激光二极管端面抽运的焦耳级10Hz_V_型水冷Yb_YAG激讲解

1、第37卷第1期中国激光V ol.37,N 0.12010 年 1 月CHINESE JOURNAL O F LASERSJa nuary,2010文章编号：0258 7025（201001 0044 05激光二极管端面抽运的焦耳级10Hz V型水冷Y b:Y AG激光器段文涛蒋新颖蒋东镔郑建刚李明中於海武（中国工程物理研究院激光聚变研究中心，四川绵阳621900摘要为研究激光二极管抽运的大能量重复频率Yb:Y A G激光器的关键单元技术,建立了焦耳级10H z V型有源镜（AM构型丫 b:Y AG激光器。设计了一套空心导 管抽运耦合系统，获得了 90%的抽运耦合效率。设计了水冷增益介质的热管理

2、方 案,10Hz自由振荡模式工作时获得3.3J激光输出，光光转换效率27.5%,相对1H z重 复频率工作（4.4J能量仅下降了 25%。对正、背面抽运两种构型的实验研究结果 表明,正面抽运对介质热效应的抑制弱于 背面抽运,与计算结果一致，但正面抽运 效率高，无镀膜难题，更有利于工程化。关键词 固体激光器；激光二极管抽运；Y b:Y AG晶体;热管理中图分类号 T N248.1 文献标识码 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作者简介:段文涛(1982?,男,研究实习员，主要从事高功率固体激光器方面的研究工作。E mai:mofeie126.co m1引言20世纪90年代以来,得益于高功率InGaAs (900980nm激光二极管(LD的发展 及价格的日趋降低，中心吸收谱在940nm附近的Yb离子的激光性能得到了广泛的 研究。Yb离子能级结构简

8、单，电子构型为4f 13,仅有一个基态2F 7/2和一个激发态 2F5/2，抽运和激光跃迁发生于基态和激发态Stark分裂子能级之间，与Nd离子相比，不存在浓度猝灭、激发态吸收、上能级转换等不利因素，而且Yb介质的长荧光寿命更有利于储能。然而在室温下Yb离子属于准三能级结构，抽运饱和强度很高，为获得高的系统效率，需要较 高的抽运强度，目前常见LD阵列发光强度仅1kW /cm 2量级，而常温下脉冲储能器所需抽运强度高达 1020kW /cm 2以上,因此如何实 现LD抽运光的高效耦合是Yb激光系统需解决的关键技术之一；而且由于Yb离子 的激光下能级有一定的热布居数（服从玻尔兹曼热分布，激光性能对

9、介质的温度十分 敏感，这又对重复频率高强度抽运下的增益介质热管理技术提出挑战。目前,国内对Yb激光器的研究主要在超短脉冲1期段文涛等：二极管端面抽运的焦耳级10H z V型水冷丫 b:Y AG激光器z-axiswindowpum103Q nmHR)030 tun HR940 nm0*water产生、宽带调谐和连续运转的高平均功率激光器等方面14,而关于重复频率脉冲储能器件的研究报道较少。美国劳伦斯#利弗莫尔实验室（LLNL、德国Jena 大学、法国Luli实验室分别采用Yb:SFAP,Yb:FP glass,Yb:YAG等激光介质建立 Mercury,Polaris,Lucia等纳秒级重复频率

10、大能量（100J级的激光装置68,以开展惯 性聚变能（IFE基础预先研究和重复频率脉冲波（PW抽运源技术研究。本文利用峰 值功率12kW的LD阵列和Yb:YAG晶体建立了 10H z焦耳级端面抽运Yb:YAG 激光器实验平台，为下阶段100J级重复频率（10H z脉冲Yb:YAG激光器探索关键技 术，也为开展IFE激光驱动器技术基础研究和为未来重复频率PW项目的抽运源探索新的技术途径。2实验装置激光器由LD抽运源、抽运光耦合系统、激光头和谐振腔组成。增益介质为 10mm ?3mm，掺杂原子数分数为5%的Yb:YAG晶体。抽运源为DILAS公司生产 的QCW InGaAs激光二极管阵列，室温下驱

11、动电流120A，脉冲宽度与Yb:YAG上能 级寿命（1m s匹配，中心波长为940nm谱线宽度3nm半峰全宽（FWH M ,快轴准直后 发散角0.6%（FWH M ,慢轴发散角7.5%（FWH M。抽运源共两个模块，每个模块有 两个LD子阵列，总峰值功率12kW,最大重复频率10H乙占空比1%。为实现对 Yb:YAG晶体的高强度抽运，设计了一套空心导管型的抽运耦合系统9，如图1所示。该耦合系统由两块半径181mm的矩形透镜和两块长300mm的镀银不锈钢反 射镜组成，抽运光斑为7mm（快轴？6mm（慢轴。LD阵列快轴方向的光线用透镜汇聚 同时将两模块偏转主光轴7%,使二图 1 抽运耦合系统 F

12、ig.1P um ping deliver y system者汇聚的抽运光斑在晶体表面叠加；慢轴方向的光线用银反射镜传导汇聚，银膜 表面涂覆SiO 2保护膜以防氧化，用不锈钢做基底抛光镀膜效果较好，且硬度强，热导 率高，不易形变,抽运光沉积在基底的废热自然冷却即可不会变形破坏镜面。我们设 计了两种端面抽运结构？正面抽运和 背面抽运，如图2所示,以研究不同抽运结 构对激光器输出能力的影响。图2（a为正面抽运结构示意图，抽运光与激光在介质 同一侧，从介质 正面抽运,背面冷却,正面镀抽运光（940nm和激光（1030nm增透介 质膜,背面镀940nn和1030nm高反射介质膜。背面抽运结构示意图如图

13、2（b所示,抽运光和激光在介质两侧，从介质背面抽运,背面冷却,这种结构需在介质同一面镀 膜性相反的双色膜，对于这种抽运波长（940nm与激光波长（1030nn间隔仅90nm的双 波长膜，目前镀膜技术实现起来难度大，且成本较高，因此我们在晶体 背面镀940nm 增透膜和1030nm高反射膜而在 正面只镀1030nm增透膜,无940nm反射膜。激光 提取方式采用提取效率更高的 V型有源镜（Active mirror,AM构型10，平凹稳定腔，后腔镜为半径2m的凹面全反射镜，输出镜反射率为82%,激光提取 夹角20%图2不同抽运结构示意图。（a正面抽运;（b背面抽运F ig.2Schematic d

14、iag rams of differ rent pumping a rchitectur e.(aF ront face pumped;(br ear face pumped45中国激光37卷3增益介质的热管理由于室温下Yb:YAG具有很高的抽运饱和通量（28kW /cm 2water outlets，因此要实现系统较高效率必须采用强抽运，虽然Yb:YAG介质的抽运光转换成 激光的量子效率高达91%,但强抽运10H z重复频率运行时增益介质中仍然存在很 强的热负载。对于Yb离子这种准三能级结构增益介质，激光下能级固有的热布居导 致激光器对介质温度非常敏感，因此对Yb :YA G增益介质的高效热

15、管理是保证该激 光器10H z重复频率稳定高效运行的关键。基于以前的实验研究结果11,我们对激光头做了改进设计，结构如图3所示。激光头有3个进水口 ,3个出水口，致冷水从封 水窗口和Yb:YA G晶体间1m m间隙中高速流过以带走介质中的沉积废热，致冷水流向图3激光头结构F ig.3Cutw ay view of the laser head示意图如图4所示。图4激光头水流示意图Fig.4Scheme of the wat er flo w in t he laser head经测试，该激光头致冷水流量达55mL /s,用有限元软件ANSYS结合流体力学软 件FLUENT对该结构热管理效果进行

16、模拟计算，当致冷水温度为288K时，介质冷却 面的换热系数高达104W /(m 2#K量级,抽运强度为25kW /cm 2,激光器10Hz运行时，两种抽运结构下介质纵 向不同位置处的横向温度分布如图 5所示。如图5(a,正面抽运时，介质中最大横向 温差为17K,介质前后表面温差为40K;而背面抽运时如图5(b，介质中最大横向温 差仅8K,介质前后表面温差也仅16K。计算结果表明，背面抽运时，介质平均温升和横纵向温差均小于 正面抽运结构，背面抽运的热管理效果更佳。/water outlets图5Yb:Y A G晶体中的横向热分布。(a正面抽运;(b背面抽运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实验结果与讨论根据以上设计参数，完成了抽运耦合系统及激光头加工，搭建Yb:YAG激光器实 验平台。对该激光器进行了抽运耦合实验，图6为用成像法测得的晶体表面的抽运 场分布，抽运光斑大小约7.5mm （快轴？ 6.25mm（慢轴，与设计值相符，此区域内抽运光 为总能量的90%，即系统耦合效率达90%,由此可推知,12kW LD阵列120A电流驱动时，晶体上的峰值抽运光强高达 23kW /cm 2，电流脉

18、冲宽度1ms时,晶体表面能量密度为23J /cm 2。实验研究了这种水冷Yb:YAG激光器在两种端面抽运结构下的不同频率工作 时的激光自由振荡输出性能，结果如图7所示。图7（a是正面抽运1H z,5Hz和 10Hz重复频率时激光输出能量随抽461期段文涛等：二极管端面抽运的焦耳级10H z V型水冷丫 b:Y AG激光器图6晶体表面的抽运光斑分布Fig.6Pump distr ibut ion on the front face of Y b:Y AG运光的变化曲线，由图可知激光器1Hz和10H z重复频率工作的斜率效率分别 52.8%,41.1%,12J抽运光注入时，输出能量为4.4J和3.

19、3J,对应光光转换效率为36.7% 和27.5%。图7(b为背面抽运下不同频率时的激光输出变化曲线,1Hz和10Hz重复 频率工作时斜率效率分别为33.4%和27.2%,12J抽运光注入时激光输出分别为 2.41J 和 1.91J。实验结果表明，正、背面抽运方案中，随着抽运强度的增强和激光器工作频率 的提高，激光输出能量损耗均随之增加。主要原因是介质温升使激光下能级热布居 数增加及热畸变等所致的热效应影响降低了系统效率，但激光输出斜率效率都随着 抽运强度的增加和重复频率的降低呈线性增长趋势，这说明，激光头目前的水冷结构满足激光器重复频率工作时增益介质的热管理需要，而且具有一定的定标放大潜力。对

20、比两种抽运方式的 实验结果，相同条件下 正面抽运的激光输出能量及效率均大于背面抽运,这是因为背面抽运晶体激光提取面未镀 940nm反射膜，抽运光强23kW /cm 2时约16%的抽 运光未被吸收，而且此结构中抽运光经窗口、致冷水后入射至晶体，在传输过程中抽运光被损耗和弥散从而降低了增益介质上的抽运强度，这些因素导致系统抽运光利用效率较低，影响了系统输出 性能。12J /10Hz抽运时，正、背面抽运的激光输出能量相对1H z运行时分别下降 了 25%和20.7%,但这无法证明 背面抽运的热管理效果优于 正面抽运，以上实验结 果可推知1Hz运行时热效应对激光输出的影响可以忽略，则两抽运方式1Hz输

21、出 均为2.41J时,10Hz时正、背面抽运激光输出分别是1.83J和1.91J相应的能量下 降率为24.1%和20.7%,从考察增益介质重复频率热管理效果的角度看，该激光器背 面抽运对增益介质重复频率热管理效果优于正面抽运,与模拟计算结果一致；而这种差别的根本原因在于 背面抽运结构里增益介质中高热沉积层与冷却层共面 ，结合 激光头水冷结构较强的热交换能力，丫b:YAG介质的热管理效率得以提高，而正面抽 运晶体中低热沉积层与冷却层共面，增大了介质横纵向温差和平均温升，加剧了热效应影响E AJ pump图7激光器输入输出能量曲线。(a正面抽运;(b背面抽运F ig.7O utput ener g

22、y versus pump ener gy.(aF ront face pumped;(br ear face pumped5结论研究了 LD抽运的V型高效水冷Yb:YAG激光器及其自由振荡条件下的输出 性能。设计了高效抽运耦合系统，获得了 90%的耦合传输效率。激光头的水冷热管 理结构有效控制了系统热效应，10H z最高激光输出3.3J斜率效率41%，光光转换效 率达27.5%。实验结果表明，背面抽运对Yb:YAG晶体热管理效果优于正面抽运，与计算结果相符，但抽运光利用率低， 系统效率低，且介质表面镀膜性相反的双波长膜层难度较大；而正面抽运系统效率 高，无镀膜难题,更有利于工程化。目前的水冷

23、结构能够满足正面抽运结构的增益介质重复频率热管理要求，且具有满足更大口径增益介质热管理要求的潜力，因此目前 正面抽运是激光47中国激光37卷器及放大器抽运结构的最佳选择。参考文献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郭凯,宋晏蓉，田金荣等掺Yb3+晶体宽带可调谐激光输出特性J.光子学报,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，陈檬四棱镜系统压缩LD端泵Yb:YAG皮秒脉冲的实验研究J.红外与激光工程，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柳强,巩马理，李 晨等.角抽运Yb:YAG激光器J.物理学报,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(5:797798漆云凤，楼祺洪，董景星等.Yb:Y2O3陶瓷薄片激光器获得10.5W连续激光输出J.光学学报,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李劲东,李小莉，陆雨田等，双侧面90%抽运微通道致冷Yb: YAG板条激光器J.中国激光,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