四棒串接連續(xù)燈泵浦NdYAG大功率激光器

1、第17卷第11期強(qiáng)激光與粒子束V o l.17,N o.11 2005年11月H I G H P OW E R L A S E R A N D P A R T I C L E B E AM S N o v.,2005文章編號(hào):1001-4322(200511-1644-05四棒串接連續(xù)燈泵浦N d:Y A G大功率激光器*房明星,李強(qiáng),姜夢(mèng)華,左鐵釧(北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院,北京100022摘要:報(bào)道了一種符合工業(yè)應(yīng)用的四棒諧振腔連續(xù)N d:Y A G激光器。實(shí)驗(yàn)中采用對(duì)稱放置方式四棒串接諧振腔得到2105W的平均功率輸出,光束參數(shù)積24m m·m r a d,系統(tǒng)總光電轉(zhuǎn)換效率

2、達(dá)到3.5%。還對(duì)影響激光器工作的因素進(jìn)行了理論分析。關(guān)鍵詞:N d:Y A G激光器;四棒串接諧振腔;熱焦距;光束質(zhì)量中圖分類號(hào):T N248;O43文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中,可以耦合到光纖、具有良好光束質(zhì)量的千瓦級(jí)固體激光系統(tǒng)受到了越來越多的應(yīng)用。高功率固體N d:Y A G激光器應(yīng)用于材料加工領(lǐng)域有幾個(gè)條件1:(1激光器要求高效率和高功率輸出;(2激光光束有高的光束質(zhì)量,這樣可以用光纖(通常用600µm的光纖傳輸;(3激光器有較寬的工作范圍;(4激光系統(tǒng)能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。常規(guī)單棒N d:Y A G激光器的輸出功率被局限在400600W。通過多棒系統(tǒng)可以使輸出功率得到進(jìn)一步

3、提高。一腔多棒的結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)高功率、高光束質(zhì)量激光輸出的一種最理想的方法2。采用這種方法得到的激光輸出功率可以隨著腔內(nèi)棒數(shù)的增加而增長(zhǎng)。多棒諧振腔系統(tǒng)中,熱焦距的匹配是很重要的。我們對(duì)影響多棒高功率固體N d:Y A G激光器工作的因素進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)上的研究。1四棒串接等價(jià)諧振腔四棒諧振腔結(jié)構(gòu)采用對(duì)稱平平腔結(jié)構(gòu)如圖1,諧振腔內(nèi)對(duì)稱放置四根N d:Y A G晶體棒。在多棒大功率固體激光器諧振腔設(shè)計(jì)中一般采用對(duì)稱平平腔結(jié)構(gòu),這種對(duì)稱結(jié)構(gòu)使得激光器的穩(wěn)定工作區(qū)域大于非對(duì)稱結(jié)構(gòu),有利于大功率激光器有較寬的穩(wěn)定工作范圍并獲得高功率輸出。假設(shè)相同條件下四根N d:Y A G晶體棒具有相同的特性。由于熱效應(yīng)

4、,每根N d:Y A G晶體棒可以等效地看作焦距為f的透鏡,焦距f與泵浦功率成反比。主面位于距晶體棒端面h=2l/n3處,其中l(wèi)是晶體棒的幾何長(zhǎng)度,n是晶體棒的軸向折射率。令兩個(gè)相鄰晶體棒間的光學(xué)長(zhǎng)度為dm,諧振腔鏡與相鄰的晶體棒間的距離為d。諧振腔內(nèi)的每個(gè)光學(xué)元件用A B C D光線傳輸矩陣來描述。把各個(gè)元件的描述矩陣按照光線傳輸?shù)姆较蝽樞蛞来蜗喑说玫街C振腔輸出總的傳輸矩陣為M=A BC D=1d0110-1fL11d m0110-1fL11d m0110-1fL11d m0110-1fL11d01(1由于球面諧振腔的g參數(shù)為g1=A-B/1,g2=D-B/2(2因?yàn)槭瞧狡角?=2=,所以g

5、1=A,g2=D(3當(dāng)dm=2d時(shí)M=A BC D=8d4-32d3f+40f2f2-16d f3+f4f44d(2d4-10d3f+17d2f2-11d f3+2f4f4-4(-2d3+6d2f-5d f2+f3f48d4-32d3f+40d2f2-16d f3+f4fL4(4得到四棒諧振腔的等效g參數(shù)為g1=g2=(8d4-32d3f+40d2f2-16d f3+f4/f4(5*收稿日期:2005-04-04;修訂日期:2005-06-24基金項(xiàng)目:北京市重點(diǎn)技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目(j c j l z2001-1019資助課題;國(guó)家自然基金項(xiàng)目(10276003資助課題作者簡(jiǎn)介:房明星(1980-,

6、男,碩士研究生,從事高功率固體激光器的研究。F i g .1 P r i n c i p a l s e t -u p o f t h e f o u r r o d s r e s o n a t o r .1,2:c a v i t y m i r r o r ;3,4,5,6:l a s e r r o d ;7,8:d i a p h r a gm 圖1 四棒諧振腔結(jié)構(gòu)示意圖。1,2:腔鏡;3,4,5,6:激光晶體;7,8:光闌F i g .2 S t a b i l i t y d i a g r a mo f a no p t i c a l r e s o n a t o r ,

7、s h a d e da r e a s i n d i c a t e r e g i o n s o f u n s t a b l e o p e r a t i o n 圖2 諧振腔的穩(wěn)區(qū)圖。陰影部分表示非穩(wěn)區(qū)由式(5可以看出,隨著N d :Y A G 晶體棒的熱焦距的變化,g 1和g 2值會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化,諧振腔的工作點(diǎn)在g 參數(shù)圖上是一條動(dòng)態(tài)直線,如圖2所示。圖中為四棒對(duì)稱諧振腔的g 參數(shù)動(dòng)態(tài)工作曲線,兩坐標(biāo)軸(g 1=0,g 2=0和雙曲線g 2g 2=1決定了諧振腔的穩(wěn)定區(qū)和非穩(wěn)定區(qū)的范圍。因?yàn)槭菍?duì)稱諧振腔且d m =2d ,所以動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)由點(diǎn)A (1,1開始沿直線過原點(diǎn)B (

8、0,0到達(dá)點(diǎn)C (-1,-1,再經(jīng)原路返回至點(diǎn)A (-1,-1。此后動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)由原路線再次移動(dòng)返回至點(diǎn)A (-1,-1并進(jìn)入非穩(wěn)定區(qū)。在動(dòng)態(tài)曲線移動(dòng)過程中,經(jīng)過幾個(gè)位于g 1=0,g 2=0和g 2g 2=±1的臨界點(diǎn)。在g 1g 2=±1處有5個(gè)臨界點(diǎn)f =, f =3.41d , f =d , f =0.59d , f =0.5d (6在g 1=0,g 2=0處有4個(gè)臨界點(diǎn)f =13.14d , f =1.62d , f =0.72d , f =0.52d (7由此可知,在f >0.50d 的情況下,四棒諧振腔除了幾個(gè)臨界點(diǎn)外將一直工作在穩(wěn)定區(qū)內(nèi)。這有利于激光器在

9、較寬的工作范圍內(nèi)獲得高功率輸出。2 熱焦距匹配和輸出功率范圍對(duì)激光器工作的影響工業(yè)用大功率連續(xù)Y A G 激光器通常都要有較寬的功率輸出范圍。隨著泵浦功率的增長(zhǎng),需要經(jīng)過幾個(gè)臨界點(diǎn),這就要求四根晶體棒熱焦距之間能很好的匹配,否則激光器在臨界點(diǎn)附近將工作在非穩(wěn)區(qū),如圖3和圖4所示,這時(shí)激光輸出功率將會(huì)下降,嚴(yán)重時(shí)功率輸出為0。圖3為熱焦距不匹配四棒對(duì)稱諧振腔的參數(shù)動(dòng)態(tài)工作曲線,其中四根晶體棒的熱焦距分別為f ,0.9f ,f ,f ;圖4為熱焦距不匹配四棒對(duì)稱諧振腔的g 參數(shù)動(dòng)態(tài)工作曲線,其中四根晶體棒的熱焦距分別為f ,0.9f ,1.1f ,1.05f 。對(duì)這兩幅g 參數(shù)動(dòng)態(tài)工作曲線圖進(jìn)行比

10、較可以看出,四棒熱焦距全不匹配諧振腔的穩(wěn)區(qū)范圍要小于只有一根晶體棒熱焦距不匹配諧振腔的穩(wěn)區(qū)范圍。若四根晶體棒的熱焦距同為f ,棒間距離都為d m ,且兩邊晶體棒距兩個(gè)腔鏡的距離都是d ,則諧振腔內(nèi)各F i g .3 S t a b i l i t y d i a g r a mo f a f o u r -r o d r e s o n a t o r .T h e r m a l f o c a l l e n g t ho f e a c h r o d i s f ,0.9f ,f ,f ,r e s p e c t i v e l y 圖3 四棒諧振腔穩(wěn)區(qū)圖。四根晶體棒熱焦距分別為f

11、,0.9f ,f ,fF i g .4 S t a b i l i t y d i a g r a mo f a f o u r -r o d r e s o n a t o r .T h e r m a l f o c a l l e n g t ho f e a c h r o d i s f ,0.9f ,1.1f ,1.05f ,r e s p e c t i v e l y 圖4 四棒諧振腔穩(wěn)區(qū)圖。四根晶體棒熱焦距分別為f ,0.9f ,1.1f ,1.05f5461第11期房明星等:四棒串接連續(xù)燈泵浦N d :Y A G 大功率激光器個(gè)晶體棒的熱焦距可以很好地匹配。實(shí)際上,臨界穩(wěn)定

12、點(diǎn)并不僅僅是一個(gè)點(diǎn)。我們知道熱焦距可表示為4f i =A K p i n n 012n 0d n d t +n 20C r ,+r 0(n 0-1-1n 0l -1(8這里有兩個(gè)熱焦距f r 和f ,分別是徑向和切向熱焦距。對(duì)于N d :Y A G 晶體,一般f r /f =1.21.5。式(5中的熱焦距f 是平均熱焦距。理想情況下,諧振腔內(nèi)四根晶體棒的熱焦距應(yīng)該在徑向和切向上相互匹配。然而,高功率激光晶體的熱焦距是由很多因素決定的,如晶體摻雜均勻性和泵浦均勻性等。實(shí)驗(yàn)中我們用臨界穩(wěn)定點(diǎn)法5來測(cè)量激光晶體棒的徑向、切向及平均熱焦距。一根晶體棒的平均熱焦距、徑向和切向熱焦距如圖5所示。對(duì)于某一個(gè)

13、激光器,輸出功率范圍和光束質(zhì)量是成反比的6P o u t ,m a x (m w m m a x=2s (9式中:s 是激光器效率;=1K d n d t +12n 30(C r +C +2n 0r 0(n 0-1l;P o u t ,m a x 是最大輸出功率變化范圍;m 是最大發(fā)散角;w m 是對(duì)應(yīng)束腰半徑。我們可以通過限定激光器工作范圍的方法來達(dá)到獲得高功率、高光束質(zhì)量的激光輸出。實(shí)際測(cè)量中,熱焦距隨泵浦功率的變化近似一條拋物線,見圖5。在高功率泵浦階段,熱焦距變化十分緩慢。我們可以充分利用這一點(diǎn)來設(shè)計(jì)晶體棒間的距離。例如,根據(jù)晶體棒熱焦距的情況適當(dāng)改變晶體棒間距離,使激光器一直工作在f

14、 >0.50d 情況下,則除個(gè)別臨界穩(wěn)定點(diǎn)外,激光器都工作在穩(wěn)定區(qū)。這有利于激光器穩(wěn)定工作獲得高功率輸出。又因?yàn)椴捎昧藢?duì)稱平平腔,所以四根晶體棒對(duì)稱放置在諧振腔內(nèi)時(shí)產(chǎn)生的激光光束束腰總是在耦合輸出鏡處,此時(shí)四根晶體棒諧振腔輸出激光的光束質(zhì)量就等同于單棒平平諧振腔輸出激光的光束質(zhì)量。F i g .5 M e a s u r e d t h e r m a l f o c a l l e n g t ho fY A Gc r y s t a l r o da s a f u n c t i o no f l a m p i n p u t p o w e r .E a c h p o i n

15、 t r e p r e s e n t s t h e c a l c u l a t e de f f e c t i v e f o c a l l e n g t ho f Y A Gc r y s t a l f o r f r (o o o ,f (*,a n da v e r a g e f (,r e s p e c t i v e l y 圖5 熱焦距隨泵浦功率的變化曲線F i g .6 E x p e r i m e n t a l l y m e a s u r e d f o u r r o d s l a s e r o u t p u t p o w e r v e

16、 r s u s e l e c t r i c a l i n p u t p o w e r 圖6 激光器輸出功率隨泵浦功率的變化曲線綜上所述,激光輸出功率、輸出功率范圍和光束質(zhì)量與諧振腔結(jié)構(gòu)、參數(shù)及晶體棒間的熱焦距匹配有關(guān)。當(dāng)然也與單棒激光輸出特性有著緊密的聯(lián)系。以上這些因素綜合在一起就構(gòu)成我們?cè)O(shè)計(jì)激光器所要考慮的條件。3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果實(shí)驗(yàn)中我們采用四棒平平對(duì)稱腔,棒間距離d m 兩倍于棒鏡間距d 。d 的大小要考慮輸出光束質(zhì)量和熱效應(yīng)導(dǎo)致的四根晶體棒熱焦距的匹配。除此之外,還要使平均熱焦距f >0.50d 。考慮到每根晶體棒的熱焦距不同,可以對(duì)棒間距離或泵浦功率做適當(dāng)調(diào)整。在諧振腔

17、兩端靠近腔鏡內(nèi)側(cè)分別放置兩個(gè)直徑為9.5m m 的光闌。諧振腔中的四個(gè)泵浦模塊結(jié)構(gòu)相同,即陶瓷漫反射腔、一根9m m×155m m 鍍?cè)鐾改さ腘 d :Y A G 晶體棒用兩根8m m×150m m 的氪閃光燈泵浦。每根燈由最大功率8k W 的激光電源提供能量。諧振腔鏡采用徑向固定,因?yàn)閺较蚬潭ū容S向固定引起的腔鏡的變形小7。常用的改善反射鏡熱變形的手段有兩種8:一種是對(duì)熱變形進(jìn)行自動(dòng)校正補(bǔ)償,二是對(duì)反射鏡強(qiáng)制冷卻,使熱變形控制在允許的范圍內(nèi)。我們采用強(qiáng)制冷卻方式。激光頭采用雙循環(huán)水冷系統(tǒng),溫度保持在20(±1。每個(gè)激光模塊的輸出功率、熱焦距都采用單棒6461強(qiáng)激

18、光與粒子束第17卷對(duì)稱平平腔進(jìn)行測(cè)試。測(cè)得性能相近的模塊被用于組裝四棒對(duì)稱平平腔。考慮到機(jī)械問題及調(diào)整方便,在實(shí)驗(yàn)中我們采取調(diào)整泵浦功率的方法來匹配各個(gè)晶體棒的熱焦距。在一定的泵浦功率下,微調(diào)第一根晶體棒的泵浦功率并觀察激光器的輸出功率。若激光器輸出功率有所增長(zhǎng),說明四根晶體棒熱焦距未達(dá)到匹配;調(diào)至輸出功率達(dá)到最高時(shí),說明晶體棒熱焦距基本匹配。如此依次調(diào)整各個(gè)晶體棒的泵浦功率,經(jīng)多次調(diào)整后可達(dá)到較好的效果。用功率計(jì)測(cè)量出激光器輸入輸出功率曲線如圖6所示,在輸入功率為60k W 時(shí),激光器輸出功率達(dá)到2105W 。圖7是未調(diào)整泵浦功率時(shí)激光器輸入輸出功率曲線圖。在圖7中可以看到,當(dāng)泵浦功率分別達(dá)

19、到40k W 和55k W 時(shí),由于諧振腔內(nèi)四根晶體棒熱焦距未達(dá)到匹配,激光器不能快速通過臨界點(diǎn)而工作在不穩(wěn)區(qū),使激光器的輸出功率受到較大影響。如圖6所示,通過調(diào)整泵浦功率使晶體棒熱焦距未達(dá)到匹配后,當(dāng)泵浦功率分別達(dá)到40k W 和55k W 時(shí),激光器迅速通過臨界點(diǎn),減小了不穩(wěn)區(qū)對(duì)激光器輸出功率的影響。 輸出激光光束功率密度用大功率光束光斑診斷儀進(jìn)行測(cè)量,結(jié)果如圖8所示。輸出光束束腰在輸出耦合鏡處,在相應(yīng)的距離處用大功率光束光斑診斷儀測(cè)出功率為總功率的86%處的光束半徑,相應(yīng)的距離也需測(cè)量。利用測(cè)量出的數(shù)據(jù)我們計(jì)算出光束參數(shù)積為24m m ·m r a d 。采用激光功率計(jì)對(duì)輸出激

20、光功率的穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)量,在1980W 功率輸出時(shí),運(yùn)行6h ,功率起伏為36W ,不穩(wěn)定度小于2%。F i g .7 E x p e r i m e n t a l l y m e a s u r e d f o u r r o d s l a s e r o u t pu t p o w e r w i t h o u t a d j u s t i n g i n p u t p o w e r v s e l e c t r i c a l i n p u t p o w e r 圖7 未調(diào)整泵浦功率時(shí)激光器輸出功率隨泵浦功率的變化曲線F i g .8 N e a r -f i e l

21、d i n t e n s i t y di s t r i b u t i o n o f 1.9k W o u t pu t l a s e r b e a m 圖8 功率1.9k W 時(shí)近場(chǎng)激光光束的強(qiáng)度分布實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到輸出功率為2105W ,光束參數(shù)積為24m m ·m r a d 的激光輸出,總的電光轉(zhuǎn)換效率為3.5%。激光器隨著泵浦模塊(晶體棒的增加,輸出功率也隨之增加,同時(shí)相對(duì)于單棒N d :Y A G 激光器的光束質(zhì)量沒有明顯下降。激光輸出功率范圍與光束質(zhì)量之間可以進(jìn)行優(yōu)化折中。棒間的熱焦距匹配可以起到增大穩(wěn)定區(qū)的作用。這個(gè)結(jié)果可以對(duì)更高功率泵浦多棒諧振腔固體激光器研

22、究提供參考。參考文獻(xiàn):1 D r i e d g e rKP ,I f f l a n d e rR M ,W e b e rH.M u l t i r o d r e s o n a t o r s f o r h i g h -p o w e r s o l i d -s t a t e l a s e r sw i t h i m p r o v e db e a m q u a l i t yJ .I E E EJ o u r -n a l o f Qu a n t u m E l e c t r o n i c s ,1988,24(4:665-673.2 K u m k a r M

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25、m e t h o dm e a s u r i n g t h e r m a l l e n s f o c a l l e n g t h o f a l l r a y s p o l a r i z e d i n r a d i a l a n d t a n g e n t i a l d i r e c t i o n o f h i gh p o w -e rN d :Y A Gl a s e r J .O pt C o m m ,2004,241:155-158.6 L iQ ,W a n g Z M ,W a n g ZY.e t a l .600Wl a m pp u

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28、o n a t o rm i r r o r o f a h i g h p o w e r l a s e r .H i g hP o w e rL a s e r a n dP a r t i -c l eB e a m s ,1995,7(3:366-3727461第11期房明星等:四棒串接連續(xù)燈泵浦N d :Y A G 大功率激光器F o u r -r o d r e s o n a t o r f o r k r y p t o n l a m pp u m pe d C W N d :Y A Gl a s e rw i t hh i g h p o w e r o u t pu t

29、 F A N G M i n g -x i n g , L IQ i a n g , J I A N G M e n g-h u a , Z U O T i e -c h u a n (C o l l e g e o f L a s e rE n g i n e e r i n g ,B e i j i n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ,B e i j i n g 100022,C h i n a A b s t r a c t : W e p r e s e n t a f o u r -r o d s e r i e s r

30、e s o n a t o rC W N d :Y A Gl a s e r f o r t h e r e q u i r e m e n t o f i n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n i n t h i s p a -p e r .T h e s y m m e t r i c a l r e s o n a t o r l a s e r h a s b e e n d e v e l o p e d a n d i s r a t e d a t 2105Wo u t p u t p o w e rw i t hb e a m p a r a m e t e r p r o d u c t o f 24m m ·m r a d .T h e s y s t