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半导体侧面抽运板条激光器光束质量优化

熊新健 陈培锋 王英 杨亚楠 李响

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半导体侧面抽运板条激光器光束质量优化

    作者简介: 熊新健(1993-), 男, 硕士研究生, 主要从事半导体抽运高功率固体激光器的研究.
    通讯作者: 陈培锋, pfchen@mail.hust.edu.cn
  • 中图分类号: TN242;TN243;TN248.1

Beam quality optimization of semiconductor side-pumped slab lasers

    Corresponding author: CHEN Peifeng, pfchen@mail.hust.edu.cn ;
  • CLC number: TN242;TN243;TN248.1

  • 摘要: 为了优化高功率板条激光器的光束质量, 采用提高单侧基模光束的尺寸来限制腔内部分高阶模式振荡的方法, 针对半导体侧面抽运板条激光器, 测量了激光器在抽运状态下水平和竖直方向热焦距, 建立了热透镜等效模型, 并以平-平腔为参考, 设计了水平和竖直方向单侧基模尺寸均会扩大的平-凹腔。验证了对于激光介质截面尺寸固定的板条激光器, 扩大单侧基模尺寸可以限制高阶模式从而优化光束质量, 并提出了进一步优化板条激光器性能的研究方法。结果表明, 当平-凹腔的腔长为370mm时, 输出功率为59.9W, 水平方向M2因子由平-平腔的115.6显著优化至32.9, 竖直方向M2因子由116.4显著优化为60.9。该研究对于板条激光器获得高质量输出及相关应用有实际意义。
  • Figure 1.  Model of equivalent cavity of slab laser

    Figure 2.  System diagram of thermal focal length measurement

    Figure 3.  Horizontal beam radius at different position(f=100mm)

    Figure 4.  Vertical beam radius at different position(f=100mm)

    Figure 5.  Influence of thermal focal length on the stability of planar cavity

    Figure 6.  Thermal lens diopter vs. pump power

    Figure 7.  Output power of parallel-plane cavity and plane-concave cavity

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出版历程
  • 收稿日期:  2018-10-29
  • 录用日期:  2018-12-27
  • 刊出日期:  2019-09-25

半导体侧面抽运板条激光器光束质量优化

    通讯作者: 陈培锋, pfchen@mail.hust.edu.cn
    作者简介: 熊新健(1993-), 男, 硕士研究生, 主要从事半导体抽运高功率固体激光器的研究
  • 华中科技大学 光学与电子信息学院, 武汉 430074

摘要: 为了优化高功率板条激光器的光束质量, 采用提高单侧基模光束的尺寸来限制腔内部分高阶模式振荡的方法, 针对半导体侧面抽运板条激光器, 测量了激光器在抽运状态下水平和竖直方向热焦距, 建立了热透镜等效模型, 并以平-平腔为参考, 设计了水平和竖直方向单侧基模尺寸均会扩大的平-凹腔。验证了对于激光介质截面尺寸固定的板条激光器, 扩大单侧基模尺寸可以限制高阶模式从而优化光束质量, 并提出了进一步优化板条激光器性能的研究方法。结果表明, 当平-凹腔的腔长为370mm时, 输出功率为59.9W, 水平方向M2因子由平-平腔的115.6显著优化至32.9, 竖直方向M2因子由116.4显著优化为60.9。该研究对于板条激光器获得高质量输出及相关应用有实际意义。

English Abstract

    • 为了获得更高的功率和更好的光束质量,人们尝试对传统固体激光器进行两方面改进[1-5]。一方面尝试将多根激光棒串接[6]起来,这样可以在冷却的同时增大增益介质长度,从而获得功率提升。日本石川岛磨重工业公司采用6棒研制成最大输出功率3kW的YAG激光器。但这种方式必须以降低更多的效率为代价,多棒累加的热效应也可能降低光束质量。另一方面,改变工作物质的形状来改善光束质量。因为传统高功率固体激光器一般采用圆棒状工作物质,但其在中心轴处温度很高,热效应严重,导致光束质量较差。美国GE公司于20世纪70年代提出了板条激光器,其优点在于有较大的冷却面减小温度差,可以提高热负载能力,输出更高功率。在抽运源方面,半导体激光器抽运相比于传统灯抽运[7],具有重量轻、体积小、寿命长、光束质量好等优点,被广泛应用于工业加工、医疗、国防以及科学研究等领域。

      本文中研究对象为半导体二极管抽运的侧面抽运板条激光器[8-9],作者旨在用板条晶体的截面尺寸限制部分高阶模输出,通过改变腔型,增大基模光斑在晶体一侧的尺寸,从而限制高阶模输出达到优化光束质量的目的,并实验验证了其可行性。

    • 在材料选择上,一般常用的固体激光器工作物质有Nd:YAG和Nd:YVO4。Nd:YVO4是一种阈值低、效率高的激光晶体,吸收光谱也较宽,但是其缺点是导热性能较差,机械性能不如Nd:YAG;另外, Nd:YVO4较难生长大尺寸晶体,限制了其在高功率下的应用[10-11]。所以作者选择Nd:YAG晶体,掺杂原子数分数为0.01。

      为了改善圆棒状工作物质中心轴处较为严重的热效应,选用板条状工作物质,通过4个大侧面与冷却液接触,尽可能增大散热面积,提高散热效率以减弱热效应。同时,采用4个侧面打毛的板条结构,避免晶体内部产生寄生振荡,也可避免传统板条激光器中zig-zag板条的复杂结构工艺和光学设计。另一方面,由于板条晶体形状特殊,所以抽运光较难均匀分布到整个晶体上,抽运效率会低于圆棒晶体,考虑到尽可能利用现有结构,作者选用与圆棒近似的板条晶体(3mm×5.8mm×130mm),两个端面抛光并镀1064nm和808nm增透膜。抽运选用中心波长(808±5)nm的连续bar条, 单bar功率40W。采用双端密封,4个侧面传导水冷。

    • 根据高斯光束的特点,高阶高斯光束的光斑大小和发散角均与阶数的平方根成正比,当增益介质截面不变,腔内存在的高阶模式阶数将受截面限制。为了获得更好的光束质量,应使基模在晶体内尺寸尽可能大,这样可以抑制高阶模振荡,当晶体尺寸一定而腔体不对称时,高阶模主要由基模在晶体端面尺寸较大的一侧限制。

      由于激光器固有的量子亏损及量子效率不可能达到100%,因此其运行过程中不可避免产生废热,由此将产生热应力双折射、折射率变化、热应力形变[12]等等,综合为晶体热透镜效应。所以对于腔内的稳定性和模尺寸相关参量进行理论分析时,必须考虑热透镜效应[13]。即在一级近似下,圆棒晶体的热透镜效应等效为一个热焦距为f的厚透镜,屈光度为D=1/f,则:

      $ D = \left( {\sigma /F} \right){P_{\rm{p}}} $

      (1)

      式中,σ为热透镜系数,与晶体材料、掺杂浓度、光学均匀性等有关;F为晶体横截面积;Pp为抽运功率。所以理论上热透镜屈光度与抽运功率成线性关系,抽运功率越高,热透镜屈光度越高,热透镜焦距越短[6]

      又因为本文中板条两个方向尺寸不同,所以热效应产生的等效热焦距也会不同,故应分别研究。根据初步的实验研究结果,当板条激光器抽运功率在1000W~1500W左右时,晶体宽度方向热焦距在50mm~200mm,高度方向热焦距在200mm~350mm之间,以下的理论分析设定热焦距在上述范围变化。

      将晶体的水平方向热效应等效为一个厚透镜[14],板条激光器谐振腔的等效腔模型如图 1所示,竖直方向同理。

      Figure 1.  Model of equivalent cavity of slab laser

      图 1为腔内有一根Nd:YAG晶体的光学谐振腔,M1和M2为谐振腔反射镜面,R1R2为其曲率半径,L1L2分别为两反射镜面到棒两端面的距离。f为晶体的等效热焦距[15]h为主面到透镜表面距离,l为晶体总长度,n=1.83为晶体折射率,h=l/(2n),d1=L1+hd2=L2+h。对于热焦距的测量,将He-Ne激光器扩束之后,覆盖端面射入晶体,在晶体后端放置光屏。可以测得在不同抽运下,水平和竖直方向光斑压缩至最小时离主面距离,分别记为水平和竖直方向热焦距。测量结构如图 2所示。

      Figure 2.  System diagram of thermal focal length measurement

      拟选用的He-Ne激光器2m内光斑直径在1.2mm左右,晶体高度为5.8mm,故需扩束6倍以保证晶体全部覆盖,选用f1=50mm,f2=300mm的透镜,相距350mm组合成6倍扩束系统,使扩束后光斑正入射晶体端面,在出射端分别测量水平和竖直方向光斑压缩最小点离晶体的距离,即为该抽运功率下水平和竖直方向热焦距。

      利用传输矩阵和q参量法可计算不同热焦距f时谐振腔的稳定性以及腔内不同位置基模光斑尺寸[16-17]。对板条激光器谐振腔结构进行计算时,有如下几点需要考虑:保证腔为稳定腔,使基模体积在晶体内部尺寸尽可能大,最后考虑腔体积尽量紧凑。受热效应影响晶体内折射率比较复杂,故晶体内的基模尺寸不容易仿真,作者选择q参量法计算基模在晶体端面的较大尺寸的一侧为参考标准。根据谐振腔稳定性条件,引入谐振腔的G参量,当G1G2满足0 < G1G2 < 1时,谐振腔为稳腔。对于平-平腔的稳定性,画出不同热焦距情况下基模尺寸在腔内的连续变化,再比较计算结果后得出热效应等效腔在L1=L2=120mm时可以获得较大的基模尺寸,并且腔体也较为紧凑。对比水平方向上不同腔内不同位置基模光斑半径,如图 3b所示,竖直方向则如图 4b所示。在对多个腔型仿真分析后,发现只有平-凹腔能获得较大的稳区范围且腔型紧凑,并可同时扩大晶体单侧端面基模尺寸。同样腔长的腔内水平和竖直方向基模尺寸如图 3a图 4a所示。

      Figure 3.  Horizontal beam radius at different position(f=100mm)

      Figure 4.  Vertical beam radius at different position(f=100mm)

      仿真结果显示:水平方向上平-平腔晶体两侧端面基模半径为0.293mm,而平-凹腔一侧端面基模半径减小,另一端基模半径增大到0.310mm;竖直方向上,晶体一侧端面处平-平腔基模半径只有0.330mm,平-凹腔增大到0.399mm,即平-凹腔在水平和竖直方向上,均有一侧基模尺寸大于平-平腔基模尺寸。因此,理论上平-凹腔输出高阶模式的阶数将小于平-平腔,也即平-凹腔输出的光束质量将优于同腔长和输出镜透过率的平-平腔。

      根据激光谐振腔的稳定条件[18-19],计算热焦距等效腔L1=L2=120mm时,平-凹腔不同热焦距下的稳定条件,计算结果如图 5所示。

      Figure 5.  Influence of thermal focal length on the stability of planar cavity

      结果显示, 当热焦距在78mm~125mm以及156mm~400mm范围时,满足0<G1G2<1,谐振腔稳定。因为随着抽运功率增大,热效应严重,热焦距有变短趋势,所以可能在抽运功率很高并使水平方向热焦距f<78mm,或者抽运功率较低而水平方向热焦距在125mm~156mm之间时,水平方向才进入非稳腔,而竖直方向将保持稳定腔。

    • 选用前述热焦距测量方案,用焦距为50mm和300mm的透镜组合成扩束系统,红光光源为北京睿光公司RL-HN20激光器,抽运模块为海特光电公司300W二极管抽运全固态激光器(diode pumped solid-state laser, DPSSL)模块。当抽运功率在921.6W~1357.2W之间时,水平和竖直方向热透镜屈光度如图 6所示。

      Figure 6.  Thermal lens diopter vs. pump power

      图 6可知,随着抽运功率增大,水平方向和竖直方向热透镜屈光度均与之呈明显的线性关系,与理论一致。在抽运光功率为921.6W~1357.2W时,水平方向热焦距在126.7mm~67.0mm之间,竖直方向热焦距在386.4mm~217.7mm之间。

      在腔长为370mm的平-平腔中,使用40%透过率的平面镜输出, 功率输出曲线如图 7所示。

      Figure 7.  Output power of parallel-plane cavity and plane-concave cavity

      抽运模块厂商提供的半导体阵列电光效率经验值为30%,故当输入半导体抽运阵列的电流为20A时,电功率为1048W,实际抽运光功率约为314.4W,平-平腔输出功率为101.2W,光光转换效率为32.2%左右;由抽运电功率和输出光功率曲线线性拟合,得到电光斜率效率为25.4%。测量输出镜后不同位置的光斑尺寸,计算得水平方向和竖直方向的M2因子分别为115.6和116.4。

      当抽运功率较小时,由图 5中的稳定性曲线可知,水平方向热焦距可能处于125mm<f<156mm, 故水平方向非稳;而当抽运功率加大时,水平方向热焦距进一步减小,落入78mm<f<125mm区间,继续保持稳定。当输入半导体抽运阵列的电流为20A时,电功率为1010W,实际抽运光功率为303W左右,平-凹腔输出功率为59.9W, 此时光光转换效率约为19.8%;由抽运电功率和输出光功率曲线线性拟合,得到电光斜率效率为26.6%。测量输出镜后不同位置的光斑尺寸,计算得水平方向和竖直方向的M2因子分别为32.9和60.9。由此可见, 适当地选取腔型可以改善光束质量,且两个方向的光束质量可以分别改善。

      由上述实验结果可知,在晶体一侧的基模尺寸扩大后,由于加大了对高阶高斯光束的限制,输出功率中基模占比变大,输出的光束质量的确得到了优化。由于水平和竖直方向尺寸以及热焦距不同,优化程度也不同,热焦距更短且晶体尺寸更小的水平方向优化更明显。而从输出功率曲线可以看到,平-平腔和平-凹腔的电光斜率效率相差不大,但近似相等的抽运光功率下,平-凹腔输出功率明显更低。一般来说,激光的输出光束质量的优化与输出功率存在一定的矛盾。因为光束质量越高,意味着实际腔内的振荡模式的阶数越低,激活介质的利用率就相应比较低,输出功率相应也会比较低。而在本文中研究设计的谐振腔参量下,该平-凹腔提高了光束质量,因而在接近相等的抽运光条件下,该平-凹腔输出功率会略低于平-平腔。

      通过初步的实验研究,板条形的固体介质两个方向的热焦距有明显差别,且两个方向的截面尺寸不同,因此两个方向的运转特性差别很大。本文中采用了球面镜结构,只能证明可以采用板条状结构改善光束质量,但不能充分发挥两个方向的优势。因此下一步的工作应采用柱面镜结构分别优化两个方向的运转特性,充分发挥板条结构的优势。

      下一步,可进一步改善晶体的均匀抽运问题以提高吸收效率,提高输出功率。同时基于上述实验,改善激光器机械结构,将晶体某一方向的尺寸进一步减小,尝试在单方向获得近基模输出,获得更高光束质量的输出。

    • 本文中提出了通过改变单侧基模尺寸,来使板条激光器输出光束质量优化的方案,理论分析了谐振腔的稳定性,对比分析了平-平腔和平-凹腔的腔内基模尺寸,并根据分析结果进行了热焦距测量和实验研究。在同样的抽运电流为20A,抽运光功率为310W左右条件下,平-凹腔相比于平-平腔水平方向的M2因子由115.6优化为32.9,竖直方向由116.4优化为60.9。实验验证了该方案的可行性,并提出了进一步改善板条激光器光束性能的工作方向,可以设计获得更高功率和更高光束质量输出,利于光束整形等系统[20-22]。该激光器具体可以应用于激光打标、激光切割、激光雕刻、激光毛化等加工领域[23]

参考文献 (23)

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