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ISSN1001-3806 CN51-1125/TN Map

Volume 43 Issue 5
Sep.  2019
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Beam quality optimization of semiconductor side-pumped slab lasers

  • Corresponding author: CHEN Peifeng, pfchen@mail.hust.edu.cn
  • Received Date: 2018-10-29
    Accepted Date: 2018-12-27
  • In order to optimize beam quality of high power slab lasers, the oscillation of some high-order modes in the cavity was limited by increasing the size of unilateral fundamental mode beam. For semiconductor side-pumped slab lasers, horizontal and vertical thermal focal lengths of the laser under pumping were measured. The equivalent model of thermal lens was established. By using flat-flat cavity as reference, a flat-concave cavity with enlarged dimension of unilateral fundamental modes in both horizontal and vertical directions was designed. It was verified that, for slab lasers with fixed cross-section size of laser medium, expanding the size of one-sided fundamental mode can limit the higher-order mode and optimize the beam quality. A method for further optimizing the performance of slab lasers was proposed. The results show that, when the length of flat-concave cavity is 370mm and the output power is 59.9W, horizontal M2 factor is significantly optimized from 115.6 for flat-flat cavity to 32.9 and vertical M2 factor is significantly optimized from 116.4 to 60.9. This research has practical significance for obtaining high quality output of slab lasers and the related application.
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通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
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    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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Beam quality optimization of semiconductor side-pumped slab lasers

    Corresponding author: CHEN Peifeng, pfchen@mail.hust.edu.cn
  • School of Optical and Electronic Information, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China

Abstract: In order to optimize beam quality of high power slab lasers, the oscillation of some high-order modes in the cavity was limited by increasing the size of unilateral fundamental mode beam. For semiconductor side-pumped slab lasers, horizontal and vertical thermal focal lengths of the laser under pumping were measured. The equivalent model of thermal lens was established. By using flat-flat cavity as reference, a flat-concave cavity with enlarged dimension of unilateral fundamental modes in both horizontal and vertical directions was designed. It was verified that, for slab lasers with fixed cross-section size of laser medium, expanding the size of one-sided fundamental mode can limit the higher-order mode and optimize the beam quality. A method for further optimizing the performance of slab lasers was proposed. The results show that, when the length of flat-concave cavity is 370mm and the output power is 59.9W, horizontal M2 factor is significantly optimized from 115.6 for flat-flat cavity to 32.9 and vertical M2 factor is significantly optimized from 116.4 to 60.9. This research has practical significance for obtaining high quality output of slab lasers and the related application.

引言
  • 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。

1.   侧面抽运Nd:YAG板条激光器的结构
  • 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。

2.   理论分析
  • 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:

    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。

3.   实验结果及分析
  • 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。

4.   结论
  • 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]

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