陳一豪,梁興波,陳念江,李 寧,賈佑權(quán)

(固體激光技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100015)

1 引 言

激光技術(shù)在醫(yī)學(xué)治療、精密增材制造、高能物理研究中均有廣泛應(yīng)用,其中固體激光器由于其高功率、高光束質(zhì)量、體積小、易集成等優(yōu)點(diǎn),是該領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。其中,為了獲取高性能、高光束質(zhì)量的激光器,對于激光增益材料也提出了更高的要求。晶體和玻璃作為傳統(tǒng)增益介質(zhì)已無法滿足現(xiàn)階段的需求,透明激光陶瓷的出現(xiàn)為固體激光的提升具有更優(yōu)異的特性:制作周期短、可摻雜濃度高、可滿足復(fù)雜構(gòu)型及大尺寸制備,因而近年來作為高功率固體激光增益材料被國內(nèi)外廣泛關(guān)注、研究[1-5]。

在20世紀(jì)80年代,由于Nd∶YAG晶體在激光領(lǐng)域的優(yōu)良表現(xiàn),科學(xué)家開始聚焦于Nd∶YAG陶瓷的研究[6-8]。而Yb∶YAG由于其優(yōu)良的激光特性,也是激光陶瓷研究領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)。1995年,Ikesue等[9]利用摻雜濃度為1.1 at %的Nd∶YAG陶瓷首次實(shí)現(xiàn)了波長為1064 nm的激光輸出,抽運(yùn)閾值為309 mW,其斜率效率為28 %。2003年,Takaichi等[10]首次實(shí)現(xiàn)了Yb∶YAG陶瓷的連續(xù)激光輸出,最高輸出功率為345 mW,斜率效率為28 %。隨著研究進(jìn)展,以及制作工藝的提升,為了獲取更高輸出功率、更高光束質(zhì)量的激光輸出,提出了多種的激光陶瓷構(gòu)型。2008年,Li等[11]利用多層復(fù)合Nd∶YAG陶瓷實(shí)現(xiàn)了8 mW連續(xù)激光輸出。經(jīng)過Liu等[12]的優(yōu)化,最終基于復(fù)合棒狀Nd∶YAG陶瓷實(shí)現(xiàn)了20.3 W的連續(xù)激光輸出,斜率效率為10.1 %。2011年,Furuse等[13]基于Zig-Zag光路提出一種新型復(fù)合Yb∶YAG陶瓷板條激光器,通過液氮進(jìn)行散熱,實(shí)現(xiàn)了214W的連續(xù)輸出,其斜率效率為63 %。2016年Liu等[14]實(shí)現(xiàn)了基于平面波導(dǎo)型Nd∶YAG陶瓷的高重頻脈沖激光輸出,峰值功率為1308W。而在2019年,Jiang等[15]利用高質(zhì)量、10at %摻雜的Yb∶YAG平面波導(dǎo)陶瓷板條,實(shí)現(xiàn)了1030 nm高功率連續(xù)激光輸出,最高功率為1.25 kW,同時(shí)斜率效率達(dá)到30 %。為了進(jìn)一步提高板條儲(chǔ)能性能,2017年Li等[16-17]提出了雙濃度摻雜Nd∶YAG復(fù)合陶瓷板條,最終實(shí)現(xiàn)了7.08 kW的連續(xù)激光輸出,光光轉(zhuǎn)換效率為39.2 %。

為進(jìn)一步開發(fā)陶瓷板條的性能,本文基于唐曉軍等[18-19]的研究,提出了一種表層摻雜Yb∶YAG陶瓷板條激光器。表層摻雜陶瓷板條不僅具有表層摻雜的結(jié)構(gòu)特性,且由于陶瓷真空燒結(jié)特性不存在明顯界面,解決了大面鍵合所帶來的界面問題?；诎鍡l激光諧振腔結(jié)構(gòu),研究了其輸出性能。在2 Hz低重頻、1 ms脈寬、10 J的單脈沖能量抽運(yùn)下,獲得了3.035 J的1030 nm激光輸出,光光轉(zhuǎn)換效率為30.4 %,最高斜率效率為42.0 %。

2 表層摻雜陶瓷板條理論模型

在這一節(jié)中,我們首先根據(jù)激光動(dòng)力學(xué)理論,對Yb∶YAG表層摻雜陶瓷板條激光器的輸出特性進(jìn)行了分析[20-22],表層摻雜陶瓷的基本構(gòu)型如圖1所示,其中摻雜區(qū)域長度為L,板條整體厚度為W。并且與Yb∶YAG晶體板條進(jìn)行了對比,分析其與晶體性能的差異。在940 nm抽運(yùn)下的Yb∶YAG 的諧振腔激光輸出功率可以表示為[23-24]:

圖1 表層摻雜陶瓷板條構(gòu)型

Pout=ηslope(ηabsPp-Pth)

(1)

其中,PP為抽運(yùn)光功率;ηslope為斜率效率；Pth為抽運(yùn)閾值功率；ηabs為抽運(yùn)光吸收效率,在設(shè)計(jì)時(shí)對于Yb∶YAG一般采用95 %；Pout為激光輸出功率。

斜率效率ηslope可以表示為:

(2)

其中,ηmode為模式交疊效率;νL，νP分別為激光與抽運(yùn)光頻率;ROC表示輸出鏡反射率;δ表示激光單程損耗,在本文計(jì)算中陶瓷板條采用12 %,晶體為3 %。抽運(yùn)閾值Pth可以表示為:

(3)

其中,h為普朗克常量;τ為熒光壽命;S為摻雜區(qū)截面積;L為摻雜區(qū)長度；nU為上能級粒子數(shù)密度,可以表示為:

(4)

對于激光輸出所需的最低抽運(yùn)功率,抽運(yùn)閾值Pth與ROC的關(guān)系則如圖2所示。從圖中可以看出,隨著ROC的增加抽運(yùn)閾值Pth呈減小趨勢,但陶瓷板條的抽運(yùn)閾值整體高于晶體板條。這是由于陶瓷板條的單程損耗高于晶體(主要來自于散射損耗),因而需要更高的抽運(yùn)光才能形成激光振蕩。

圖2 不同輸出鏡反射率下兩種波長激光實(shí)現(xiàn)振蕩的抽運(yùn)閾值

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

1030 nm Yb∶YAG諧振腔激光輸出實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。兩端鍵合未摻雜YAG晶體的Yb∶YAG復(fù)合激光板條作為增益介質(zhì)。表層摻雜板條的總尺寸為67 mm×11 mm×1.7 mm(長×寬×厚),其中兩邊Yb摻雜區(qū)域尺寸均為為50 mm×11 mm×0.3 mm(長×寬×厚),摻雜濃度為1.2 at. %。板條端頭采用45°切割,并且在端面鍍有940 nm和1030 nm增透膜(Anti-reflection Coating)。板條的側(cè)邊進(jìn)行了包邊和磨毛處理,用以抑制ASE和寄生振蕩。板條的兩個(gè)大面(Total Internal Reflection，TIR)通過銦層焊接到微通道冷卻熱沉上進(jìn)行水冷散熱,并且在大面上鍍膜,以保證抽運(yùn)光和振蕩激光在大面處的全反射,并抑制倏逝波的生成。

圖3 Yb∶YAG陶瓷板條激光器示意圖

板條通過兩只LD進(jìn)行端面抽運(yùn),抽運(yùn)波長為940 nm,實(shí)驗(yàn)時(shí)的抽運(yùn)總能量達(dá)到10 J。抽運(yùn)光通過包含兩個(gè)慢軸柱透鏡和一個(gè)快軸柱透鏡的抽運(yùn)耦合系統(tǒng),將勻化后的抽運(yùn)光聚焦、傳遞到板條端面。整個(gè)諧振腔采用4f腔結(jié)構(gòu),由腔鏡HR與OC構(gòu)成,其中HR為平凹反射鏡,曲率R=2000 mm,反射面鍍有1030 nm高反膜,OC為平面輸出鏡；f1和f2為凸透鏡,焦距均為f=300 mm,f1和f2共同構(gòu)成熱不靈敏的4f腔,用于降低陶瓷板條的熱效應(yīng)。M為雙色鏡,用以將激光與抽運(yùn)光區(qū)分開,將激光從光路中導(dǎo)出。

4 結(jié)果及分析

根據(jù)理論模型,首先計(jì)算了輸出功率隨輸出鏡反射率變化的曲線,結(jié)果如圖4所示。圖4中為在1.8 kW的抽運(yùn)功率下,Yb∶YAG表層摻雜陶瓷和晶體板條的激光輸出功率曲線。可以看出,對于諧振腔激光輸出,輸出功率隨著輸出鏡反射率ROC均呈現(xiàn)先增長后下降的趨勢。其中陶瓷板條激光器,在輸出鏡反射率ROC為20 %到40 %左右之間時(shí),隨著輸出鏡反射率ROC的增加,激光輸出也隨著增長,在80 %達(dá)到最大值0.67 kW。而對于晶體板條來說,最大值在輸出鏡反射率ROC為70 %左右時(shí)達(dá)到,且為0.88 kW,高于陶瓷板條的最高輸出。

圖4 抽運(yùn)功率1.8 kW時(shí)輸出功率隨輸出鏡反射率變化曲線

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,實(shí)驗(yàn)中采用了不同透過率的輸出耦合鏡進(jìn)行激光輸出,本文中選取20 %、25 %、30 %、35 %、50 %、55 %、60 %,6種透過率的輸出鏡進(jìn)行試驗(yàn)。不同透過率的激光輸出與抽運(yùn)能量的關(guān)系如圖5所示。從圖中可以看出,在相同的抽運(yùn)能量下,輸出鏡透過率T=55 %時(shí)激光輸出能量最高,與之前理論分析結(jié)果相吻合。

圖5 激光輸出功率與抽運(yùn)功率的關(guān)系

圖6顯示在T=55 %時(shí),激光器輸出能量以及光光轉(zhuǎn)換效率關(guān)于抽運(yùn)能量的函數(shù)曲線。隨著抽運(yùn)能量的增強(qiáng),激光輸出幾乎為線性增長。在2 Hz的低重復(fù)頻率、1 ms的脈寬的抽運(yùn)條件下,抽運(yùn)能量達(dá)到10 J時(shí),單脈沖激光輸出能量為3.035 J,最大斜率效率為42.0 %,光光轉(zhuǎn)換效率為30.4 %。而且還能發(fā)現(xiàn),激光輸出曲線呈現(xiàn)良好的線性趨勢,并未有明顯飽和現(xiàn)象,可以通過提高抽運(yùn)能量來獲取更高的激光輸出。

圖6 Yb∶YAG陶瓷輸出能量及光光轉(zhuǎn)換效率曲線

5 結(jié) 論

理論上分析了表層摻雜Yb∶YAG陶瓷板條的激光輸出能力。實(shí)驗(yàn)中,采用表層摻雜構(gòu)型的Yb∶YAG陶瓷板條激光器,獲得了3.035 J的1030 nm激光輸出,光光轉(zhuǎn)換效率為30.4 %,最高斜率效率為42.0 %。驗(yàn)證了該種構(gòu)型激光陶瓷的激光輸出可能性,且具有較高水平,可以基于該種基本構(gòu)型設(shè)計(jì)更復(fù)雜的表層摻雜陶瓷。未來為了實(shí)現(xiàn)更高能量的激光輸出,需要對高透過率、低損耗激光陶瓷技術(shù)和高效冷卻技術(shù)等領(lǐng)域進(jìn)行進(jìn)一步的研究。