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高效紧凑室温Yb:YAG板条全固态激光技术研究

高清松 周唐建 尚建力 汪丹 李密 邬映臣 王君涛 王亚楠 徐浏 杜应磊 陈小明 张凯 唐淳

高清松, 周唐建, 尚建力, 等. 高效紧凑室温Yb:YAG板条全固态激光技术研究[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200185
引用本文: 高清松, 周唐建, 尚建力, 等. 高效紧凑室温Yb:YAG板条全固态激光技术研究[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200185
Gao Qingsong, Zhou Tangjian, Shang Jianli, et al. High efficiency and compact Yb:YAG slab all-solid state laser at room temperature[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200185
Citation: Gao Qingsong, Zhou Tangjian, Shang Jianli, et al. High efficiency and compact Yb:YAG slab all-solid state laser at room temperature[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200185

高效紧凑室温Yb:YAG板条全固态激光技术研究

doi: 10.11884/HPLPB202032.200185
基金项目: 国家自然科学基金项目(61705209)
详细信息
    作者简介:

    高清松,男,硕士生导师,研究员,一直从事高功率全固态激光技术研究;15883798199@163.com

  • 中图分类号: TN248.1

High efficiency and compact Yb:YAG slab all-solid state laser at room temperature

  • 摘要: 报道了高效紧凑室温Yb:YAG板条全固态激光研究进展。建立了室温Yb板条激光动力学模型,分析了泵浦激光通量和注入激光亮度与光光效率的关系,以及板条边缘效应抑制方法。实验获得了输出功率22.3 kW、光光效率36%和光束质量优于2.4倍衍射极限的激光输出,为更高功率的Yb板条激光关键技术研究及开发小型化、轻量化、实用化的高功率激光器奠定了基础。
  • 图  1  300 K时Yb:YAG能级结构

    Figure  1.  Yb:YAG energy level structure at 300 K

    图  2  300 K时Yb:YAG的吸收光谱(虚线)和受激发射光谱(实线)

    Figure  2.  Absorption spectra (dashed line) and stimulated emission spectra (solid line) of Yb:YAG at 300 K

    图  3  板条增益模块波前畸变

    Figure  3.  Wavefront distortion of slab gain module

    图  4  反射式4f像传递光路

    Figure  4.  The optical path of reflective 4f image system

    图  5  激光放大链路静态像差测试结果

    Figure  5.  Static aberration test results

    图  6  板条端面及棱边表面质量对比图

    Figure  6.  Contrast diagram of slab surface quality

    图  7  Yb:YAG板条激光MOPA放大链路

    Figure  7.  Schematic diagram of a Yb:YAG slab MOPA amplifier chain

    图  8  单个板条增益模块提取功率与泵浦功率关系(小图中为实验条件下的光光效率)

    Figure  8.  The relationship between the pumped power and extracted power from the single gain module. (the optical conversion efficiency of the single gain module in experiment is shown in the inset.)

    图  9  Yb板条激光远场强度分布,a)主动光学系统开环,b)主动光学系统闭环

    Figure  9.  The far-field intensity distribution of Yb slab laser at the room temperature, a) the active optical system was under the open-loop, b) the active optical system was under the close-loop

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出版历程
  • 收稿日期:  2020-07-02
  • 修回日期:  2020-09-22
  • 网络出版日期:  2020-09-25

高效紧凑室温Yb:YAG板条全固态激光技术研究

doi: 10.11884/HPLPB202032.200185
    基金项目:  国家自然科学基金项目(61705209)
    作者简介:

    高清松,男,硕士生导师,研究员,一直从事高功率全固态激光技术研究;15883798199@163.com

  • 中图分类号: TN248.1

摘要: 报道了高效紧凑室温Yb:YAG板条全固态激光研究进展。建立了室温Yb板条激光动力学模型,分析了泵浦激光通量和注入激光亮度与光光效率的关系,以及板条边缘效应抑制方法。实验获得了输出功率22.3 kW、光光效率36%和光束质量优于2.4倍衍射极限的激光输出,为更高功率的Yb板条激光关键技术研究及开发小型化、轻量化、实用化的高功率激光器奠定了基础。

English Abstract

高清松, 周唐建, 尚建力, 等. 高效紧凑室温Yb:YAG板条全固态激光技术研究[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200185
引用本文: 高清松, 周唐建, 尚建力, 等. 高效紧凑室温Yb:YAG板条全固态激光技术研究[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200185
Gao Qingsong, Zhou Tangjian, Shang Jianli, et al. High efficiency and compact Yb:YAG slab all-solid state laser at room temperature[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200185
Citation: Gao Qingsong, Zhou Tangjian, Shang Jianli, et al. High efficiency and compact Yb:YAG slab all-solid state laser at room temperature[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200185
  • 二极管泵浦的全固态激光器具有效率高、光束质量好、工作稳定、体积小、成本低和维护简单等优点,已广泛应用于激光加工、科学研究及国防防御等领域。但随着二极管泵浦功率的增加,棒状介质的全固态激光功率和光束质量严重受限于增益介质的温度梯度、热应力及热致双折射等,难以向更高平均功率激光发展。为了克服热效应的影响,科研人员提出了多种激光介质构型的固体激光器,如板条、薄片和光纤等方案。板条激光器中光束沿“之”字型光路传输,理论上可以完全补偿一阶热聚焦和热致双折射效应,输出光束质量好。自1972年Martin提出板条构型以来,研究人员采用二极管激光器侧泵浦[1]、端泵浦[2]和角泵浦[3]等多种方式,取得了令人瞩目的成绩,Nd:YAG板条激光的平均输出功率已达到100 kW,成为当前公开报道的全固态激光最高输出功率[4]。但从实际应用来看,Nd:YAG板条激光的电光效率低和单孔径输出功率受限等原因制约了其在系统上的应用,如Northrop Grumman公司的7路合成固体激光器和Textron公司的谐振腔固体激光器,均难以走出实验室,进行系统应用。

    在高功率板条激光器中,激光介质吸收泵浦光产生激光的同时,激光介质也产生了热效应和边缘效应,这些效应会导致光束质量下降和输出功率受限,甚至造成激光介质损坏。为了提高输出功率,通过降低激光介质的产热率是一个很有效的技术途径。随着二极管泵浦亮度的提升,相较于Nd:YAG激光晶体,Yb:YAG在高功率激光系统中显示出更大的优势。Yb:YAG在室温条件下能级结构为准三能级结构(无上能级转换),具有量子亏损低(仅为9%)、吸收光谱和发射光谱宽等特点。2001年,Goodno首次报道了室温Yb:YAG的传导冷却端面泵浦板条激光器,实现415 W近衍射极限激光输出[5]

    近期,中国工程物理研究院应用电子学研究所高能固体激光团队采用复合掺杂的Yb:YAG增益介质,大幅提升传导冷却端面泵浦板条激光输出功率及性能。复合掺杂的Yb:YAG板条能有效分散增益介质内部热产生,同时避免泵浦激光长程吸收导致的泵浦强度剧烈下降的缺陷。2016年,陈小明等首次报道了复合掺杂Yb:YAG板条模块构成的激光器,实现3.6 kW激光输出[6]。2017年,李密等在优化板条增益模块和放大链路的基础上实现7 kW连续激光输出[7]。2018年,徐浏等采用两个Yb板条增益模块串接放大并利用主动光学校正系统,实现连续激光功率11.9 kW、光束质量β优于2.8的激光输出[8]

    本文报道了室温下高效高功率Yb:YAG板条激光技术研究。结合高功率激光器的应用环境和发展趋势,围绕高效率高功率板条激光中的关键技术问题,获得了输出功率22.3 kW、光光效率36%和光束质量β优于2.4倍衍射极限的激光输出,为更高功率的Yb板条激光关键技术研究及开发小型化、轻量化、实用化的高功率激光器奠定了基础。

    • Yb:YAG的能级结构[9]图1,Yb:YAG仅有2F7/2基态和2F5/2激发态两个能级,没有浓度猝灭和上转换等效应[10],Yb:YAG的量子亏损很小。Yb:YAG在室温下的热能大约为200 cm−1,激光下能级的能量为612 cm−1,热粒子数大约为5%,构成准三能级系统。Yb:YAG的激光动力学过程较复杂,主要特征为:吸收截面和受激发射截面依赖于Yb:YAG的温度;室温条件下,Yb:YAG对1030 nm激光存在自吸收,实验测得的荧光谱与实际激光过程的增益谱有一定差异;上、下能级的各Stark子能级分别构成两个热平衡态。为了实现有效的激光作用,泵浦亮度需要达到阈值的数倍。

      图  1  300 K时Yb:YAG能级结构

      Figure 1.  Yb:YAG energy level structure at 300 K

      图2为300 K时Yb:YAG的吸收光谱和受激发射光谱[11],由图2可以知道Yb:YAG最强的吸收峰在941 nm,其吸收带宽达到18 nm,激光跃迁的中心波长为1030 nm。

      图  2  300 K时Yb:YAG的吸收光谱(虚线)和受激发射光谱(实线)

      Figure 2.  Absorption spectra (dashed line) and stimulated emission spectra (solid line) of Yb:YAG at 300 K

      Yb:YAG激光器的输出性能受介质工作温度影响较大,温度升高将会导致Yb:YAG下能级的热粒子数增加、受激发射截面减小,进而使得激光器效率下降。低温冷却Yb:YAG可以减少热粒子数和增大受激发射截面,从而提高了Yb:YAG激光器的光光效率[1215]。但还需解决低温冷却Yb:YAG激光器的激光系统体积庞大、低温与室温交变时激光器稳定性差等问题,才能得到实际应用。Yb激光体制在室温下为准三能级系统,需要高亮度泵浦和高通量激光注入才能获得高效率激光输出。且Yb板条在提取过程中,存在材料自吸收和自发辐射放大(ASE)相互耦合。在已有高能固体激光理论模型的基础上,完善Yb:YAG高功率激光动力学放大理论模型,直观显示了各种因素对光光转换效率的影响,并分析增益介质中自发辐射对激光提取的影响和泵浦提取过程产热特性及板条边缘发热特性。

    • 非圆对称结构的板条激光具有很大的温度梯度和边缘应力,其主要原因在于高泵浦通量导致入射到侧面的泵浦功率密度高以及大尺寸Yb板条中ASE荧光部分被侧面吸收。为了减小板条边缘的透射波前畸变,对板条构型进行特殊设计来抑制板条边缘效应。分析板条宽度方向上温度梯度分布和激光波前的边缘效应,建立了合理的边缘效应分析的数理模型。基于泵浦提取产热特性和边缘发热特性,利用热传导方程,通过数值迭代算法,对板条宽度方向上的波前边缘效应进行分析。

      优化板条构型,利用外侧面来减小掺杂区边缘的温度梯度,进而提高输出激光的光束质量,增大激光板条的可用口径,提高光光转换效率。图3是特殊构型板条增益模块输出波前数值模拟结果。通过板条边缘的特殊设计,板条掺杂区90%口径的温差不大于2 ℃,波前起伏小于2 μm,中间区域平坦无高阶量。理论计算和实验验证表明,对板条边缘特殊设计能有效地降低板条边缘区域大温度梯度和波前畸变,进而有效抑制板条边缘效应,为获得优质光束质量打下基础。

      图  3  板条增益模块波前畸变

      Figure 3.  Wavefront distortion of slab gain module

    • 在板条激光放大链路中(平均光通量大于10 kW/cm2),透射式元件因材料的吸收散射带来主激光功率损失,元件表面的剩余反射光逆向传输放大导致系统的稳定性下降。另外,高储能增益模块的波前畸变会导致激光经自由空间传输后在板条出入口处衍射损耗增加,加大系统安全风险。为降低透射元件使用率,增强激光系统的稳定性,激光链路采用反射式4f像传递设计。

      相对透射式链路设计,反射式链路的静态像差明显减小。在板条宽度方向,光线正入射到球面反射镜表面,主要产生球差;在厚度方向,镜面略微倾斜,主要产生像散。因反射式4f像传递光路采用旁轴对称像差补偿设计,如图4,厚度方向上的像散可以相互补偿。但宽度方向上的球差无法以相同的方式被消除,且会在沿着链路传输的过程中不断累积扩大。但对于同样焦距的透射元件与反射元件,反射元件曲率是透射元件的4倍,其球差值大幅降低。实验测得,弱光下反射式放大4f系统全链路的球差PV值仅为透射式1/4,如图5

      图  4  反射式4f像传递光路

      Figure 4.  The optical path of reflective 4f image system

      图  5  激光放大链路静态像差测试结果

      Figure 5.  Static aberration test results

      室温Yb板条激光要实现高效率激光输出,泵浦激光亮度和注入激光通量均要提升,对光学元件的负载能力提出了较高要求。采用板条表面微处理技术,降低板条表面10 um缺陷的数量,提高板条基底表面光学质量。板条的棱边和端面进行精细处理,板条崩边得到有效控制。对镀膜过程中产生的边缘绕射、薄膜材料吸收、及清洗溅射表面缺陷进行处理,以遏制泵浦光和注入激光对端面共同加热导致的端面温度异常温升高,降低端面温度和应力。利用等效折射率和匹配层的方法设计全新的激光晶体的增透膜,提高了制备的重复性和激光损伤阈值。实现板条大面与端面锐角边缘满镀,边缘缺陷控制在15 μm以下。通过降低膜层边缘缺陷率,板条端面温升降低约40%。图6为板条表面精细处理前后微观形貌对比图,通过对板条表面加工及镀膜工艺的优化,板条端面及棱边的表面质量得到明显提升。

      图  6  板条端面及棱边表面质量对比图

      Figure 6.  Contrast diagram of slab surface quality

    • 为验证高储能Yb增益模块输出功率及多模块MOPA放大的可行性,在实验室搭建了一台由3个Yb:YAG板条增益模块组成的高功率连续激光放大链路。该链路主要包含光纤激光种子源、预放大器、主放大器及主动光学校正系统,如图7。图中,A1、A2、A3为孔径光阑,BS1、BS2、BS3为整形透镜组,实现放大链路中各级功放元件及主动光学矫正系统的口径匹配;GM1、GM2为板条增益模块,通过采用大口径多浓度掺杂的Yb:YAG板条设计及微通道高效冷却等技术,实现Yb板条高亮度泵浦及激光功率高效放大;AO为主动光学校正系统,用于提升输出激光光束质量,主要包括SH(哈特曼波前测量系统)和DM(变形镜)等,DM为67单元变形镜,有效校正口径大于70 mm。

      图  7  Yb:YAG板条激光MOPA放大链路

      Figure 7.  Schematic diagram of a Yb:YAG slab MOPA amplifier chain

      测试高储能增益模块的光光效率,注入激光功率为11 kW,激光通量为16.3 kW/cm2。在主放增益模块的泵浦功率为31 kW时,从模块中提取功率为11.3 kW,光光效率36.5%,如图8。激光放大链路总输出功率22.3 kW,输出光束波前畸变经主动光学系统校正,获得光束质量优于2.4倍衍射极限的激光输出,这是目前国际上基于室温Yb:YAG板条的最高输出功率和最优的光束质量。光光效率不高的主要原因在于目前的激光泵浦亮度较低(~20 kW/cm2)和激光通量低(16.3 kW/cm2)。理论计算表明,减小传输损耗、提升激光泵浦亮度(~30 kW/cm2)和激光通量(25 kW/cm2),光光效率可大幅提升至46%。

      图  8  单个板条增益模块提取功率与泵浦功率关系(小图中为实验条件下的光光效率)

      Figure 8.  The relationship between the pumped power and extracted power from the single gain module. (the optical conversion efficiency of the single gain module in experiment is shown in the inset.)

      放大链路输出激光波前畸变由哈特曼波前传感器测得。当输出功率22.3 kW时,波前畸变的PV与RMS值分别为3.3 μm和0.5 μm。主动光学系统闭环后,输出光束波前畸变的PV与RMS值被变形镜校正到0.7 μm与0.1 μm。校正效果由光束质量测试仪(β仪)测试获得。放大链路输出激光光束质量β由9.2提升至2.4,如图9。实验结果进一步说明Yb:YAG板条增益模块能够有效放大激光功率同时保持良好的光束质量。

      图  9  Yb板条激光远场强度分布,a)主动光学系统开环,b)主动光学系统闭环

      Figure 9.  The far-field intensity distribution of Yb slab laser at the room temperature, a) the active optical system was under the open-loop, b) the active optical system was under the close-loop

    • 团队研制了20 kW的高功率Yb板条激光样机并得到实际应用,通过样机的应用进一步验证室温Yb板条激光技术可行性。板条增益模块采用三级模块化设计和热管理一体化设计,模块体积小于0.05 m3,可提取激光功率大于20 kW,单次工作时间大于150 s。由板条增益模块组成的激光链路输出功率20 kW时,测得激光启动时间优于0.4 s,而其他类型激光器的启动时间一般约2 s,在实际应用中具有优势。采用紧凑型设计,激光链路的体积功率比为35 kW/m3,该技术路线的紧凑性得到初步验证。激光链路累计稳定出光时间4000 s,考核了长时间稳定工作能力。

    • 针对高功率激光光源需求,采用二极管激光泵浦Yb:YAG板条激光放大技术路线,验证了室温Yb板条实现高功率激光的可行性,增强了对室温下大口径Yb增益介质强高亮度泵浦、高通量注入下激光放大过程的物理认识和理解,并实现单链路22.3 kW,光束质量优于2.4倍衍射极限激光输出。该项研究结果为高功率激光技术进一步发展提供了重要参考价值,为实现高功率高效率紧凑型激光器奠定重要的技术基础。

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