（光学专业论文）二极管侧面泵浦薄片激光器研究.pdf

摘要 摘要 二极管泵浦薄片激光器是高功率固体激光器一个重要的发展方向，其特点是 在垂直于圆薄片表面的通光方向，有近一维的轴向热流分布，有利于高功率高光 束质量激光输出。薄片激光器有端面泵浦和侧面泵浦两种方式，相对于端面泵浦， 侧面泵浦除了泵浦结构相对简化，增益介质的面积可方便的增加，在不增加热负 荷的条件下，激光器的功率可定标放大。本论文提出二极管激光侧面泵浦复合晶 体薄片激光介质的新型结构，并对其进行理论和实验研究。 本论文综述了国内外不同类型薄片激光器的技术现状，分析了不同结构薄片 激光器所具有的技术优势，技术限制和发展潜力，评述了薄片激光器所具有的诱 人的应用前景，指出了遏制薄片激光器进一步发展的瓶颈，展望了薄片激光器未 来的发展方向。 建立了二极管侧面泵浦薄片激光介质内泵浦光吸收分布的数值模型，模拟计 算了二极管侧面泵浦中二极管的个数、介质的吸收系数、激光二极管发光中心到 介质中心距离等参数对泵浦均匀性的影h 向。 根据热传导方程，对侧面泵浦复合晶体薄片激光器的热效应进行了分析，求 解 = h 侧面泵浦薄片晶体内的温度、应力以及等效热焦距，模拟分析了晶体厚度， 边界条件等对晶体热效应的影响。对比分析了同等条件下非复合品体和复合晶体 的温度、应力及热焦距。计算和数值模拟表明：同等条件下复合后晶体中心到边 缘的温差、应力和非复合时相比减少了近2 5 ，等效热焦距增大到非复合时的2 倍左右。 对圆薄片晶体曲面复合技术、工艺进行研究，研制出曲面复合结构薄片晶体， 获得圆薄片晶体曲面复合的参数和工艺，通过对大尺寸晶体薄片射流冷却结构热 学特性进行研究，研制出射流冷却复合结构薄片品体装置，获得了薄片激光介质 的均匀冷却的结构和参数，并从整体上设计了薄片激光器结构。 实验测量了冷却水温度、薄片介质的掺杂浓度对闽值的影响，并对测量结果 进行分析比较。测量了薄片激光器的功率输出特性，获得了4 0 w 的激光输出。 提出了实验进一步改进的方案。 关键词：薄片激光器，侧面泵浦，泵浦均匀性，热效应，复合晶体 a b s t r 人c t a bs t r a c t t h ed i s kl a s e ri sa ni m p o r t a n td i r e c t i o no fh i g h 。p o w e rs o l i d s t a t el a s e r t h e d i r e c t i o no fh e a tf l o wi s p a r a l l e lt o t h el a s e rc a v i t ya x i s ；i t s v e r ye a s yt og e t h i g h p o w e ra n dg o o db e a mq u a l i t yl a s e ro u t p u t t h ed i s kl a s e rh a st w op u m p i n gw a y s ： e n dp u m p e da n ds i d ep u m p e d c o m p a r et o e n d p u m p e d ，s i d e p u m p e dp u m p e dh a s s i m p l i t yt h es t r u c t u r e ，i t st h ea r e ac a nb ee x p a n d e dw i t h o u ti n c r e a s i n gh e a tl o a d t h e p a p e rp r e s e n t san e w s t r u c t u r et h a ti sd i o d es i d e p u m p e dc o m p o s i t et h i nd i s kl a s e n t h i sp a p e rs u m m a r i z e dt h et e c h n o l o g yp r o g r e s s e so fd i f l e r e n tt y p et h i nd i s kl a s e r , a n a l y z e d a n dc o m m e n t e d a d v a n t a g e s ，r e s t r i c t i o n s ，p o t e n t i a ld e v e l o p m e n ta n d a p p l i c a t i o no ft h i nd i s kl a s e r , p r e s e n t e dt h ed e v e l o p m e n tt r e n d so ft h i nd i s kl a s e r am a t h e m a t i cm o d e lo ft h ep u m pp o w e ra b s o r p t i o ni nt h el d e d g e p u m p e dd i s k l a s e rm e d i u mi sb u i l t t h ei n f l u e n c eo ft h eq u a n t i t yo ft h el d 、a b s o r p t i o nc o e f f i c i e n t o ft h em e d i u ma n dt h ed i s t a n c eb e t w e e nt h el a s e rd i o d ea n dt h em e d i u ma r ea n a l o g c a l c u l a t e d t h et h e r m a ie f f e c t so fl d a s i d e p u m p e dc o m p o s i t ec r y s t a li ss t u d i e dw i t hh e a t e x c h a n g ee q u a t i o n t h et e m p e r a t u r e ，t h e r m a ls t r e s sa n dt h e r m a lf o c u sl e n g t ha r e o b t a i n e d t h et h e r m a le f f e c t so ft h ec r y s t a la r es i m u l a t e dw i t hd i f f e r e n tt h i c k n e s so f t h ec r y s t a la n dd i f f e r e n tc o o l i n gc o n d i t i o no ft h el a s e r s t e m p e r a t u r e ，t h e r m a ls t r e s s a n dt h e r m a lf o c u sl e n g t ha r e c o m p a r a t i v ea n a l y z e du n d e rt h es a m ec o n d i t i o n s b e t w e e nt h ec o m p o s i t ec r y s t a la n dt h e n o n c o m p o s i t ec r y s t a l c a l c u l a t i o n a n d s i m u l a t i o ns h o w s ：t h et e m p e r a t u r ea n dt h et h e r m a ls t r e s so ft h ec o m p o s i t ec r y s t a l d e c r e a s ea b o u t2 5 ，t h et h e r m a lf o c u sl e n g t hi si n c r e a s e dt ot w ot i m e sc o m p a r et ot h e n o n c o m p o s i t ec r y s t a lu n d e rt h es a m ec o n d i t i o n s w eu s em i c r oc h a n n e lc o o l i n gf o rd i o d el a s e ra n dj e tc o o l i n gf o rt h i nd i s kc r y s t a l p u m p i n g s t r u c t u r ea n dr e s o n a t o rc a v i t ya r ed e s i g n e d s t u d yo nt h ec o m p o s i t e c r y s t a l ， d e v e l o p e dac o m p o s i t et h i n d i s kc r y s t a ls t r u c t u r e ，a c c e s st oat h i n d i s kc o m p o s i t e c r y s t a l sp a r a m e t e r sa n dt e c h n o l o g y s y s t e ms t r u c t u r eo ft h i nd i s kl a s e ri sd e s i g n e d e x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n tt h ei m p a c to fc o o l i n gw a t e rt e m p e r a t u r ea n dg a i n m e d i u md o p i n g ，a n d4 0wo fo u t p u tp o w e rw a so b t a i n e d k e yw o r d s ：t h i nd i s k l a s e r , s i d e p u m p e d ，c o n v e r s i o ne f f i c i e n c y ，t h e r m a l e f f e c t ，c o m p o s i t ec r y s t a l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j 竖塞工些太堂或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 龇阻嗍 关于论文使用授权的说明 矽占g - 本人完全了解j 匕塞工些太堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：陋导师签名： 同期： v p 。 第一章绪沦 第一章绪论 1 1 二极管泵浦固体激光器概述 自从1 9 6 0 年第一台红宝石激光器问世以来，固体激光器一直就处于研究工 作的中心地位。进入2 0 世纪8 0 年代，半导体激光器( l d ：l a s e rd i o d e ) 及其 列阵( l d a ：l a s e rdi o d ea r r a y ) 研究工作的巨大进展极大地推动着固体激光器 件、技术及应用的发展。在此基础上出现的二极管泵浦的固体激光器因具有效率 高、热效应小、器件结构紧凑、能获得高功率和高光束质量输出等优点，同益成 熟，成为光电子行业增长最快，最令人瞩目的领域之一。 与传统的闪光灯相比，采用半导体作泵浦源的最主要的优点是效率高。以掺 钕( nd 3 + ) 激光器为例，由于泵浦灯很宽的辐射光谱与钕离子吸收带匹配不好， 通常灯泵浦的nd ：y ag 激光器总效率低于3 ，并且大功率下热效应明显，光 束质量和稳定性差。而半导体激光器的发射谱线要窄许多( 仅约1 5 n m ) ，还可 以通过温度调谐来改变其发射波长，使其峰值发射波长与激活粒子的吸收带理 想地匹配，因而泵浦效率比灯泵浦高许多。其次，半导体激光器泵浦的固体激光 器的噪声特性好、频率稳定。由于不存在液体或气体工作物质的流动起伏噪声和 泵浦灯的等离子体波动噪声，使得d p s s l 的辐射噪声特性比灯泵浦优一阶以上。 另外，半导体泵浦固体激光器具有的热光畸变小、光束质量好、稳定性好、寿命 长( 达1 0 0 0 0 2 0 0 0 0 小时) 、结构简单、体积小等特点，也是其它类型激光器所 不能比拟的1 。 二极管泵浦固体激光器的种类很多，其工作方式可以是连续的、脉冲的、调 q 的，以及加倍频混频等非线性转换的。工作物质的形状有圆柱和扳条状，结构 型式又分为直接端面泵浦、光纤耦合端面泵浦和侧面泵浦3 种。在半导体激光器 的谐振腔中产生的受激辐射是厚度为0 1 m 数鼍级的p n 结区电子空穴对 的复合，辐射光谱宽度为零点几纳米，与温度有明显关系，即在加热时波长向 红外方向转移，系数为2 5 a c 。这种现象导致在精密的固体激光器中必须使用热 稳定的二极管泵浦系统。通过改变半导体激光器( g a a s i n p ) 多层结构的组分可 以选择激光器在波长6 3 0 l5 5 0n m 范围内输出的辐射波长业嘶1 。 目前半导体泵浦固体激光器正在向以下几个方向发展：1 高功率输出：在高 功率下，温度对激光晶体的影n 向很大，环境温度升高，输出激光的中心波长向长 波方向漂移，输出激光功率则下降，除了能在一定情况下导致波片作用发生外， ：l 匕京t 业大学理学硕十学位论文 还改变了晶体的荧光寿命、发射截面、吸收特性及腔参数，从而影响器件的输出。 因此解决好激光晶体的散热足改变器件输出的关键技术之一；另外，若能提高腔 镜对基频光的反射率以及对倍频光的透射率，则器件的电光转换效率可望进一步 提高。2 可见光波段输出：经过倍频、混频和参量振荡等技术，使半导体泵浦固 体激光器在红、绿、蓝、紫等各波段均已获得激光输出，而且多数连续波输出在 瓦级以上。3 紫外波段输出：半导体泵浦固体激光器经过三倍频、四倍频后获得 功率为瓦级的紫外激光。 目前半导体泵浦固体激光器广泛应用于科学研究、材料加工、医疗卫生、军 事国防、同位素分离、激光核聚变等方i 酊，因工业激光材料加工等民用市场的需 求和惯性约束聚变( i c f ) 研究工作的进展，国际上近年来，二极管泵浦固体激 光器，特别是高功率半导体泵浦固体激光器和相关研究工作的进展非常迅速。 百瓦千瓦级的产品已推向市场，一些有明确军用背景的半导体泵浦固体激光 器研究成果相继问世。 1 2 二极管泵浦固体激光器的发展历程和现状 1 9 6 0 年，即第一台激光器诞生的同一年，r n e w m a n 就首次提出激光二极管 ( l d ) 泵浦固体激光器的思想1 。1 9 6 3 年，他用g a a s 二极管在8 8 0 h m 附近的辐 射来泵浦n d ：c a w 0 4 晶体，得到了1 0 6 u m 的荧光输出，从而宣告了第一台激光二 极管泵浦固体激光器的诞生。由于当时l d 在功率和可靠性方面均达不到泵浦光 源的要求，最初的工作只是集中在侧面泵浦方式上。 1 9 7 3 年r o s e n k r a n t z 首次报道了脉冲工作的l d 端面泵浦n d ：y a g 激光器之 后，端山i 泵浦方式才受到广泛关注并迅速发展盯1 。由于端面泵浦方式中泵浦光与 激光模共线，两者可以很好的耦合，泵浦能量利用率高，所以阈值泵浦功率低、 斜效率高。但是端面泵浦不能容纳更大功率的泵浦光，因为大功率的激光二极管 列阵的的发光孔径随功率成正比例增大，将其光束汇聚到端面泵浦所要求的小光 斑面积是非常困难的，可喜的是近年来人们用光纤耦合的方法比较好地解决了这 一问题。早期的g a a s 激光二级管采用同质结构，阈值电流很高而输出功率和效 率很低，且必须在液氮下工作，波长范围也受限制，这一时期的全固态激光器主 要限于试验研究。7 0 年代中期，出现了几种新的固体增益材料，如n d p 3 0 1 4 ( n p p ) 、 l i n d p 4 0 1 2 ( l n p ) 等，这些新激光材料掺杂浓度高且较少引起激光上能级的浓度淬 灭，可以在小的模体积内使增益介质吸收更多的泵浦光能量，从而有效地降低阈 值。 进入8 0 年代，半导体激光器及其阵列研究工作的巨大进展极大地推动了固 第一章绪论 体激光器件、技术及应用的发展。8 由于晶体生长技术、分子束外延( m b e ) 、有 机金属化合物气相外延( m o c v d ) 的同益成熟和量子阱结构的出现，l d 的阈值电 流已明显降低，连续或准连续的输出功率和转换效率也有所提高，a l a r s s o n 1 等人将l d 的总效率提高到5 0 以上，冷却要求的降低减少了激光器的机械噪声， l d 泵浦固体激光器的线宽达到了当时仪器的测量极限3 k h z ! 引，输出功率成倍增 长，使用寿命显著延长，现在已达到十万小时。l d 的发展，全面带动了新型固体 激光材料和l d 泵浦技术的发展，l d 泵浦固体激光器的工作也随之上了一个新台 阶 进入9 0 年代以来，激光二极管技术继续迅速发展，全固态激光器的工作也 随着激光二极管的发展迈上一个新的台阶，取得了突飞猛进的发展，并达到了实 用水平，美国a m o c ol a s e r 、s p e c t r a - - p h y s i c s 、s d l 公司等在该领域异常活跃 的几十个公司分别推出各种型号的连续和脉冲小型d p l 激光器。传统灯泵浦固体 激光器赖以占有世界激光器市场主导地位的所有各种振荡方式，使用激光二极管 作为泵浦源都可以成功的加以实现，全固态激光器成为重要的发展方向之一。尤 为引人注目的是以高功率全固态激光器及其应用研究的新进展。1 9 9 2 年麦道公司 为钕玻璃板条激光器制造了个大泵浦源，阵列组件包含6 5 0 0 个激光条，输出 峰值功率为3 5 0 k w 。同年，美圈劳仑兹一利弗莫尔国家实验室成功研制出千瓦级 高功率二极管泵浦n d ：y a g 激光器。1 9 9 7 年r a n d a llj s t p i e r r e 实现了l d 阵 列泵浦n d ：y a gm o p a 的千瓦级输出n 刖，倍频后输出绿光5 j p u l s e 。1 9 9 9 年日 本东芝公司实现了半导体泵浦n d ：y a g 连续3 3 k w 峰值1 3 2 k w 的激光输出u 。 近年来二极管泵浦固体激光器的发展更是异常活跃，2 0 0 0 年2 月在瑞士举行 的美国光学学会先进固体激光器( a s s l ) 上报道了用高亮度二极管泵浦n d ：y a g 相位共轭激光器获得9 0 0 w 输出的衍射极限光束的一篇论文引。2 0 0 2 年东芝公司 报道了输出功率1 1 3 k w 的半导体泵浦的全固态激光器，电光转换效率达2 2 引。 国内二极管泵浦固体激光器的研究也十分活跃，上海光机所、中科院物理所、清 华大学、天津大学、四川大学、山东大学、长春光机所、华中科技大学等单位先 后丌展了二极管泵浦固体激光器的研究，均取得了一系列成果。 目前，困外千瓦级f l , j - - 极管泵浦固体激光器已进入工业和国防等领域的实用 阶段，相比之下，在国内，受资金及激光二极管技术的限制，二极管泵浦固体激 光器的研究工作起步较晚，尤其是侧面泵浦的固体激光器。我国高功率连续二极 管泵浦固体激光器仍处于实验室阶段，输出功率小、稳定性，难以在实际激光加 工系统中应用。因此，我国的二极管泵浦固体激光器的总体水平与国际先进水平 差距较人。 ：1 匕京2 f ：l k 人p ，v - , 理。硕十学何论丈 1 3 激光二极管泵浦薄片激光器综述 1 3 1 引言 半导体泵浦固体激光器的典型问题是其热沉积的不一致，进而导致热透镜效 应的出现。热透镜效应不仅不利于激光器谐振腔的设计而且会使激光光束质量下 降，同时限制着功率输出。要消除由于废热而引起的后果，必须减少热量和热流 密度，减小热流的传导路程和对激光场的影响。几年来，关于这方面的研究有很 多设计模型，比较理想的模型是薄片激光器，薄片激光器从原理上有效地克服了 剧体激光器固有的热效应问题。1 川。 薄片激光器足一类有潜力的高功率激光源，其主要优点是允许非常高的泵浦 功率密度但在晶体内不会有太i 每的温升。在纵向泵浦的平顶泵浦光束作用下这种 结构可以产生垂直于圆盘表面、几乎均匀的轴向一维热流，因而可以减小热透镜 效应。能有效去除增益介质的热沉积，在获得高功率激光输出同时，保持高效率 和高光束质量 本节综述了薄片激光器的最新进展情况，分析了目前薄片激光器的发展特点 和趋势以及存在的问题，最后我们设计了一种新型二极管激光侧血泵浦复合晶体 薄片激光器结构，该结构能够进一步有效解决热效应等问题 1 3 2 端面泵浦薄片激光器 常见的薄片激光器如图1 - 1 所示，半导体激光器发出的光束通过一个比较大 的凹面镜反射到晶体上的。薄片晶体被固定在凹而镜抛物线的轴线上，因此泵浦 光束能很好的聚焦在晶体上。薄片的前表面镀泵浦光和激光的增透模，后表面镀 两个波长的全反模并焊接在热沉上进行冷却，薄片的全反面抛物线凹镜上的洞形 成激光器的另一个腔镜。热沉对薄片晶体表面进行冷却，并且热沉的面积比薄片 晶体的表面大，这保证了热量能很好地传递到热沉上。因此，薄片晶体能被很好 的冷却，温度梯度很小制。为了减少晶体和热沉之间的热阻对晶体进行更好的冷 却通常在晶体的表面镀t i 、p t 、a u 等金属伎其金属化然后采用铟等焊接工艺把 晶体焊接在热沉上刖。 德国斯图加特大学的研究人员对端面泵浦薄片激光器做了大量的研究，2 0 0 0 年研究人员采用二极管端面泵浦直径为5 m m 、厚度为2 2 4 l am 、掺杂浓度为9 a t 的y b ：y a g 薄片，获得了6 4 7 w 的激光输出，光一光转换效率高达5 1 。四个薄片 串接获得了1 0 7 0 w 的激光输出，光一光效率为4 8 u 。 第一章绪论 控制光 图1 _ 1 薄片激光器结构示意图 f i g 1 1s c h e m a t i co ft h ep u m ps e t u pf o rat h i nd i s kl a s e r 近年来国内多个单位也对端面泵浦薄片激光器进行了研究工作，2 0 0 2 年清华 大学李超等人在国内首次获得1 6 w 连续激光( 波长1 0 3 0 n m ) 输出的二极管泵浦 y b ：y a gt h i nd i s k 激光器装置及数据n 引。2 0 0 5 年中国二 程物理研究院应用电子 学研究所姚震宇等人采用四通光学耦合端而泵浦系统，通过提高二极管激光器阵 列输出激光强度分布的均匀性，优化经微柱透镜准直后光束的发散角，实现泵浦 光的近平项分布，采用两片l m m 厚的n d ：y a g 薄片激光介质，在两个峰值功率 2 0 0 0 w ，占空比为1 5 的二极管激光器阵列抽运下获得峰值功率1 4 4 0 w ，平均功 率2 1 6 w 的准连续激光输出，光一光转换效率为3 6 ，光束质量m 2 因子约为 1 2 1 3 睁2 刷。 端面泵浦结构热流的方向是平行于激光腔轴的，也就是说热流是沿在薄片的 轴向的，这就导致了只有在轴向上有温度梯度，也意味着在腔内轴向方向上不会 引起热透镜效应。用这种方法消除了一个最主要限制激光器输出功率的的热透镜 效应。但是轴向温度梯度的存在意味着薄片上下表面的热膨胀是不一样的，温差 过大时将会导致了薄片晶体出现弓形，这等价于一个谐振腔镜，这虽然没引起传 统意义上的热透镜效应，但这个弓形结构是影n 向激光模式的主要原因，还会导致 晶体的机械形变，在泵浦密度足够大时这种机械变形会使晶体破裂引。 1 3 3 侧面泵浦薄片激光器 通过对薄片激光器的进一步研究人们发现侧面泵浦能提供一条长的吸收路 径进而可以降低增益介质的掺杂浓度，因而不需要很高的泵浦功率密度，显示出 很人的优势。正因如此，国外多家单位都对侧面泵浦的薄片激光器结构展开了研 究。 j 匕京工业火学理学硕l 学位论文 2 0 0 2 年美国波音公司的j o h nv e t r o v e r 等人提出了输出功率可以达到1 0 0 k w 的高平均功率主动镜放大器( c a m l ) 的概念设计“。“2 。图卜2 所示采_ 【 圆形薄片 y b ：g l a s s 玻璃四川与未掺杂六边形玻璃薄片熔铸的结构图卜3 所示，组合薄片激 光介质从侧面泵浦的方法。2 0 0 4 年采用二极管侧面泵浦熔铸的y b ：g l a s s 玻璃薄 片，获得了ik w 高光束质量的激光输州“3 。 目卜3 复台玻璃薄片 f i gi 一3c o m p o s i t el a s e rd i s k o f y b ：g l a s s 介质薄片的面积增大，热负荷大大降低，薄片结构激光器的功率可定标放大，但 玻璃介质的热导率低，比绝太多数晶体介质的热导率低二个数量级，不适用于连 续和重复频率高的运转。 2 0 0 3 年只本冈崎分子科学研究所檄光研究中心td a s c a l u 等人提出边缘泵 浦复合薄片结构激光器，采用方形薄片y b ：y a g 晶体四周与未掺杂圆y a g 晶体 第一章绪论 薄片复台的结构，泵浦光从薄片的边缘进入晶体。获得连续9 0 w 激光输出，此束 质量m 2 = 5 实验装鬣如图卜4 所示“。“1 研究人员将复合薄片晶体焊接在热沉上 时，晶体出现了弯曲现象，这是由于热沉和陶瓷a g 的热膨胀系数不一致所致3 。 当对晶体进行泵浦时，晶体内温度升高，会加剧晶体弯曲程度，当泵浦功率增大 叫，晶体出现严重变形，如图l 一5 所示，影响了输出功率的增大和光束质量的 提高，2 0 0 7 年1 月他们采用二极管侧泵浦伞陶瓷复合薄片晶体y a g ，获得了4 1 4 w 的连续续激光输出“。 埘舟轴透 龆轴髓h 越境 匠 极柠堆战胜恍轴挫f c 迸谴- 陡轴 融光咒求 懑 凹1 4 侧面泵浦示意幽 f i g1 4s c h e m a t i cd i a g r a mo f s i d e p u m p e dt h i nd i s kl a s e r o 5 - 1 - o $ 1 s 静 一- 2 0 i 一 五5 - 30 02 0 04 0 0 曲o 8 0 0 t 0 0 0 辅 鬟镧功率i w ) 幽1 - - 5 ( a ) 热致品体弯曲的曲率半释泵浦输八功率的关系( b ) 复台薄片中心y b ：y a c 的弯曲 科度( c ) 复合薄片热变形示意鲥 f i g i 一5 ( a ) s p h e r i c a r a d i u s o f c u r v a l u r eo f t h e t h e m l a l l y i n d u c e dg o v e x m i r r o ra sa f u n c t i o no f i n p u tp u m pp o w e r ( b ) s u r f a c e t o p o l o g y o f t h eb o n d e dc o r e ( 0 i l l u s t r a t i o no f t h e t h e r m a l d e f o r m a t i o no f t h em i c r o c h i p ， ? m 蒌 北京工业人学理学硕士学位硷文 i , i 国内剥侧面泵浦结构薄片激光器的研究较少，2 0 0 4 年精华大学巩马理等提出 了边缘泵浦复俞薄片结构激光器“，将掺杂y b ：y a g 晶体薄片j 非掺杂的y a g 腽体薄片下而复合( 键合) ，晶体被切割成1 | ：六边形结构，泵浦光从薄片的边缘进 入晶体。此两类方法聚用品体介质，热导率增加，介质薄片的l f | ：i 积可j 骨大，通光 口径f - j _ 较大，避免了由于口径限制而引起过大的热负荷，馓光器的功率可定标放 大：同时泵浦光无需光纤耦合，泵浦光结构简化，泵浦均匀性增强。但掺杂 y b ：y a g 晶体薄片内的泵浦光与振荡激光只部分匹配，激光器的效率不高，边缘 泵浦比端面泵浦的效率低。 2 0 0 7 年8 月西安电予科技大学张中金等人采用5 个l d 融列相互成7 2 。，从 增茄介质的侧面对称泵浦( i ) 1 5m l n 5m f f l 的侧片n d ：y a c n d ：y a g 的掺杂沐度为 l0a t 实验装盈女i 图1 6 所示，当泵浦功率为1 1 0 w 时获得2 0 w 的激光输山 蚓i - 5 二极管侧面泉埔倒薄片结构 f i gl 6s c h e m a t i cd i a g r a mo f l ds l d e - p u m p c dt h i nd i s kl a s e r i b 于他们所采用的增益介质较厚热效应比较明显，上袭丽温度较高，当输 入功率较大时输出功率开始下降， 从咀上幽内外的研究现状中可卧看出，薄片结构激光介质是固体馓光器减小 热效应、提高光束质量的有效途径：减小薄片晶体激光介质的热负荷、提高泵沛 的均匀性、提高泵浦光辎台效率，是薄片激光器在保持高光束质量的前提f 提高 输出功率的发展趋势。 我们采用二极管激光侧面泵浦复合薄片晶体激光介质的新型结构，采用圆 形薄片n d ：y a g 晶体圆周与未掺杂多边 醇y a g 晶体薄片进行曲面热键和，工作物 质为复合的薄片状n d ：y a g 晶体其中心为掺杂浓度为l a t 的薄片状n d ：y a g 晶 体，外部为非掺杂的2 0 边形y a g 晶体。n d ：y a g 晶体的尺寸为m2 3 l m m 2 0 边形 y a g 晶体的外接圆直径为5 6 r m ，厚度为i m m 。通过热键合技术在激光晶体的周围 第一章绪论 键合上未掺杂的晶体，使增益介质的边缘受到的不再是张力，既不会产生形变，也 不会断裂，有利于提高激光的光束质量和激光器的可靠性，同时这部分晶体可以 起到热沉的作用，晶体中热量不仅沿着半径方向流动，也沿着轴向流动，未掺杂 晶体由于不i 吸收泵浦光，不会产生热量，从而使激光晶体中的热量有效地散出，能 够大大改善激光的热性能和光束质量口。 泵浦光从薄片的侧面进入晶体，使掺杂n d ：y a g 晶体薄片内泵浦光与振荡 激光匹配，提高激光器的效率；通过增大薄片激光介质的面积，增大通光口径， 使激光器的功率可定标放大：通过复合晶体外侧采用多边形结构，可多向侧面泵 浦，进一步增加泵浦均匀性、简化泵浦光结构。获得高效率、高功率、高光束质 量、可定标放大的激光光源。 山于n d ：y a g 晶体的热转换效率高达3 7 ，热的影u 向非常突出，因此，冷 却是n d ：y a g 薄片激光器的关键技术之一。为了能高效快速冷却工作物质，我们 采用端面冷却的方式。n d ：y a g 晶体的后表面镀有对激光的全反膜，这一面粘接 在射流冷却热沉上，前表面压一块不锈钢盖板，盖板中间有一圆孔，作为光的通 路。实验中，我们采用在激光二极管阵列的输出端面上装配准直透镜，经微透镜准 直后，二极管阵列的发散角( 1 e 2 ) 为0 上= 1 4 00 = 9 0 为有效控, 佑j j - - 极管阵列的温 度，我们采用微通道冷却技术，微通道流量为0 6 i 。m i n 。 1 3 4 总结与展望 薄片激光器显示出了较好的实现高平均功率和超高平均功率输出的能力，具 有结构紧凑、光学畸变低、效率高等突出优点，薄j 结构激光介质是固体激光器 减小热效应、提高光束质量的有效途径：减小薄片晶体激光介质的热负荷、提高 泵浦的均匀性、提高泵浦光耦合效率，是薄片激光器在保持高光束质量的前提下 提高输出功率的发展趋势。薄片激光器的进一步发展将成为工业激光加工、科研 及军事应用等领域非常重要的激光光源。但同时也应看到晶体薄片加工，晶体焊 接存在的技术困难以及晶体变形等薄片激光器所具有的新的热效应问题。 1 4 本论文的选题背景，内容及意义 高平均功率、高光束质量固体激光器，与其它类型的激光器相比，有十分 突出的优点：效率高、结构紧凑、长期可靠。这些突出的特性使高平均功率高光 束质量固体激光器在工业激光加工、科研及军事应用等领域有非常重要的应用前 景，足国际上激光技术重要的研究和发展方向。 随着半导体工艺不断进步，适于泵浦固体激光器的高功率二极管激光阵列 的制造工艺己成熟，二极管泵浦的固体激光器得到了飞速的发展，棒状激光器、 ：j 匕京i = 、l p 人学理。学硕十学干奇：论文 板条激光器、片状激光器、光纤激光器在输出功率和光束质量上得到了重大突破， 使固体激光器不仅成为在信息领域的佼佼者，而且将在激光材料加工、激光雷达、 长距离化学生物遥感、军事应用等方面发挥重要作用。 然而高平均功率固体激光器存在热效应的问题，这一问题主要是由增益介 质的泵浦所致，即使采用高效率的二极管激光泵浦，仍然有一半的泵浦能量转变 成热沉积在固体激光器的增益介质中。对激光介质表面的冷却导致热梯度，热梯 度在激光介质中产生热应力，热应力产生热透镜效应、热致双折射和热应力损伤， 造成激光波前畸变，使激光器光束质量下降。这是影响和限制大功率固体激光器 进一步应用的主要因素。 因此，二极管泵浦固体激光器的发展迫切需要一些新的改进和创新来突破 当前的瓶颈。本课题t f 是基于这种需要而进行的，本课题的目的主要是在保证激 光器高光束质量的前提下提高激光器的输出功率，从而提高转换效率，而这f 是 工业应用和科学研究对所迫切需要的。 从前面国内外的研究现状中可以看出，薄片结构激光介质是固体激光器减小热效 应、提高光束质量的有效途径；减小薄片晶体激光介质的热负荷、提高泵浦的均 匀性、提高泵浦光耦合效率，是薄片激光器在保持高光束质量的前提下提高输出 功率的发展趋势。 我们提出：二极管激光侧面泵浦复合薄片晶体激光器的新型结构，采用圆 形薄片n d ：y a g 晶体圆周与未掺杂多边形y a g 晶体薄片复合的结构，泵浦光从 薄片的侧面进入品体。使掺杂n d ：y a g 晶体薄片内泵浦光与振荡激光匹配，提高 激光器的效率；通过增大薄片激光介质的面积，增大通光口径，使激光器的功率 可定标放大；通过复合晶体外侧采用多边形结构，可多向侧面泵浦，进一步增加 泵浦均匀性、简化泵浦光结构。获得高效率、高功率、高光束质量、可定标放大 的激光光源。 本论文的主要研究内容： 本课题来源于国家自然科学基金项目“高功率高亮度可定标放大新型固体激 光器关键技术研究”。 本文的研究内容包括以下几个部分： ( 1 ) 介绍二极管泵浦固体激光器以及二级管泵浦薄片激光器技术发展概况。 扼要叙述本课题的研究背景、内容及意义。 ( 2 ) 设计了二极管侧面泵浦复合薄片晶体n d ：y a g y a g 激光器的实验装置， 建立了二极管侧而泵浦薄片激光介质内泵浦光吸收分布情况的数值模型，模拟计 算了二极管侧面泵浦中二极管的个数、介质的吸收系数、激光二极管发光中心到 介质中心距离等参数对泵浦均匀性的影响，并对薄片介质在不同吸收系数下的荧 光分布进行实验测昂。 笫一章绪论 ( 3 ) 根据热传导方程，对侧面泵浦复合薄片新结构的热效应进行了分析，求 解出侧面泵浦薄片晶体内的温度、应力以及等效热焦距，模拟分析了晶体厚度， 边界条件等对晶体热效应的影响。同时对比分析了同等条件下非复合晶体和复合 晶体的温度、应力及热焦距。 ( 4 ) 分析工作物质n d ：y a g 以及复合晶体n d ：y a g y a g 的晶体特性，选 择工作物质，分析泵浦源l d 的特性及特性测量，设计工作物质以及泵浦源的水 冷，对激光器整体结构进行设计制作。 ( 5 ) 对工作物质的泵浦均匀性进行实验研究、实验研究水冷温度对激光输出 的影响，测量输出功率曲线并对其分析研究，提出实验的改进方案。 北京t 业大学理学硕十学位论文 第二章i l i a 侧面泵浦薄片激光器泵浦均匀性分析 2 1 引言 二檄管泵浦薄片激光器是一类很有潜力的高功率的激光光源，在获得高功率 激光输出的同时，保持高效率和高光束质量。薄片激光器有端面泵浦和侧i 面泵浦 两种方式，相对于端i l l i 泵浦方式来说，侧面泵浦在减少系统的复杂性的同时也提 供了一条k 的吸收路径进而可以降低增益介质的掺杂浓度，是一种更好的泵浦方 式1 3 2 - 3 引。在侧面泵浦结构设计中，如何合理选取侧面泵浦结构的参数提高激光 器泵浦的均匀性对整个激光器的工作性能有重要意义。文中就介质对侧面泵浦光 的吸收过程进行了数值模拟计算，得剑了薄片晶体内泵浦光的分布情况，该分布 情况刚时对应介质内的增益分布情况，并在此基础上得到了侧面泵浦参数对介质 内泵浦光分布均匀性的影响的一般规律。 2 2 侧面泵浦薄片激光器结构和数值模型 2 , 2 1 侧面泵浦薄片激光器结构 对于侧面泵浦来说能实现均匀泵浦的二极管阵列排布方式有两种，分别是快轴平 行于薄片晶体表面和快轴垂直于薄片晶体表面。二极管阵列快轴平行于薄片晶体 表面结构比较复杂，在实际应用中有一定的难度。我们采用二极管阵列的快轴垂 直于薄片晶体表面的排布方式，二极管对称的排列在增益介质的周围，从侧面对 增益介质进行泵浦，通过微柱透镜对二极管的快轴进行准直如图2 1 所示。 要精确计算泵浦光在激光薄片介质中的分布，有很多复杂因素，计算的工 作量大，为了简化问题的研究，我们作如下假设： ( 1 )由于薄片的厚度很小，可将薄片轴向方向上的泵浦光吸收看成是均 匀的，因此只需计算薄片轴向方向上的某一截面内的泵浦光吸收分布情况就可知 道整个薄片内泵浦光的吸收分布情况。 ( 2 ) 沿薄片晶体周围均匀分布的二极管阵列产生的泵浦光是一致的，并 且近似看成是由远处点光源发射的光。 图2 2 为单个二极管线阵泵浦的几何图形，光强分布可表示为 第二章l d a 侧面泵浦薄片激光器泵浦均匀性研究 图2 一l 侧面泵浦薄片激光器结构示意图 f i g 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fs i d e p u m p e dt h i ndi s kl a s e r y ， x 百f 叫、 史i 削2 2 为单个二极管线阵泵浦的儿何图形 f i g 2 2t h eg e o m e t r yd i a g r a mo fs i d e p u m p e df o rs i n g l el d m 烘z ) _ 删_ 2 南+ 赤】 ( 2 州 式中，i 。表示光束中心沿薄片轴向方向单位长度上的光强；略忙) 和q 一) 分 别是厄米一高斯光束在z 处( 光束沿z 轴传播) 沿x 轴和y 轴的半宽度。由于慢轴 方向上光束的远场分布近似为高斯分布，则泵浦光的光强可表示为 地，z ) ：兽e x p _ t 2 y 2 4 r c c o ( 2 2 ) i 。，为。处泵浦光强，c o 是光斑在( y ，z ) 处的直径，表示为 如簖 1 + ( 剐 3 ， 考虑到薄片对泵浦光的吸收，泵浦光在薄片内的光强可表示为 l ( y , z ) ：粤e x p _ 篓一叫 a 为薄片的吸i l 复系数，l 为泵浦光在薄片内的吸收距离。通过对图形的几 北京。刖大学理学硕士学位论文 由于多个_ ：_ _ 械管沿薄片圆周均匀砧置，因此只要计算出1 个二极管泵浦光 的分布，冉把其分布按角度旋转叠加就n ，得到多个二极管多方向泵浦的光强分 布- 隋况1 。 2 2 2 侧面泵浦薄片激光器泵浦参量对泵浦均匀性的影响 在侧皿泵浦结构中激光二极管慢轴方向的发散特性、激光二极管的数量、介 质的吸收系数和二极管到介质中心的距离等参量对泵 i | i 均匀性影响较大，将这些 参数合理优化宵助于提高激光器的泵浦效率和光束质量。 山杂b l i 片增益介质州，二械管慢轴方向上的泵浦光分布近似为高斯光 束，利用m a t h e m a t i c a 编程对不同参量刘麻的增益介质内泵沛光强分布隋况进行 模拟。 图2 3 ( a ) 足计算机模拟的雌个二极管通过快轴准直后侧面泵浦薄片增 益介质n d ：y a g 的情况。n d ：y a g 的尺寸人小为世2 3 1 m ，掺杂浓度为】a t 、激光二极管慢轴发敞角为l 以二板管发光。l ；心到品体q ，心的距离为3 5 m m 、 晶体的吸收系数为01 2 c m 。由图23 ( a ) 司吼看出币个二极管对薄片增益介 质进行泵浦删，增益介质内泵浦光分布很不均匀，这将使激光在谐振过程中产生 严重的畸变，导致输出激光光束质量下降。 霍皤囤鳓 囵国画每 ( c ) r l - l5 ( d ) r l - 2 0 幽2 3 一极管数量不同时的增菔介质内二维和l 二维泵j i l i 光强分布剀 f i g2 - 32 da n d3 dc o m p u ”r m o d e l i n go f g a i nd i s t r i b u t i o n i n w o r k i n g m e d i u mb yd i f f e r e n t d i o d eb a r s 要获得理想的泵浦光分布，采用多个二极管等间距环绕薄片进行泵浦是 种比较好的解决办法。图2 3 ( b c ，d ) 是计算机模拟5 、1 5 、2 0 个激光二极 管等间距泵浦n d ：y a g 的泵浦光分布情况。其泵浦结构的参量与图2 3 ( a ) 相 同。山图2 3 ( a ，b ，c ，d ) 我们可以看出，当其它条件相同时，等间距环绕泵浦用 的二极管越多，工作物质中心处的泵浦光强就越强泵浦光强分布沿工作物质径 至三至! 呈垒型堡圣堡墼篁塑垄塑堡塑窒竺些竺至 向变化的趋势就越明显。 山上面的讨论我们可以看出，增j j 儿侧面泵浦极管的个数可以对增益介质内 泵浦光分布进行大大改善，泵浦二极管越多，增益介质内泵浦光分布就越