激光二極管端面抽運(yùn)的焦耳級(jí)10Hz_V_型水冷Yb_YAG激講解

1、第37卷第1期中國(guó)激光V ol.37,N 0.12010 年 1 月CHINESE JOURNAL O F LASERSJa nuary,2010文章編號(hào)：0258 7025（201001 0044 05激光二極管端面抽運(yùn)的焦耳級(jí)10Hz V型水冷Y b:Y AG激光器段文濤蔣新穎蔣東鑌鄭建剛李明中於海武（中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心，四川綿陽(yáng)621900摘要為研究激光二極管抽運(yùn)的大能量重復(fù)頻率Yb:Y A G激光器的關(guān)鍵單元技術(shù),建立了焦耳級(jí)10H z V型有源鏡（AM構(gòu)型丫 b:Y AG激光器。設(shè)計(jì)了一套空心導(dǎo) 管抽運(yùn)耦合系統(tǒng)，獲得了 90%的抽運(yùn)耦合效率。設(shè)計(jì)了水冷增益介質(zhì)的熱管理

2、方 案,10Hz自由振蕩模式工作時(shí)獲得3.3J激光輸出，光光轉(zhuǎn)換效率27.5%,相對(duì)1H z重 復(fù)頻率工作（4.4J能量?jī)H下降了 25%。對(duì)正、背面抽運(yùn)兩種構(gòu)型的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果 表明,正面抽運(yùn)對(duì)介質(zhì)熱效應(yīng)的抑制弱于 背面抽運(yùn),與計(jì)算結(jié)果一致，但正面抽運(yùn) 效率高，無(wú)鍍膜難題，更有利于工程化。關(guān)鍵詞 固體激光器；激光二極管抽運(yùn)；Y b:Y AG晶體;熱管理中圖分類(lèi)號(hào) T N248.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A do i :10.3788/CJL 20103701.004410Hz Joule Class Laser Diode End Pumpe d V Shap ed Water Coole dY b:Y

3、AG OscillatorDuan Wen tao Jia ng Xinying Jia ng Dongbin Zheng Jia ngang Li Min gzho ng Yu Haiwu(Resea r ch Cen ter of La ser F usi on ,Ch in a Aca dem y of En gin eer ing Phy sics ,Mia ny an g ,Sichua n 621900,Chin a Ab stract In order to study the key problems of rep rated high power laser diode pu

4、med Yb:YAG laser,a 10Hz joule class V shaped water c ooled Yb:YAG oscillator with active mirror (AMc on figurati on is dem on strated.A n effic ient hollow duct c oupli ng system for 12kW L D was desig ned and the coupli ng efficiency is 90%.3.3J /10Hz output energy with 27.5%optica l optical effic

5、iency has been achieved in free running regime,which shows that the thermal effects within the Yb:YAG crystal are well m an aged by the cooli ng system of the laser hea d compared with 4.4J /1Hz output energy.The experim ental results about two kinds of pumping architectures show that the front pump

6、ed a rchitecture is less effec tive to dec rease the average temperature and its gradient within the gain medium than the rear pum ped arc hitecture which accords basically with our predict ion ,but the front pumped is more efficie nt and has no dic hroma t ic coati ng !issues which are helpful to b

7、e impleme nted ea sily.Key words solid state laser;laser diode pumped;Yb:YAG crystal;thermal man ageme nt收稿日期:2009 02 12收到修改稿日期:2009 04 08作者簡(jiǎn)介:段文濤(1982?,男,研究實(shí)習(xí)員，主要從事高功率固體激光器方面的研究工作。E mai:mofeie126.co m1引言20世紀(jì)90年代以來(lái),得益于高功率InGaAs (900980nm激光二極管(LD的發(fā)展 及價(jià)格的日趨降低，中心吸收譜在940nm附近的Yb離子的激光性能得到了廣泛的 研究。Yb離子能級(jí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)

8、單，電子構(gòu)型為4f 13,僅有一個(gè)基態(tài)2F 7/2和一個(gè)激發(fā)態(tài) 2F5/2，抽運(yùn)和激光躍遷發(fā)生于基態(tài)和激發(fā)態(tài)Stark分裂子能級(jí)之間，與Nd離子相比，不存在濃度猝滅、激發(fā)態(tài)吸收、上能級(jí)轉(zhuǎn)換等不利因素，而且Yb介質(zhì)的長(zhǎng)熒光壽命更有利于儲(chǔ)能。然而在室溫下Yb離子屬于準(zhǔn)三能級(jí)結(jié)構(gòu)，抽運(yùn)飽和強(qiáng)度很高，為獲得高的系統(tǒng)效率，需要較 高的抽運(yùn)強(qiáng)度，目前常見(jiàn)LD陣列發(fā)光強(qiáng)度僅1kW /cm 2量級(jí)，而常溫下脈沖儲(chǔ)能器所需抽運(yùn)強(qiáng)度高達(dá) 1020kW /cm 2以上,因此如何實(shí) 現(xiàn)LD抽運(yùn)光的高效耦合是Yb激光系統(tǒng)需解決的關(guān)鍵技術(shù)之一；而且由于Yb離子 的激光下能級(jí)有一定的熱布居數(shù)（服從玻爾茲曼熱分布，激光性能對(duì)

9、介質(zhì)的溫度十分 敏感，這又對(duì)重復(fù)頻率高強(qiáng)度抽運(yùn)下的增益介質(zhì)熱管理技術(shù)提出挑戰(zhàn)。目前,國(guó)內(nèi)對(duì)Yb激光器的研究主要在超短脈沖1期段文濤等：二極管端面抽運(yùn)的焦耳級(jí)10H z V型水冷丫 b:Y AG激光器z-axiswindowpum103Q nmHR)030 tun HR940 nm0*water產(chǎn)生、寬帶調(diào)諧和連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的高平均功率激光器等方面14,而關(guān)于重復(fù)頻率脈沖儲(chǔ)能器件的研究報(bào)道較少。美國(guó)勞倫斯#利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室（LLNL、德國(guó)Jena 大學(xué)、法國(guó)Luli實(shí)驗(yàn)室分別采用Yb:SFAP,Yb:FP glass,Yb:YAG等激光介質(zhì)建立 Mercury,Polaris,Lucia等納秒級(jí)重復(fù)頻率

10、大能量（100J級(jí)的激光裝置68,以開(kāi)展慣 性聚變能（IFE基礎(chǔ)預(yù)先研究和重復(fù)頻率脈沖波（PW抽運(yùn)源技術(shù)研究。本文利用峰 值功率12kW的LD陣列和Yb:YAG晶體建立了 10H z焦耳級(jí)端面抽運(yùn)Yb:YAG 激光器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為下階段100J級(jí)重復(fù)頻率（10H z脈沖Yb:YAG激光器探索關(guān)鍵技 術(shù)，也為開(kāi)展IFE激光驅(qū)動(dòng)器技術(shù)基礎(chǔ)研究和為未來(lái)重復(fù)頻率PW項(xiàng)目的抽運(yùn)源探索新的技術(shù)途徑。2實(shí)驗(yàn)裝置激光器由LD抽運(yùn)源、抽運(yùn)光耦合系統(tǒng)、激光頭和諧振腔組成。增益介質(zhì)為 10mm ?3mm，摻雜原子數(shù)分?jǐn)?shù)為5%的Yb:YAG晶體。抽運(yùn)源為DILAS公司生產(chǎn) 的QCW InGaAs激光二極管陣列，室溫下驅(qū)

11、動(dòng)電流120A，脈沖寬度與Yb:YAG上能 級(jí)壽命（1m s匹配，中心波長(zhǎng)為940nm譜線寬度3nm半峰全寬（FWH M ,快軸準(zhǔn)直后 發(fā)散角0.6%（FWH M ,慢軸發(fā)散角7.5%（FWH M。抽運(yùn)源共兩個(gè)模塊，每個(gè)模塊有 兩個(gè)LD子陣列，總峰值功率12kW,最大重復(fù)頻率10H乙占空比1%。為實(shí)現(xiàn)對(duì) Yb:YAG晶體的高強(qiáng)度抽運(yùn)，設(shè)計(jì)了一套空心導(dǎo)管型的抽運(yùn)耦合系統(tǒng)9，如圖1所示。該耦合系統(tǒng)由兩塊半徑181mm的矩形透鏡和兩塊長(zhǎng)300mm的鍍銀不銹鋼反 射鏡組成，抽運(yùn)光斑為7mm（快軸？6mm（慢軸。LD陣列快軸方向的光線用透鏡匯聚 同時(shí)將兩模塊偏轉(zhuǎn)主光軸7%,使二圖 1 抽運(yùn)耦合系統(tǒng) F

12、ig.1P um ping deliver y system者匯聚的抽運(yùn)光斑在晶體表面疊加；慢軸方向的光線用銀反射鏡傳導(dǎo)匯聚，銀膜 表面涂覆SiO 2保護(hù)膜以防氧化，用不銹鋼做基底拋光鍍膜效果較好，且硬度強(qiáng)，熱導(dǎo) 率高，不易形變,抽運(yùn)光沉積在基底的廢熱自然冷卻即可不會(huì)變形破壞鏡面。我們?cè)O(shè) 計(jì)了兩種端面抽運(yùn)結(jié)構(gòu)？正面抽運(yùn)和 背面抽運(yùn)，如圖2所示,以研究不同抽運(yùn)結(jié) 構(gòu)對(duì)激光器輸出能力的影響。圖2（a為正面抽運(yùn)結(jié)構(gòu)示意圖，抽運(yùn)光與激光在介質(zhì) 同一側(cè)，從介質(zhì) 正面抽運(yùn),背面冷卻,正面鍍抽運(yùn)光（940nm和激光（1030nm增透介 質(zhì)膜,背面鍍940nn和1030nm高反射介質(zhì)膜。背面抽運(yùn)結(jié)構(gòu)示意圖如圖

13、2（b所示,抽運(yùn)光和激光在介質(zhì)兩側(cè)，從介質(zhì)背面抽運(yùn),背面冷卻,這種結(jié)構(gòu)需在介質(zhì)同一面鍍 膜性相反的雙色膜，對(duì)于這種抽運(yùn)波長(zhǎng)（940nm與激光波長(zhǎng)（1030nn間隔僅90nm的雙 波長(zhǎng)膜，目前鍍膜技術(shù)實(shí)現(xiàn)起來(lái)難度大，且成本較高，因此我們?cè)诰w 背面鍍940nm 增透膜和1030nm高反射膜而在 正面只鍍1030nm增透膜,無(wú)940nm反射膜。激光 提取方式采用提取效率更高的 V型有源鏡（Active mirror,AM構(gòu)型10，平凹穩(wěn)定腔，后腔鏡為半徑2m的凹面全反射鏡，輸出鏡反射率為82%,激光提取 夾角20%圖2不同抽運(yùn)結(jié)構(gòu)示意圖。（a正面抽運(yùn);（b背面抽運(yùn)F ig.2Schematic d

14、iag rams of differ rent pumping a rchitectur e.(aF ront face pumped;(br ear face pumped45中國(guó)激光37卷3增益介質(zhì)的熱管理由于室溫下Yb:YAG具有很高的抽運(yùn)飽和通量（28kW /cm 2water outlets，因此要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)較高效率必須采用強(qiáng)抽運(yùn)，雖然Yb:YAG介質(zhì)的抽運(yùn)光轉(zhuǎn)換成 激光的量子效率高達(dá)91%,但強(qiáng)抽運(yùn)10H z重復(fù)頻率運(yùn)行時(shí)增益介質(zhì)中仍然存在很 強(qiáng)的熱負(fù)載。對(duì)于Yb離子這種準(zhǔn)三能級(jí)結(jié)構(gòu)增益介質(zhì)，激光下能級(jí)固有的熱布居導(dǎo) 致激光器對(duì)介質(zhì)溫度非常敏感，因此對(duì)Yb :YA G增益介質(zhì)的高效熱

15、管理是保證該激 光器10H z重復(fù)頻率穩(wěn)定高效運(yùn)行的關(guān)鍵?；谝郧暗膶?shí)驗(yàn)研究結(jié)果11,我們對(duì)激光頭做了改進(jìn)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)如圖3所示。激光頭有3個(gè)進(jìn)水口 ,3個(gè)出水口，致冷水從封 水窗口和Yb:YA G晶體間1m m間隙中高速流過(guò)以帶走介質(zhì)中的沉積廢熱，致冷水流向圖3激光頭結(jié)構(gòu)F ig.3Cutw ay view of the laser head示意圖如圖4所示。圖4激光頭水流示意圖Fig.4Scheme of the wat er flo w in t he laser head經(jīng)測(cè)試，該激光頭致冷水流量達(dá)55mL /s,用有限元軟件ANSYS結(jié)合流體力學(xué)軟 件FLUENT對(duì)該結(jié)構(gòu)熱管理效果進(jìn)行

16、模擬計(jì)算，當(dāng)致冷水溫度為288K時(shí)，介質(zhì)冷卻 面的換熱系數(shù)高達(dá)104W /(m 2#K量級(jí),抽運(yùn)強(qiáng)度為25kW /cm 2,激光器10Hz運(yùn)行時(shí)，兩種抽運(yùn)結(jié)構(gòu)下介質(zhì)縱 向不同位置處的橫向溫度分布如圖 5所示。如圖5(a,正面抽運(yùn)時(shí)，介質(zhì)中最大橫向 溫差為17K,介質(zhì)前后表面溫差為40K;而背面抽運(yùn)時(shí)如圖5(b，介質(zhì)中最大橫向溫 差僅8K,介質(zhì)前后表面溫差也僅16K。計(jì)算結(jié)果表明，背面抽運(yùn)時(shí)，介質(zhì)平均溫升和橫縱向溫差均小于 正面抽運(yùn)結(jié)構(gòu)，背面抽運(yùn)的熱管理效果更佳。/water outlets圖5Yb:Y A G晶體中的橫向熱分布。(a正面抽運(yùn);(b背面抽運(yùn)Fig.5T ransver se te

17、mperatur e distr ibut ion w ithin the Y b:Y AG cry st al.(aF ro ntface pum ped;(brear face pumped4實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論根據(jù)以上設(shè)計(jì)參數(shù)，完成了抽運(yùn)耦合系統(tǒng)及激光頭加工，搭建Yb:YAG激光器實(shí) 驗(yàn)平臺(tái)。對(duì)該激光器進(jìn)行了抽運(yùn)耦合實(shí)驗(yàn)，圖6為用成像法測(cè)得的晶體表面的抽運(yùn) 場(chǎng)分布，抽運(yùn)光斑大小約7.5mm （快軸？ 6.25mm（慢軸，與設(shè)計(jì)值相符，此區(qū)域內(nèi)抽運(yùn)光 為總能量的90%，即系統(tǒng)耦合效率達(dá)90%,由此可推知,12kW LD陣列120A電流驅(qū)動(dòng)時(shí)，晶體上的峰值抽運(yùn)光強(qiáng)高達(dá) 23kW /cm 2，電流脈

18、沖寬度1ms時(shí),晶體表面能量密度為23J /cm 2。實(shí)驗(yàn)研究了這種水冷Yb:YAG激光器在兩種端面抽運(yùn)結(jié)構(gòu)下的不同頻率工作 時(shí)的激光自由振蕩輸出性能，結(jié)果如圖7所示。圖7（a是正面抽運(yùn)1H z,5Hz和 10Hz重復(fù)頻率時(shí)激光輸出能量隨抽461期段文濤等：二極管端面抽運(yùn)的焦耳級(jí)10H z V型水冷丫 b:Y AG激光器圖6晶體表面的抽運(yùn)光斑分布Fig.6Pump distr ibut ion on the front face of Y b:Y AG運(yùn)光的變化曲線，由圖可知激光器1Hz和10H z重復(fù)頻率工作的斜率效率分別 52.8%,41.1%,12J抽運(yùn)光注入時(shí)，輸出能量為4.4J和3.

19、3J,對(duì)應(yīng)光光轉(zhuǎn)換效率為36.7% 和27.5%。圖7(b為背面抽運(yùn)下不同頻率時(shí)的激光輸出變化曲線,1Hz和10Hz重復(fù) 頻率工作時(shí)斜率效率分別為33.4%和27.2%,12J抽運(yùn)光注入時(shí)激光輸出分別為 2.41J 和 1.91J。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，正、背面抽運(yùn)方案中，隨著抽運(yùn)強(qiáng)度的增強(qiáng)和激光器工作頻率 的提高，激光輸出能量損耗均隨之增加。主要原因是介質(zhì)溫升使激光下能級(jí)熱布居 數(shù)增加及熱畸變等所致的熱效應(yīng)影響降低了系統(tǒng)效率，但激光輸出斜率效率都隨著 抽運(yùn)強(qiáng)度的增加和重復(fù)頻率的降低呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，這說(shuō)明，激光頭目前的水冷結(jié)構(gòu)滿足激光器重復(fù)頻率工作時(shí)增益介質(zhì)的熱管理需要，而且具有一定的定標(biāo)放大潛力。對(duì)

20、比兩種抽運(yùn)方式的 實(shí)驗(yàn)結(jié)果，相同條件下 正面抽運(yùn)的激光輸出能量及效率均大于背面抽運(yùn),這是因?yàn)楸趁娉檫\(yùn)晶體激光提取面未鍍 940nm反射膜，抽運(yùn)光強(qiáng)23kW /cm 2時(shí)約16%的抽 運(yùn)光未被吸收，而且此結(jié)構(gòu)中抽運(yùn)光經(jīng)窗口、致冷水后入射至晶體，在傳輸過(guò)程中抽運(yùn)光被損耗和彌散從而降低了增益介質(zhì)上的抽運(yùn)強(qiáng)度，這些因素導(dǎo)致系統(tǒng)抽運(yùn)光利用效率較低，影響了系統(tǒng)輸出 性能。12J /10Hz抽運(yùn)時(shí)，正、背面抽運(yùn)的激光輸出能量相對(duì)1H z運(yùn)行時(shí)分別下降 了 25%和20.7%,但這無(wú)法證明 背面抽運(yùn)的熱管理效果優(yōu)于 正面抽運(yùn)，以上實(shí)驗(yàn)結(jié) 果可推知1Hz運(yùn)行時(shí)熱效應(yīng)對(duì)激光輸出的影響可以忽略，則兩抽運(yùn)方式1Hz輸

21、出 均為2.41J時(shí),10Hz時(shí)正、背面抽運(yùn)激光輸出分別是1.83J和1.91J相應(yīng)的能量下 降率為24.1%和20.7%,從考察增益介質(zhì)重復(fù)頻率熱管理效果的角度看，該激光器背 面抽運(yùn)對(duì)增益介質(zhì)重復(fù)頻率熱管理效果優(yōu)于正面抽運(yùn),與模擬計(jì)算結(jié)果一致；而這種差別的根本原因在于 背面抽運(yùn)結(jié)構(gòu)里增益介質(zhì)中高熱沉積層與冷卻層共面 ，結(jié)合 激光頭水冷結(jié)構(gòu)較強(qiáng)的熱交換能力，丫b:YAG介質(zhì)的熱管理效率得以提高，而正面抽 運(yùn)晶體中低熱沉積層與冷卻層共面，增大了介質(zhì)橫縱向溫差和平均溫升，加劇了熱效應(yīng)影響E AJ pump圖7激光器輸入輸出能量曲線。(a正面抽運(yùn);(b背面抽運(yùn)F ig.7O utput ener g

22、y versus pump ener gy.(aF ront face pumped;(br ear face pumped5結(jié)論研究了 LD抽運(yùn)的V型高效水冷Yb:YAG激光器及其自由振蕩條件下的輸出 性能。設(shè)計(jì)了高效抽運(yùn)耦合系統(tǒng)，獲得了 90%的耦合傳輸效率。激光頭的水冷熱管 理結(jié)構(gòu)有效控制了系統(tǒng)熱效應(yīng)，10H z最高激光輸出3.3J斜率效率41%，光光轉(zhuǎn)換效 率達(dá)27.5%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，背面抽運(yùn)對(duì)Yb:YAG晶體熱管理效果優(yōu)于正面抽運(yùn)，與計(jì)算結(jié)果相符，但抽運(yùn)光利用率低， 系統(tǒng)效率低，且介質(zhì)表面鍍膜性相反的雙波長(zhǎng)膜層難度較大；而正面抽運(yùn)系統(tǒng)效率 高，無(wú)鍍膜難題,更有利于工程化。目前的水冷

23、結(jié)構(gòu)能夠滿足正面抽運(yùn)結(jié)構(gòu)的增益介質(zhì)重復(fù)頻率熱管理要求，且具有滿足更大口徑增益介質(zhì)熱管理要求的潛力，因此目前 正面抽運(yùn)是激光47中國(guó)激光37卷器及放大器抽運(yùn)結(jié)構(gòu)的最佳選擇。參考文獻(xiàn)1Guo Kai,S on g Yanrong,T ian J inrong e t al.Tu nab le laser characteristics of three Yb3+ doped crystals.Acta Photo nica S ini ca,2008,37(7:12891292郭凱,宋晏蓉，田金榮等摻Y(jié)b3+晶體寬帶可調(diào)諧激光輸出特性J.光子學(xué)報(bào),2008,37(7:128912922Li Chu

24、 nyu,Li Gang,Chen M eng.U ltras hort pulses compression w ith four prism s system in pla n e parallel oscillatorJ.I nf r ared and L ase r Eng ine erin g,2007,36(S uppl.:102105李春宇，李港，陳檬四棱鏡系統(tǒng)壓縮LD端泵Yb:YAG皮秒脈沖的實(shí)驗(yàn)研究J.紅外與激光工程，2007,36（增刊：1021053Liu Qiang,Gong M ali,Li Chen et al.Corner pumped Yb:YAG lasers

25、J.Acta Phy sica S ini ca,2005,54(2:721725柳強(qiáng),鞏馬理，李 晨等.角抽運(yùn)Yb:YAG激光器J.物理學(xué)報(bào),2005,54(2:7217254Qi Yunfen g,Lou Qih on g,D ong Jingxin g et al.10.5W con ti nu ou s w ave output from Yb:Y2O3ceramic disk laserJ.Acta Op tica S inic a,2006,26(5:797798漆云鳳，樓祺洪，董景星等.Yb:Y2O3陶瓷薄片激光器獲得10.5W連續(xù)激光輸出J.光學(xué)學(xué)報(bào),2006,26(5:797

26、7985Li J indon g,Li Xiaoli,Lu Yutia n e t aL.Laser diode sid e pumped Yb:YAG slab laser w ith microcha n n els heat s in kJ.Ch in ese J.Laser s,2006,33(3:289292李勁東,李小莉，陸雨田等，雙側(cè)面90%抽運(yùn)微通道致冷Yb: YAG板條激光器J.中國(guó)激光,2006,33(3:2892926A.Bayramia n.S tatus of th e m ercu ry laserR.H igh Average Pow er Laser Program W orks hop,20057J.H ein,S.Podles ka,M.Siebold et aL.Diode pump ed chir ped pu Ise amplification to the joule levelJ.App l.Phy s.B,2004, 79:4