王建才,張一鳴,白振岙,王祎然,蘇現(xiàn)翠,張丙元

(1.聊城大學(xué) 物理科學(xué)與信息工程學(xué)院、山東省光通信科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 聊城 252059;2.中國(guó)科學(xué)院 空天信息創(chuàng)新研究院,北京 100094)

0 引言

具有高功率的超短脈沖激光器在工業(yè)加工、波導(dǎo)刻蝕等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[1-5]。相比于納秒(10-9s)脈沖激光,皮秒(10-12s)脈沖激光峰值功率更高、熱效應(yīng)更小、加工精度更高和加工質(zhì)量更好,在材料精細(xì)微加工方面具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)[6-9]。利用半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM)的被動(dòng)鎖模激光器[10-14]具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低和輸出功率高等優(yōu)點(diǎn),是獲得皮秒超短脈沖的主要技術(shù)。但在通常情況下,由于鎖模激光器直接輸出的激光脈沖單脈沖能量低、重復(fù)頻率高,使其在一些領(lǐng)域的應(yīng)用中受到限制[15]。為了獲得高功率高能量的激光脈沖,需要利用激光放大器對(duì)激光脈沖進(jìn)行放大。放大器主要分為兩類:再生放大器和行波大器。再生放大器具有高脈沖能量、高增益的優(yōu)點(diǎn),但再生放大器系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜,成本較高,并且對(duì)平均功率的提升效果不明顯[16,17]。相比之下,行波放大器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加的緊湊,含有更少的光學(xué)元件和更低的光學(xué)損耗。同時(shí)基于行波放大過(guò)程的高功率皮秒激光器具有較高的穩(wěn)定性和更高的重復(fù)頻率,更有利于高速精密加工等工業(yè)應(yīng)用。

近年來(lái),行波皮秒放大器備受國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注。2012年,Xu等以Nd:YVO4晶體為增益介質(zhì),采用行波放大結(jié)構(gòu),獲得了平均功率為73 W,重復(fù)頻率79 k Hz,脈沖寬度15 ps的輸出激光[18]。2016年,Guo等采用行波放大器,以Nd:Gd VO4晶體為增益介質(zhì),成功實(shí)現(xiàn)了平均功率99 W,脈沖寬度12.4 ps的激光脈沖輸出[19]。2018年,Cheng等通過(guò)一級(jí)單通放大將平均功率為1.38 W、重復(fù)頻率為3.24 GHz的種子光放大至11.34 W[20]。2019年,Liu等通過(guò)行波放大結(jié)構(gòu)獲得了平均功率16.19 W、脈沖寬度17.6 ps、重復(fù)頻率為500 k Hz的激光脈沖輸出,其光光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了51.07%[21]。同年,盧尚等通過(guò)兩級(jí)放大系統(tǒng),成功實(shí)現(xiàn)了平均功率為39.5 W、重復(fù)頻率1 k Hz和脈沖寬度11 ps的激光脈沖輸出[22]。2020年,Jia等利用行波單通放大結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)平均功率35.7 W、脈沖寬度16.9 ps和脈沖能量71.4μJ的激光輸出[23]。

本文采用SESAM光纖鎖模激光器作為種子源設(shè)計(jì)了行波放大結(jié)構(gòu)。利用光纖耦合輸出的中心波長(zhǎng)為885 nm的半導(dǎo)體激光器作為泵浦源,采用直接泵浦方式,以Nd:YVO4晶體為增益介質(zhì),通過(guò)兩級(jí)行波放大,獲得了平均功率為33.7 W、重復(fù)頻率為70.4 MHz、脈沖寬度9.4 ps的超短脈沖。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及裝置

圖1為皮秒激光放大器裝置圖,由一個(gè)皮秒激光種子源和兩個(gè)雙通放大器組成。裝置中種子源為光纖鎖模激光器,可以提供輸出波長(zhǎng)1 064 nm、重復(fù)頻率70 MHz和脈沖寬度8.5 ps的種子光,其光束質(zhì)量因子M2小于1.1。種子源輸出功率為220 m W。經(jīng)過(guò)測(cè)試,該光纖鎖模激光器中心波長(zhǎng)為1 064.86 nm,重復(fù)頻率為69.7 MHz,脈沖寬度為8.468 ps。

圖1 皮秒激光放大裝置圖

種子光在通過(guò)透鏡組準(zhǔn)直和整形,然后通過(guò)隔離器進(jìn)入第一級(jí)放大器(預(yù)放大器)進(jìn)行功率放大,隔離器的作用可以防止被放大的光脈沖返回種子源,種子光到達(dá)增益介質(zhì)被單次放大,光束被M5平面全反鏡反射回去,再次通過(guò)增益介質(zhì)被放大。種子光在經(jīng)過(guò)雙通放大后,經(jīng)過(guò)隔離器進(jìn)入第二級(jí)雙通放大器再次進(jìn)行功率放大。第二級(jí)放大器的結(jié)構(gòu)與第一級(jí)相同。在兩級(jí)放大結(jié)構(gòu)中都以Nd:YVO4晶體作為增益介質(zhì),摻雜濃度為0.5%,尺寸大小為4 mm×4 mm×30 mm,其晶體兩端面鍍885 nm和1 064 nm的增透膜,同時(shí)晶體被銦箔包裹放入水冷熱沉中進(jìn)行散熱,水冷溫度為25℃。Nd:YVO4晶體對(duì)808 nm泵浦波長(zhǎng)具有更高的吸收效率,但是較低的量子效率使晶體對(duì)808 nm波長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的熱效應(yīng),在高泵浦功率時(shí)會(huì)影響光束質(zhì)量,產(chǎn)生光斑熱畸變[24]。利用880 nm泵浦可以有效提高量子效率,減少晶體中的熱透鏡效應(yīng)。并且Nd:YVO4晶體在880 nm附近的吸收峰較寬,降低了晶體對(duì)泵浦波長(zhǎng)的敏感性?；谝陨戏治霰緦?shí)驗(yàn)選取中心波長(zhǎng)為885 nm的半導(dǎo)體激光器為泵浦源,采用直接泵浦方式進(jìn)行放大。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)調(diào)整兩級(jí)中不同透鏡組(F3和F4、F5和F6),使種子信號(hào)光的光束半徑稍微大于泵浦光的半徑,使兩束激光達(dá)到最佳模式匹配,提升放大效率,進(jìn)而獲得功率高、光束質(zhì)量好的皮秒激光脈沖。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在兩級(jí)放大系統(tǒng)中,首先調(diào)節(jié)種子光通過(guò)隔離器進(jìn)入第一級(jí)雙通放大,在兩次通過(guò)Nd:YVO4晶體后,功率被放大至9.5 W,此時(shí)泵浦源輸出的功率約為110 W。然后經(jīng)過(guò)第二級(jí)雙通放大后,當(dāng)泵浦源功率為112 W時(shí),放大器輸出平均功率增加到33.7 W。放大器光光轉(zhuǎn)換效率為15.2%。通過(guò)示波器(Tektronix)對(duì)輸出脈沖進(jìn)行了測(cè)量,結(jié)果如圖2所示,由圖可知經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大后的激光輸出頻率為70.4 MHz,激光脈沖波形非常的穩(wěn)定。通過(guò)光譜儀(Yokogawa)測(cè)得的激光光譜如圖3所示,其中心波長(zhǎng)為1 064.856 nm,光譜寬度為0.28 nm。同時(shí)利用自相關(guān)儀(APE pulse check)對(duì)脈沖寬度進(jìn)行了測(cè)量,結(jié)果如圖4所示,輸出激光脈沖寬度為9.4 ps,對(duì)于脈寬的輕微展寬可以歸因于在放大過(guò)程中出現(xiàn)的色散影響。

圖2 輸出脈沖序列

圖3 激光脈沖輸出光譜

圖4 激光脈沖自相關(guān)曲線

采用光束質(zhì)量分析儀對(duì)輸出激光的光束質(zhì)量進(jìn)行了測(cè)量,其結(jié)果如圖5(a)所示,從圖中可以看出,輸出激光光斑具有較好的圓度。光束質(zhì)量因子M2在x方向上為1.15,y方向上為1.13。較好的光束質(zhì)量表明放大器中的熱效應(yīng)控制在了良好水平。結(jié)果表明采用885 nm光纖耦合半導(dǎo)體激光器直接泵浦Nd:YVO4晶體可以有效降低晶體中的熱效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)中對(duì)激光器進(jìn)行了功率穩(wěn)定性測(cè)試,從圖5(b)可以看出,激光器連續(xù)工作8 h,其輸出平均功率為33.7 W,功率抖動(dòng)性RMS＜1%,具有極佳的功率穩(wěn)定性。這些結(jié)果表明,通過(guò)兩級(jí)放大裝置,可以獲得高重復(fù)頻率、高平均功率和高穩(wěn)定性的皮秒脈沖激光。

圖5 (a)放大后的光束輪廓;(b)長(zhǎng)時(shí)間輸出功率穩(wěn)定性

3 結(jié)論

本文以脈沖寬度為8.468 ps的光纖鎖模激光器作為種子源,利用中心波長(zhǎng)為885 nm半導(dǎo)體激光器作為泵浦源,通過(guò)Nd:YVO4兩級(jí)放大行波放大器,獲得了重復(fù)頻率為70.4 MHz,脈沖寬度9.4 ps的激光脈沖。放大后的脈沖寬度略大于種子光脈沖寬度,歸因于在放大過(guò)程中出現(xiàn)的色散影響。當(dāng)一級(jí)泵浦功率為110 W、二級(jí)泵浦功率為112 W時(shí),放大器輸出平均功率為33.7 W,放大器光光轉(zhuǎn)換效率為15.2%,對(duì)種子光的放大倍率約為153。放大器采用直接泵浦的方式有效減少了晶體的熱效應(yīng),其輸出激光光斑具有較好的圓度,光束質(zhì)量因子M2在x方向上為1.15,y方向上為1.13。同時(shí)在8 h的滿功率連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)下,表現(xiàn)出了極佳的功率穩(wěn)定性。所研究的高功率皮秒激光器在精密激光加工和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。