷卻層共面 ，結(jié)合 激光頭水冷結(jié)構(gòu)較強的熱交換能力，丫b:YAG介質(zhì)的熱管理效率得以提高，而正面抽 運晶體中低熱沉積層與冷卻層共面，增大了介質(zhì)橫縱向溫差和平均溫升，加劇了熱效應(yīng)影響E AJ pump圖7激光器輸入輸出能量曲線。(a正面抽運;(b背面抽運F ig.7O utput ener g

22、y versus pump ener gy.(aF ront face pumped;(br ear face pumped5結(jié)論研究了 LD抽運的V型高效水冷Yb:YAG激光器及其自由振蕩條件下的輸出 性能。設(shè)計了高效抽運耦合系統(tǒng)，獲得了 90%的耦合傳輸效率。激光頭的水冷熱管 理結(jié)構(gòu)有效控制了系統(tǒng)熱效應(yīng)，10H z最高激光輸出3.3J斜率效率41%，光光轉(zhuǎn)換效 率達(dá)27.5%。實驗結(jié)果表明，背面抽運對Yb:YAG晶體熱管理效果優(yōu)于正面抽運，與計算結(jié)果相符，但抽運光利用率低， 系統(tǒng)效率低，且介質(zhì)表面鍍膜性相反的雙波長膜層難度較大；而正面抽運系統(tǒng)效率 高，無鍍膜難題,更有利于工程化。目前的水冷

23、結(jié)構(gòu)能夠滿足正面抽運結(jié)構(gòu)的增益介質(zhì)重復(fù)頻率熱管理要求，且具有滿足更大口徑增益介質(zhì)熱管理要求的潛力，因此目前 正面抽運是激光47中國激光37卷器及放大器抽運結(jié)構(gòu)的最佳選擇。參考文獻(xiàn)1Guo Kai,S on g Yanrong,T ian J inrong e t al.Tu nab le laser characteristics of three Yb3+ doped crystals.Acta Photo nica S ini ca,2008,37(7:12891292郭凱,宋晏蓉，田金榮等摻Y(jié)b3+晶體寬帶可調(diào)諧激光輸出特性J.光子學(xué)報,2008,37(7:128912922Li Chu

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