Hundred-watt level VCSEL-pumped laser with near diffraction limit beam quality
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摘要: 报道了高功率、高光束质量的垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)侧泵的Nd:YAG激光振荡器。从VCSEL泵浦源的主动冷却的热沉结构出发，设计了5个227 W的VCSEL线阵，并且通过优化侧面泵浦大口径激光棒的结构，研制成了具备480 W输出能力的棒状激光模块，相应的光-光效率为49.7%。在此基础上，设计了一种高功率、高光束质量的VCSEL侧面泵浦棒状Nd:YAG激光振荡器。腔内插入望远镜光学元件，并通过优化各光学元件的参数使其工作在热近非稳区域，以达到增大基横模体积和抑制高阶横模目的。最终，获得114 W的输出功率，相应的平均光束质量因子M2为1.42。由于VCSEL具备优秀的波长-温度稳定性，这种高功率、高光束质量的VCSEL泵浦的固体激光器在工业、空间等领域，具有极为广阔的应用前景。
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关键词:
- 垂直腔面发射半导体激光器 /
- 激光振荡器 /
- 近衍射极限光束质量 /
- 高功率 /
- 棒状激光器
Abstract: A high power high beam quality vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) side-pumped rod Nd:YAG laser oscillator is demonstrated. Based on the macro-channel optimization of the active heat sink for the VCSEL pump source, five 227 W VCSEL linear arrays are manufactured. By optimizing the structure of the side-pumped diffuse chamber, a rod laser module with an output capacity of 480 W and 49.7% optical-to-optical efficiency is developed. Accordingly, a telescopic module is introduced in the laser oscillator to realize a large fundamental mode volume, and thermal-near-unstable parameters is further optimized to suppress higher transversal modes. Finally, an output power of 114 W is obtained with an average beam quality factor M2 of 1.42, and the power variations are ± 0.9% over 200 s and ± 4.2% over the temperature range from 18 ℃ to 26 ℃. To the best of our knowledge, this is the first time that a hundred-watt level and near diffraction limit beam quality laser is generated by VCSEL pumped scheme. Due to the excellent temperature stability of the VCSEL, this high-power and high beam quality solid-state laser has a promising competence in industry, space and other complicated environments. -
电源系统是高重频自由电子激光装置（XFEL）的重要组成部分，需要在装置运行过程中得到可靠控制[1-4]，但装置现有设备及后期新增设备接口标准多样、布局分散，采用单一的开发工具或平台会使其控制系统研发效率低、可扩展性差、系统间数据实时共享复杂，而使用有效的集成工具进行控制系统的开发，利用分布式体系结构的特点，有利于解决系统集成中的异构操作等通用性问题。EPICS适用于多任务并发、多用户交互的分布式运行环境，具有异步通讯模块驱动接口，通过与StreamDevice的交互，简化了多样标准接口协议设备的接入程序，降低系统开发难度，提高了系统开发效率。本文针对XFEL装置中各类接口的电源设备，利用EPICS工具集，设计了不同接口类型设备的IOC，采用CSS完成用户端应用程序OPI的开发，实现了高重频XFEL装置电源系统的集中远程控制，易于扩展，满足装置运行需求。
1. EPICS介绍
EPICS是基于C/S的分布式软件架构，由美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）和阿贡国家实验室（ANL）于20世纪90 年代初为加速器等大型试验装置联合开发的控制系统，广泛应用于国内外的实验室和科学装置[5-6]，如国际热核聚变装置ITER、欧洲散裂中子源ESS、德国电子同步辐射加速器DESY、日本高能加速器研究中心的Super KEKB，以及国内的散裂中子源CSNS、合肥光源HLSII、上海同步辐射光源SSRF等大科学装置。
EPICS 软件体系主要由三部分构成：操作员接口OPI，通道访问控制组件CA（包括CA客户端CAC和CA服务端 CAS）以及输入输出控制IOC[7-8]。EPICS的通道访问机制建立在TCP/IP协议基础之上，负责OPI与IOC之间的网络通讯。系统的I/O量主要响应来自OPI的命令和来自设备控制器的各种操作状态变化，采用动态数据库记录I/O数据。数据库则分布式地存放于现场运行的IOC中，I/O量对应于数据库的一个记录事例。EPICS 通过基础内核IOC CORE中的扫描器（SCANNER）确定何时处理数据库记录（也称为过程控制模块），主要扫描机制有周期、事件触发和被动三种。
2. 高重频自由电子激光装置电源系统
高重频自由电子激光装置电源系统分布于装置实验大厅的光阴极微波电子枪及超导加速增能段沿线，按照输出功能分为3类，分别是低能段电源（LEP）系统、电子枪调制器功率源（MO）系统和高能段电源（HEP）系统。具体参见图1所示，前端设备层中为各电源设备，其中低能段电源系统包含主线圈电源（MP）1台、四极补偿线圈电源（QuardP）2台、二极补偿线圈电源（DioP）2台、次线圈电源（SecP）1台、矫正子电源（RectP）2台、分析铁电源（AnalP）1台；电子枪调制器功率源系统则包含1套高压电源（HVP）；高能段电源系统包含矫正子电源（RectP）6台，螺线管主电源（SoleMP）1台、螺线管四极场电源（SoleQuadP）2台、分析铁电源（AnalP）1台、四极铁电源（QuadP）3台、四极铁磁透镜电源（QuadMagnP）4台。全部电源系统包含5个品牌共27台电源设备，均配置了内置控制器及标准形式接口。电源内置控制器实现电源自身的操作控制及状态监测，并通过标准接口实现与控制系统的通讯。电源设备接口有RS-232、RS-485及RJ45等，而通讯协议形式也较多样，如MODBUS RTU、SCPI以及厂家自定义的ASCII码或16进制的非标协议等。电源控制系统需要完成全部电源设备的参数设置、状态监测、数据采集以及操作控制等。
图 1 高重频XFEL电源控制系统结构图Figure 1. Frameworks of control system for high repetition rate XFEL power supplies3. 控制系统的设计与实现
3.1 EPICS环境搭建
本文选用了64位的Centos 7.8作为设备驱动层的服务器操作系统，采用EPICS官网提供的base-3.15.9稳定版，在/home/work/epics路径下解压缩EPICS Base，得到base-3.15.9的文件夹。由于服务器操作系统架构为linux-x86_64，需要通过root用户目录下的/bashrc文件，设置EPICS的全局变量：
export EPICS_HOST_ARCH=linux-x86_64
export EPICS_BASE=/home/work/epics/ base-3.15.9
export PATH=
$ {\$} $ PATH: {EPICS_BASE}/bin/$ {\$} $ {EPICS_HOST_ARCH}终端运行source～/.bashrc使得上述设置的全局变量生效，然后通过make执行编译，若终端未报错，则顺利完成EPICS Base的安装。
在/home/work/epics/modules路径下解压缩EPICS官网提供的asyn4-23，修改configure文件夹下的Release文件，通过EPICS_BASE= /home/work/epics/ base-3.15.9定义EPICS Base以及modules的安装位置。通过make编译，完成异步通讯Asyn模块的安装。
建立IOC架构，并在生成的IOC中修改configure文件夹下的Release文件，通过ASYN= /home/work/epics/modules/asyn4-23添加ASYN的路径，为StreamDevice提供需要的库文件。在/home/work/epics/modules路径下解压缩EPICS官网提供的StreamDevice，进入新生成的文件夹，通过终端执行make，完成StreamDevice的安装[9]。
3.2 控制系统总体架构
高重频XFEL电源控制系统总体架构如图1所示，采用3层式的分布式体系结构，分别是前端设备层、控制层和应用层。前端设备层主要由具备远程控制接口的低能段电源、电子枪调制器功率源和高能段电源等构成，所有的电源设备的控制接口通过协议转换器（如串口设备联网服务器）接入前端设备网络；控制层主要由实现设备驱动和接口的输入输出控制器（IOC）组成，IOC可通过实时数据库完成电源数据的实时采集和存储，同时响应来自OPI客户端的请求，将实时数据传给OPI；应用层主要是操作接口（OPI），由面向客户的各类应用程序组成，完成设备控制、监测和数据管理等任务。
系统基于EPICS的C-S模型，在TCP/IP协议之上建立CA的通道访问机制，并为客户和服务器分别提供应用接口子程序库。CA提供包括动态通道定位，数据读写，访问监控，连接监控和自动重接等的服务[8]，CA客户可以根据通道名直接访问系统中的任一个通道。
本控制系统的I/O数据采用EPICS现场运行的动态数据库来记录数据。数据库按照前述设备分类分布在IOC中，每个通道都作为数据库的一个记录存放在控制该通道的IOC中，每个记录中的值来自前端硬件设备输出、操作员命令或者其它记录的输出。
3.3 IOC驱动
EPICS IOC的核心是一个常驻内存的分布式实时数据库系统，提供上百种PLC、GPIB、VME、现场总线设备等的I /O 驱动程序[5]，其驱动程序由上层到底层共分为记录支持 、设备支持和设备驱动这3层，并根据前端设备响应时间的长短分为同步设备支持（用于没有I/O延时或小于ms级别的延时，如基于寄存器的设备）和异步设备支持（常用于大于100 ms的I/O延时，如基于GPIB、串口、以太网的设备）。
EPICS的Asyn虽然提供了异步设备支持，但需专门开发设备支持文件以及数据库定义文件，转换程序过程繁琐，系统研发难度大、效率低[10]。而StreamDevice以协议文件的方式描述前端设备接收、发送字符串的指令格式，调度和管理Asyn的同时，也提供对上层的记录支持，是一种基于数据流的设备通讯驱动软件模块，简化了设备驱动的开发过程，适用于本文所有电源设备。
以电源系统中高能段的矫正子电源“读取通道2电压值”为例，需要根据电源厂商提供的通讯协议编写协议文件hiEPowerCorrJY.proto，如下代码所示，其中<crc16r>是指对发送数据的循环冗余校验，StreamDevice自带对CRC校验的多种计算代码方式，但若与厂家定义的算法有差异，还需自行到模块中对应计算校验的代码处修改。
read_VCP_C2_HEPC_03{
out 0x00,0x03,0x02,0x07,0x00,0x06,"%<crc16r>"; #输出读电源通道2电压值指令
in 0x00,0x03,0x0C,"%r"; #读收到的电源电压值
}
在数据库文件hiEPowerCorrJY.db中，建立waveform类型的数据记录"Read_VCP_C2_HEPC_03"：
record(waveform,"Read_VCP_C2_HEPC_03") #从设备获取读数据包（含电压、电流、功率）
{
field(SCAN,"1 second")
field(DTYP,"stream")
field(FTVL,"USHORT")
field(NELM,"14") # NELM, "14"表示获取数据的长度
field(INP,"@hiEPowerCorrJY.proto read_VCP_C2_HEPC_03 L6") #"L6"是电源连接的串口服务器端口代号
field(FLNK,"ReadVH_C2_HEPC_03") #执行下一个记录"ReadVH_C2_HEPC_03"
}
record(subArray,"ReadVH_C2_HEPC_03") #从数据包中截取电压值的数据字节（字节02）
{
field(SCAN,"Passive")
field(INP,"Read_VCP_C2_HEPC_03")
field(MALM,"3")
field(NELM,"1")
field(INDX,"2") # INDX, "2"表示在数据包中的索引位置
field(FLNK,"ReadVL_C2_HEPC_03")
}
record(subArray,"ReadVL_C2_HEPC_03") #从数据包中截取电压值的数据字节（字节03）
{
field(SCAN,"Passive")
field(INP,"Read_VCP_C2_HEPC_03")
field(MALM,"4")
field(NELM,"1")
field(INDX,"3")
field(FLNK,"calcReadV_C2_HEPC_03")
}
record(calc,"calcReadV_C2_HEPC_03") #将获取的数据字节按照厂商自定义的规则处理
{
field(SCAN,"Passive")
field(INPA,"ReadVH_C2_HEPC_03")
field(INPB,"ReadVL_C2_HEPC_03")
field(CALC,"((A & 255)*256 + (B & 255))/
1000.000 ")field(FLNK,"ReadCH_C2_HEPC_03") #执行下一个记录（读电流值）"ReadCH_C2_HEPC_03"
}
完成协议文件和数据库文件后，配置启动文件st.cmd，文件中加载的命令如下，可实现对电源设备串口等的配置：
epicsEnvSet(STREAM_PROTOCOL_PATH,"../../…App/Db") #指定.proto文件位置
dbLoadRecords("db/hiEPowerCorrJY.db","user=rootHost") #指定.db文件位置
drvAsynIPPortConfigure("L6","192.168.127.254:
4005 ",0,0,0) #"192.168.127.254:4005 "是电源连接的串口服务器端口地址，表明IOC是通过以太网以TCP/IP的方式控制电源。4. 实验测试
高重频XFEL电源控制系统采用了两台工控机作为IOC，这两台IOC同时兼具了OPI的角色。IOC上安装Linux Centos7.8 64位服务器版的操作系统。在IOC上完成EPICS安装后，编写完成全部设备的协议文件*.proto 和数据文件*.db。在调试IOC的同时，通过CSS编写完成用户远程控制应用程序和界面[11]。图2为电源控制系统界面。
图 2 电源控制系统界面Figure 2. Interface of control system for high-repetition XFEL power supplies本项目控制系统不但实现了内部程序、数据和相关电源设备的信息共享，还通过接入同样基于EPICS的总控网络，为总控安全联锁等也提供了电源设备工作的关键信息，提高了系统适应性。基于EPICS的分布式体系结构的应用，使得子系统之间相互独立，某一设备出现故障不会影响系统整体，系统仍可带故障运行，容错率高，而系统之间通过数据交互实现诊断、保护与监测，可靠性也得到了保障。另外，本项目控制系统的稳定性主要通过控制设备和控制程序的稳定性来实现，控制程序在上线前均经过端口和应用项的基本功能测试，满足上线要求才投入在线调试和使用，而控制设备也需符合电磁兼容标准。控制系统经过参与高重频XFEL装置调试及后期的物理实验运行，以及与实验操作人员多次迭代后，不断完善，最终形成功能结构清晰、操作简单并具有联锁功能的控制系统。 调制器电源控制系统界面如图3所示。
完成系统调试后，装置整机运行稳定、可靠，成功获得4脉冲激光信号波形，如图4所示（纵坐标是激光信号转为电压信号后的幅值，横坐标为时间值），使装置产生了间隔2.3 ns的4脉冲电子束，这些电子束发射度低、束流品质高，如图5所示（纵坐标ϕy是束流在y方向上的尺寸，横坐标Iq为扫描四级铁磁场对应的电流值，
$\varepsilon_{n_y} $ 是束流在y方向上的归一化发射度），四级铁电流获取的发射度表明了电源控制系统良好的工作性能。由图可知，归一化发射度为0.404 μm，误差为5 nm，初始束流在y方向上的尺寸0.15 mm。5. 结 论
本项目控制系统采用EPICS作为系统开发平台，充分利用其分布式架构特点及异步通讯模块驱动的便利性，快速接入多样标准接口协议设备，实现了高重频XFEL装置全部电源设备的实时集中远程监控，全部系统信息存储在IOC数据库中，控制系统网络上的任何被授权主机均可通过CA访问，读取EPICS系统中的数据，从而实现XFEL装置中其他相关系统与电源系统的数据共享，是一个模块化、易扩展、稳定可靠的工作系统。
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图 2 VCSEL侧面泵浦Nd:YAG棒状激光模块的剖面图。插图：总泵浦功率为1135 W时ϕ8 mm激光棒吸收泵浦功率的分布截面图
Figure 2. Pumping configuration of the VCSEL side-pumped rod Nd:YAG laser module. Inset: the simulation of the absorbed pump power distribution in the middle cross section of the ϕ8 mm rod at total pump power of 1135 W
图 3 VCSEL侧面泵浦棒状Nd:YAG激光模块的输出功率和光-光转换效率随泵浦功率的变化关系图
Figure 3. Output power and optical-to-optical conversion efficiency of the VCSEL-side-pumped rod Nd:YAG laser module versus the pump power under CW operation
图 4 带有望远镜光学元件的VCSEL侧面泵浦棒状Nd:YAG激光振荡器的实验装置图
Figure 4. Schematic diagram of the VCSEL side-pumped rod Nd:YAG laser oscillator with telescopic resonator
图 5 计算的基横模光斑半径随热焦距的变化曲线
Figure 5. Fundamental laser mode radius versus the thermal focal length
图 7 最大输出功率下的VCSEL侧面泵浦棒状激光器的光束质量测量值。插图：光束的二维空间强度分布图
Figure 7. Measured beam quality factors at the maximum output power. Inset: beam two-dimensional spatial profile
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