萬瑋華， 郝培育， 孟 軒， 沈兆國

(1.光電控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471000； 2.中國航空工業(yè)集團(tuán)公司洛陽電光設(shè)備研究所，河南 洛陽 471000)

0 引言

在激光器領(lǐng)域，二極管泵浦的主要方式有LD側(cè)面泵浦與LD端面泵浦兩種，相比于側(cè)面泵浦，LD端面泵浦具有效率高、模式匹配度好等特點(diǎn)，能獲得更高的光光轉(zhuǎn)化效率和良好的光束質(zhì)量，具有廣闊的研究空間，依據(jù)耦合方式的不同，LD端面泵浦又分為直接端面泵浦與光纖耦合泵浦兩種[1]。相比于直接耦合泵浦，光纖耦合的方式能獲得圓對稱均勻分布的泵浦光，可以明顯改善泵浦光的光束質(zhì)量，使得泵浦光場與振蕩激光場在空間上能具有很好的模式匹配，易獲得較大的泵浦效率，但是，受光纖材料的限制，在機(jī)載的高低溫與振動環(huán)境下，光纖的穩(wěn)定性不好，環(huán)境適用性不強(qiáng)，在工程應(yīng)用上仍然以直接耦合泵浦的方式居多，研究并設(shè)計(jì)良好的耦合聚焦系統(tǒng)，能將泵浦光更好地耦合至工作物質(zhì)內(nèi)，獲得較高的光光轉(zhuǎn)化效率，對實(shí)現(xiàn)高效率、高能量的LD端面泵浦激光輸出具有重要的研究意義。

為了實(shí)現(xiàn)良好的光束質(zhì)量，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，端泵技術(shù)研究多使用帶尾光纖輸出的LD陣列，使用光纖耦合并外加聚焦透鏡聚焦的方式進(jìn)行泵浦，與此相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道較多，主要有：文獻(xiàn)[2]利用四柱透鏡耦合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了光光轉(zhuǎn)化效率為5.6%的473 nm TEM00模式激光輸出；文獻(xiàn)[3]基于光纖耦合設(shè)計(jì)進(jìn)行了模式匹配的理論推導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)8 W的532 nm綠光激光輸出；文獻(xiàn)[4]同樣采用光纖耦合的方式，研究了自聚焦透鏡設(shè)計(jì)對泵浦耦合效率的影響等;但未見有關(guān)LD直接泵浦技術(shù)研究的報(bào)道。

無法適應(yīng)機(jī)載環(huán)境是光纖耦合泵浦的弊端之一，另外，光纖耦合的LD端泵模塊的峰值功率一般無法做大，目前只能達(dá)到百瓦量級，限制了端面泵浦激光器輸出的能量，本文針對一種國產(chǎn)均勻排布高峰值功率的20 Bar LD陣列，設(shè)計(jì)了兩種四棱柱鏡光學(xué)耦合系統(tǒng)，通過對比兩種泵浦耦合系統(tǒng)的耦合效果，基于激光器設(shè)計(jì)構(gòu)型，獲得了實(shí)現(xiàn)高效率LD直接端面泵浦的設(shè)計(jì)方法。

1 基本理論

1.1 端泵效率理論

基于對空間相關(guān)的四能級速率方程的分析，運(yùn)用文獻(xiàn)[5-6]中的方法得到激光器閾值功率Pth、輸出功率Pout、激光器斜效率ηs分別為

(1)

(2)

(3)

從式(2)、式(3)可以看出，激光的輸出功率與斜效率正比于重疊效率因子，文獻(xiàn)[7-8]將泵浦光場r(x,y,z)看成是滿足高斯分布的圓對稱型函數(shù)，對上述理論進(jìn)行了詳細(xì)的理論推導(dǎo)與仿真，其端面泵浦采用的耦合方式為光纖耦合，而LD端面采用直接泵浦耦合的方式，受到LD陣列光源與耦合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)限制，泵浦光場的分布函數(shù)并不規(guī)則，無法準(zhǔn)確地將該函數(shù)描述出來，對最佳耦合效率的問題，僅能通過具體的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)采用的端面泵浦單元由國產(chǎn)的20 Bar二維LD陣列構(gòu)成，其峰值功率最大能達(dá)到2 kW，陣列橫向尺寸較大，設(shè)計(jì)了兩種四柱透鏡耦合系統(tǒng)，可分別對陣列橫向與縱向的發(fā)散角進(jìn)行壓縮，泵浦光經(jīng)兩種四柱透鏡耦合系統(tǒng)后能將泵浦光束聚焦至工作物質(zhì)內(nèi)的不同位置處，四柱透鏡耦合系統(tǒng)采用下列兩種思路進(jìn)行設(shè)計(jì)：1) 如圖1a所示，聚焦焦點(diǎn)處于工作物質(zhì)端面附近，工作物質(zhì)前端面面功率密度高，能在工作物質(zhì)前端獲得較大的粒子激發(fā)；2) 如圖1b所示，工作物質(zhì)端面的泵浦光束均勻，耦合焦點(diǎn)位于工作物質(zhì)內(nèi)，能較高效地將泵浦光束耦合至工作物質(zhì)內(nèi)。

當(dāng)泵浦光聚焦的焦點(diǎn)處于工作物質(zhì)不同位置時，泵浦光的光場分布各不相同，忽略仿真中的各類雜散光，考慮在泵浦效率一定時，依據(jù)1.1節(jié)中的理論，泵浦光與振蕩光重疊效率因子的變化會影響激光輸出功率與泵浦耦合的效果。兩種泵浦結(jié)構(gòu)與焦點(diǎn)位置如圖1所示。

利用ZEMAX軟件進(jìn)行仿真，可得到泵浦光經(jīng)兩種光學(xué)耦合系統(tǒng)后，工作物質(zhì)端面處的光場強(qiáng)度分布，如圖2所示：焦點(diǎn)較近的光學(xué)耦合系統(tǒng)1，其端面的峰值功率較高，光斑較?。欢裹c(diǎn)較遠(yuǎn)的光學(xué)耦合系統(tǒng)2，其工作物質(zhì)端面的泵浦光場分布均勻。

圖2 工作物質(zhì)端面的泵浦光分布Fig.2 The distribution of pumping light on the end surface of the working material

以上述兩種光學(xué)耦合系統(tǒng)為基礎(chǔ)，搭建簡易的端面泵浦激光器，工作物質(zhì)選用單摻Nd：YAG晶體，摻雜濃度為1at%，在泵浦面鍍上808 nm增透膜與1064 nm的全反射膜(反射率能達(dá)到99.8%)，晶體的尺寸選為4 mm×4 mm×10 mm的長方體，能與泵浦光場的光斑形狀相匹配。為使激光器容易起振，盡可能減少腔內(nèi)的損耗，選擇的半反射鏡的反射率為80%，激光器結(jié)構(gòu)光路如圖3所示。

圖3 激光器結(jié)構(gòu)光路圖Fig.3 The optical path of the laser

通過改變耦合系統(tǒng)出光面與工作物質(zhì)之間的相對距離，能使焦點(diǎn)聚焦在工作物質(zhì)內(nèi)不同的位置，進(jìn)而研究如何設(shè)計(jì)優(yōu)化可獲得最佳的泵浦耦合效果。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

針對光學(xué)耦合系統(tǒng)1，其泵浦端面光斑較小，焦點(diǎn)光斑大小為3 mm×0.5 mm，面功率密度較大，調(diào)整晶體Nd:YAG與光學(xué)耦合系統(tǒng)的相對位置，使焦點(diǎn)分別位于工作物質(zhì)端面的前方0 mm,1 mm,1.5 mm,2 mm,2.5 mm,3 mm,4 mm時，激光器輸出情況如圖4所示。

圖4 基于光學(xué)耦合系統(tǒng)1的激光器輸出情況

從圖4可知，光學(xué)耦合系統(tǒng)1焦點(diǎn)位置的改變對激光輸出的功率具有一定的影響，對此耦合系統(tǒng)，焦點(diǎn)位于工作物質(zhì)端面時能獲得較高的光光轉(zhuǎn)化效率，隨著工作物質(zhì)相對焦點(diǎn)位置的變化，激光的輸出功率、斜效率與光光轉(zhuǎn)化效率均隨之下降，焦點(diǎn)與工作物質(zhì)前端面的距離小于4 mm時，影響出光功率與斜效率的主要因素是泵浦光場的分布，即重疊因子對輸出功率的影響。當(dāng)焦點(diǎn)與工作物質(zhì)距離變遠(yuǎn)，泵浦光斑照射至工作物質(zhì)端面的面積變大，會導(dǎo)致部分光束無法成功耦合至工作物質(zhì)內(nèi)，此時出光效率由重疊因子與泵浦效率ηp共同決定。

針對遠(yuǎn)焦點(diǎn)光學(xué)耦合系統(tǒng)2，實(shí)驗(yàn)測量了工作物質(zhì)前端面與耦合系統(tǒng)出光面的距離分別為4.5 mm，6 mm，7 mm，8 mm，9 mm時的激光輸出情況，在上述各位置時，利用ZEMAX進(jìn)行光束追跡，可得泵浦光焦點(diǎn)與工作物質(zhì)前端面的相對距離分別為11 mm，9.3 mm，7.5 mm，5.5 mm，4.2 mm時的激光器的輸出情況，如圖5所示。

圖5 基于耦合系統(tǒng)2的激光器輸出情況Fig.5 The laser output based on the coupling system 2

從圖5可以看出，選取Nd:YAG工作物質(zhì)的長度為10 mm，當(dāng)焦點(diǎn)距離工作物質(zhì)前端面11 mm時，聚焦在工作物質(zhì)外，獲得的輸出功率十分低，隨著焦點(diǎn)進(jìn)入工作物質(zhì)內(nèi)部并逐漸前移，激光輸出的功率與光光轉(zhuǎn)化效率呈先增大后減小的趨勢，實(shí)驗(yàn)中存在最佳的激光輸出位置，此時焦點(diǎn)距離前端面5.5 mm，泵浦焦點(diǎn)約處于工作物質(zhì)的1/2處，激光輸出功率與光光轉(zhuǎn)化效率皆能達(dá)到最大，泵浦光與振蕩光的模式匹配程度也最高，重疊因子最大。

對比兩種光學(xué)耦合系統(tǒng)可知，泵浦光的焦點(diǎn)聚焦至工作物質(zhì)外時,對泵浦光的有效利用率較低，無法獲得更高的光光轉(zhuǎn)化效率；而將焦點(diǎn)會聚至工作物質(zhì)內(nèi)，焦點(diǎn)位置的不同，能影響泵浦光場的分布，進(jìn)而改變泵浦光場與振蕩光的重疊因子，存在一個最佳耦合位置，此時重疊因子能達(dá)到最大，激光器能獲得更高的光光轉(zhuǎn)化效率。在最佳位置處對激光器的輸出性能進(jìn)行后續(xù)測量，可得到如圖6所示的輸出特性關(guān)系。

圖6 最佳耦合位置處的激光輸出性能

選用光學(xué)耦合系統(tǒng)2，泵浦焦點(diǎn)位置距離工作物質(zhì)前端面5.5 mm，通過改變陣列的驅(qū)動電流來改變陣列注入的能量，泵浦功率較小時，隨著陣列注入能量的提高，激光器輸出能量呈線性增長，輸出的能量暫時未達(dá)到飽和，但是泵浦光-振蕩光的光光轉(zhuǎn)化效率卻隨著泵浦功率的增加逐步趨于飽和，基于上述構(gòu)型，LD直接耦合端面泵浦激光器最大能獲得40%的光光轉(zhuǎn)化效率。

3 結(jié)論

通過對比兩種不同的耦合光學(xué)系統(tǒng)，研究了最佳泵浦耦合效率問題，耦合系統(tǒng)的焦點(diǎn)與工作物質(zhì)的相對位置會影響工作物質(zhì)對泵浦光的吸收效率，以及泵浦光場的空間分布，泵浦光場與激光振蕩光場分布重疊區(qū)域越大，泵浦效率越高?；诖硕嗣姹闷謽?gòu)型，由實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可得，將泵浦光的焦點(diǎn)聚焦至4 mm×4 mm×10 mm工作物質(zhì)的前端面5.5 mm處，能獲得最佳的泵浦效果，在上述最佳狀態(tài)下，激光器靜態(tài)調(diào)試的光光轉(zhuǎn)化效率最大能達(dá)到40%，激光動態(tài)輸出的能量由光光轉(zhuǎn)化效率和動靜比兩者共同決定，此高效率的LD直接端面泵浦系統(tǒng)能應(yīng)用于對后續(xù)高能量端泵激光器的設(shè)計(jì)，對后續(xù)實(shí)現(xiàn)機(jī)載環(huán)境下的LD端泵激光器具有重要的指導(dǎo)意義，并且此LD直接端面泵浦耦合系統(tǒng)的研究思路與方法對于后續(xù)光學(xué)耦合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的參考價值。