（光学专业论文）高功率二极管泵浦双程放大器技术研究.pdf

u u 川人学坝+ 学位论文 高功率二极管泵浦双程放大器技术研究 光学专、眦 研究生：高清松指导教师：冯国英 近几年，高功率耵二极管泉浦同体激光器住基频和倍频波段均获得了高效率 和高功率激光输出。_ 二檄管泉浦固体激光器的高效率和高亮度在材判处理、光 学遥感和频率转换泵浦源等方向均有应用。本论文升展高功率一极管泵浦双程 放大器技术研究，建立了一台电光调q ，丰振荡功率放大( m o p a ) 固体激光 器，激光器在重复频率4 0 0 h z 输山单脉冲能量4 0 0 m j ，调q 脉宽1 8 n s ，光束质 量21 倍衍射极限。 通过理论分析、数值模拟和实验研究，模拟计算了舣程放大器的输出能量 和提取效率，为激光放大器的设计和实验研究提供了参考。给山了不同输入( 注 入) 能量下双程放大器的输出能量，对激光放大器进行了优化，得山了双桴放 大器的_ _ l = 作参数。 高功率_ 极管泵浦模块中n d ：y a g 棒的热效应，包括热透镜效应和热致双 折射所引起的退偏效应。在光路中力入适当的负透镜可以对特定作条件下 n d ：y a g 棒的热透镜进行较好的补偿；使用两个j f 益和荧光分布等参数皋本一 致的泵浦模块作为放大级，存其问加入9 0 度杆英旋转片和4 f 像传递系统町以 较好的补偿热致双折劓所引起的退偏效应，取得了较好的补偿效果，提高了泵 浦模块的提取效率和激光输出功率。 高重复频率极管泵浦n d ：y a g 双程放人器采用丙酮液体作为相位共轭镜 来改善光束质量的实验研究。实验结果表明：采用光束扫描_ 方式，较明显地减 少了液体介质热效应。激光器在重复频率4 0 0 h z ，注入能量4 0 m j 时，反射率达 到6 5 。激光器使用s b s 相位共轭镜后光束质量由2 3 倍衍射极限提高到1 3 倍衍射极限，激光脉宽由2 3 n s 压缩到5 n s 。石英相位芡轭镜征重复频率4 0 0 h z 也获得了人= r 4 0 的反射率，光束质量由23 倍衍射极限降低至0 12 倍衍射极限。 关键词：二极管激光器，激光放大器，热效应，相位共轭技术 p q 川久学砸十学位i ：仑文 s t u d yo nh i g hp o w e rd i o d ep u m p e d s o l i d - s t a t el a s e r w i t ht h ed o u b l e p a s sa m p l i f e r m a j o ro p t i c s p o s t g r a d u a t eq n g s o n gg a o d i r e c t o rg u 掣i n ef e n g i nr e c e n ty e a r s ，d i o d e p u m p e ds o l i d s t a t el a s e r sh a v es i g n i f i c a n t l ye n h a n c e dt h e p e r f o r m a n c e so fs o l i d s t a t e l a s e r sg i v i n gah i g h e re f f i c i e n c ya n dah i g h e ra v e r a g e o u t p u tp o w e r a tb o t hf u n d a m e n t a la n d f r e q u e n c y - d o u b l e dw a v e l e n g t h s h i g h - e f f i c i e n c yh i g h - b r i g h t n e s so p e r a t i o no fd i o d e - p u m p e ds o l i d - s t a t e l a s e r si s a t t r a c t i v e f o rt h ea p p l i c a t i o n so fm a t e r i a lp r o c e s s i n ga n dr e m o t es e n s i n ga n da sa p u m ps o u r c ef o rf r e q u e n c yc o n v e r s i o n ad i o d ep u m p e de 一0e s w i t c h e dm o p a s o l i d s t a t el a s e rw i t ho u t p u tp u l s ee n e r g yo fo ，4 ja t4 0 0 h zr e p e t i t i o nr a t ea n d18 n s p u l s ew i d t hi sd e m o n s t r a t e d t h eb e a mq u a l i t yi sl e s st h a n21 f o rt h eo u t p u te n e r g ya n dt h ee n e r g ye x t r a c te f f i c i e n c yo ft h ed o b l e p a s s a m p l i f e rw e r es t u d i e sb yt h e o r e t i a la n a l y s i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t r e s e a r c h ，w h i c hw i l lp r o v i d er e f e r e n c e sf o rt h ee x p e r i n a e n t a ls t u d ya n dd e s i g no fl a s e r a m p l i f e r t h ee n e r g ye x t r a c te f f i c i e n c yo ft w on d ：y a gr o d sp u m p e db yd i o d el a s e r m o d u l ei se x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e d t h eo u t p u te n e r g ya n de x t r a c te f f i c i e n c yo f t h ee a c h a m p l i f i c a t i o n i nd i f f e r e n t i n p u te n e r g y a r e a n a l y z e db yt h e o r y a n d e x p e r i m e n t t h e r m a le f f e c t ss u c ha st h e t h e m a a l l yi n d u c e d l e n sa n ds t r e s s i n d u c e d b i r e f r i n g e n c eo ft h el a s e rr o dp u m p e db yh i g hp o w e rl di nl a s e ra m p l i f i e ra n dt h e i r c o m p e n s a t i o n sa r ed i s c u s s e dm i n u sl e n s e s c a r lm a k eg o o dc o m p e n s a t i o nf o rt h e t h e r m a l l yi n d u c e d l e n so ft h el a s e rr o d t h ed e p o l a r i z a t i o nl o s sc a u s e d b yt h e b i r e f r i n g e n c ei sr e d u c e dw i t ha9 0 。q u a r t zr o t a t o ra n di m a g i n gr e l a yo p t i c a ls y s t e m b e t w e e nt w os i m i l a rl a s e rm o d u l e s t h eo u t p u tp o w e ra n dt h ee f f i c i e n c yo fl a s e ra r e b o t hi m p r o v e di ne x p e r i m e n t i i 四川大学磺士学位论文 p h a s ec o n j u g a t i o nt e c h n o l o g yw i t hl i q u i dc h 3 c o c h 3a sm e d i u mt oi m p r o v e b e a mq u a l i t ymd o u b l e - p a s sa m p l i f i e rl a s e rs y s t e mi se x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e d t h er e s u l t so p e r a t i n go n4 0 0 h zr e p e t i t i o nr a t es h o wt h a tt h et h e r m a le f f e c to ft h e l i q u i dm e d i u m c a nb ee f f e c t i v e l yr e d u c e dw h e nt h eb e a ms c a n n i n gs y s t e mi sa d o p t e d t h em a x i m u ms b sr e f l e c t i v i t yo f6 5 b yu s i n go fc h 3 c o c h sl i q u i di sa c h i e v e da t 4 0 0 h z i na d d i t i o n a l ，t h ep u l s ew i d t ho fl a s e rh a sb e e nc o m p r e s s e dt o5 n s ，a n dt h e b e a m q u a l i t yh a sb e e ni m p r o v e df r o m 2 3t o1 3 t h eq u a r t zg l a s sp h a s ec o n j u g a t o ri n ah i g hp o w e ra n dh i g hr e p e t i t i o nr a t ed i o d ep u m p e dn d ：y a gm o p as y s t e mi s d e v e l o p e d as t a b l ep h a s ec o n j u g a t i n gr e f l e c t i o ni sr e a l i z e da t4 0 0 h zr e p e t i t i o nr a t e a n dw i t ht h er e f l e c t i v i t y4 0 t h eo u t p u tb e a mm 2i si m p r o v e df r o m2 3t o1 2 k e yw o r d s ：d i o d el a s e r , l a s e ra m p l i f e r , t h e r m a le f f e c t s ，p h a s ec o n j u g a t i o n t e c h n o l o g y l i l 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行 的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其f 电a 已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为扶得四川大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同1 作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文巾作了明确的说明并表示谢 意。 木学位论文成果是本人在f s tj 1 1 人学读书期间在导师指 导f 取得的，论义成果归四川大学所有，特此声明。 导师签字： 学生签宁： 2 0 0 6 1 1 5 易7 刁霉 高缗根、 四州大学顼士学位论文 第一章引言 1 1 二极管泵浦固体激光器的发展 自2 0 世纪6 0 年代世界上第一台红宝石激光器问世以来，固体激光器一直是 众多激光器中的佼佼者。1 9 6 3 年，美国人纽曼首次提出了用二极管激光器作为 固体激光器泵浦源的构想i i 】。但在早期，由于二极管激光器的各项性能很差， 作为泵浦源还不成熟。八十年代初期m o c v d 技术的应用及量子阱激光器的出 现，以及进入九十年代以来大功率的d l 及d l 阵列技术的逐步成熟，使得二极管 泵浦固体激光器( 简称d p l ) 迅速发展1 2 】。当前，以二极管激光器及全固态激光 器为代表的固体激光技术已进入了全面发展阶段，其应用领域涉及科学研究、 工业、军事、医学及日常生活等多个领域，成为当前国际激光技术发展的方向 之一。二极管泵浦固体激光器的技术核心包括光束耦合、热效应补偿、光束质 量控制、电源技术、控制系统及系统集成等方面。二极管泵浦技术的出现，为 固体激光器注入了新的生机和活力，成为固体激光器的主要发展方向。近年来 由于大功率二极管激光器制造工艺的成熟和生产成本的降低，使二极管泵浦固 体激光器的研究得到了快速的发展，且已进入商品化。世界著名的激光公司 r o f i n s i n a r 所销售的激光工业加工设备中7 0 已是二极管泵浦的固体激光器。 二极管泵浦固体激光器( 简称d p l ) 与闪光灯泵浦固体激光器相比，二极 管泵浦固体激光器具有以下优点： ( 1 ) 转换效率高：由于半导体激光的发射波长与固体激光工作物质的吸收峰 相吻合( 如图l1 ) ，加之泵浦光模式可以很好地与激光振荡模式相匹配，从而 光光转换效率很高，己达5 0 以上【3 l ，整机效率也可以与二氧化碳激光器相当， 比灯泵固体激光器高出一个量级，因而二极管泵浦激光器可省去笨重的水冷系 统，体积小、重量轻，结构紧凑。 ( 2 ) 性能可靠、寿命长：二极管激光器的寿命大大长于闪光灯，达1 0 0 0 0 d , 对以上，而闪光灯的寿命只有3 0 0 1 0 0 0 5 时。激光二极管的泵浦能量稳定性好， 比闪光灯泵浦优一个数量级，性能可靠，可制成全固化器件。运行寿命长，成 为迄今为止唯一无需维护的激光器，尤其适用于大规模生产线。 ( 3 ) 输出光束质量好：由于二极管泵浦固体激光器的高转换效率，减少了激 四川大学硕士学位论文 光工作物质的热透镜效应，大大改善了激光器的输出光束质量，光束质量己接 近理论极限m 2 = 1 。 图1 1 二极管激光器和泵浦灯的发射谱及n d ：y a g 晶体的吸收谱 具有代表意义的高平均功率d p l 研究有美国劳仑兹利弗莫尔国家实验室 ( l l n l ) 于1 9 9 2 年研制成功的千瓦级高功率二极管泵浦n d ：y a g 激光器 “， l l n l 实验室于2 0 0 1 年研制成功的万瓦级闪光灯泵浦钕玻璃的热容激光器，2 0 0 4 年采用d l 替代闪光灯实现了3 0 k w 平均功率输出，下一步计划采用二极管泵浦 n d ：g g g ，功率将达到1 0 万瓦卧】。 1 1 1 二极管激光器的发展 在过去4 0 年中，研究人员曾经试过许多种光源来作为固体激光器的泵浦源。 现在，仍在实际中应用的还有闪光灯、连续弧光灯和二极管激光器。以下将简 四川大学硕士学位论文 要地回顾一下作为固体激光器泵浦光源的二极管激光器的发展过程。二极管激 光器之所以很快成为固体激光器理想的泵浦源，是因为它具有电光转换效率高、 输出谱线窄、工作寿命长和体积小等特点。 早在1 9 5 7 年，首次提出了p a 结中空穴一电子对的复合可以发出光子，而 且阐述了在半导体中产生受激辐射的可能性。在1 9 6 2 年，有四个研究小组几乎 同时报道了同质结半导体激光器的研制成功，遗憾的是，这些同质结激光器的 运行在原理上受到了以下两方面的限制：第一，由于载流子能够显示同质结区 域内复合，这就意味着相对于自发辐射而言，受激辐射需要更大的注入电流以 获得足够高的电流密度才能产生受激辐射；第二，激活区产生的大量光衍射到 有源区附近的p 区和n 区，并被它们完全吸收，这就进一步提高了阈值电流， 限制了器件只能以脉冲方式运行。 1 9 6 3 年，k r o e m e r 提出了异质结的概念并克服了上述的第二点限制因素， 实际意义的异质结半导体激光器第一次实验工作是在1 9 7 0 年进行的，异质结是 由p 型a l g a a s 和n 型g a a s 结合而成。在那以后，由异质结派生出的双异质 结结构比异质结效率更高，并且能够在室温下连续稳定工作。 2 0 世纪8 0 年代，量子阱技术的出现是双异质结半导体激光器的重大突破， 它最终克服了同质结半导体激光器中的第一点缺陷。量子阱半导体激光器有两 种结构，即多量子阱和单量子阱结构。一般而言，多量子阱结构是通过在有源 区交替生长多层g a a s 和a l g a a s 薄膜而形成许多微小异质结结构。 3 02 01 001 02 03 03 0 2 01 001 02 03 0 垂直面结平面 图1 2 二极管激光器在两个方向上的发光特性 一般高功率二极管激光器由一个或多个线阵组成，线阵典型发光孔径为 3 四川大学硕士学位论文 1 0 m m x l g m ，发散角在垂直结平面方向约为3 0 0 ( f w h m ) ，在结平面方向约为 l o 。( f w h m ) ( 如图1 2 ) 。用高功率二极管激光器泵浦激光介质时。通常有自 聚焦透镜耦合、光纤耦合和多透镜组合等耦合方式j 。 一维二极管激光器通常由1 0 2 0 个多量子阱半导体激光器组成，这些多量 子阱二极管激光器并列排列在同一衬底上，它们之间间距一般大约是5 0 0 um 。 考虑到实际制作工艺的要求，这种一维二极管激光器长度一般控制在l e m ，在 连续工作模式下输出功率一般为1 0 w ，最近c e o 等公司生产的l c m 维二极 管激光器连续输出功率已经可达到6 0 w ，随着制造工艺的发展，这一功率还将 继续增加。 现在市场上已经出现了多种结构、封装和功率水平的二极管激光器来满足 各种应用需求，这里只仅仅限于讨论那些用于做固体激光器泵浦光源的二极管 激光器，包括单“b a r 二极管激光器( 如图1 3 ) 、高功率二极管激光器面阵( 如 图1 4 ) 和高功率激光泵浦模块( 如图1 5 ) 。高功率激光泵浦模块采用直径6 3 5 m m 的n d ：y a g 棒，在诣振腔内获得连续7 5 0 w 功率输出。 图1 3 高功率连续二极管激光器 4 四川大学硕士学位论文 图1 4 高功率准连续二极管激光器面阵 图1 5 高功率连续激光泵浦模块 目前，有很多种将半导体激光器输出光束耦合到光纤中的方法，其中最简 四川大学硕士学位论文 单的方法是在每一个发光管前用一根光纤将输出激光直接耦合进光纤，再把这 些光纤的另一端输出排列成圆形耦合到另外一根芯径较大的多模光纤中输出， 采用数值孔径较大的多模光纤能够将半导体激光器的输出光束有效耦合输出， 耦合效率可以高达9 0 。整个模块用半导体冷却，它可以实现高精度的温度控 制，从而稳定激光的输出波长，在半导体激光器和底座上装有温度传感器，它 实时监控系统工作过程中的温度变化情况( 如图1 6 ) 。 输出功率：2 0 w ； 光纤芯径：2 2 0 l an l ； 数值孔径：0 3 7 图1 6 光纤耦合二极管激光器 使用光纤耦合输出的半导体激光器来泵浦固体激光器具有以下一些优点：首 先，光纤耦合输出光束的光斑呈圆对称分布，而半导体激光器的输出光斑则是 典型的椭圆分布；其次，有利于维修时在不改变激光器谐振腔结构的情况下只 更换泵浦源；相比于半导体激光器直接输出，使用光纤输出可以得到的光束功 率密度更高。 最近，准连续运行半导体激光器的研究取得了巨大进步，光纤耦合的准连 续半导体激光器峰值功率已达1 5 0 w 。 1 1 2 激光晶体材料 在过去四十年里，人们发现了许多种高效的激光晶体材料。一般而言，这些 被用作固体激光增益介质的激光材料必须具备特定的物理、化学和光学特性， 这些性质是由晶体材料本身的特性、掺杂的激活离子以及晶体材料和掺杂粒子 的相互作用等共同决定的。 6 四j 计大学顿士学位论文 理论上，许多种激光材料都可以用半导体激光器作为泵浦源，而最常用的 激光材料的激活离子则是n d ”离子，n d ”离子在8 0 8 n m 谱线附近有一个吸收峰， 这恰好与高功率a i g a a s 半导体激光器输出光谱能很好地匹配。 作为最常用的稀土元素离子，n d ”离子也是第一个应用于激光器中的三价稀 土元素离子，直到现在，它仍然是最受欢迎的激光材料掺杂离子。受激辐射一 直都是采用掺杂有正离子的激光材料来实现的，现已至少有4 0 多种激光材料能 够用来掺杂，其中包括掺钕y a g 或钕玻璃以及其他各种掺铬晶体。在二极管泵 浦固体激光器中用的最多的几种晶体是y a g 、y v 0 4 、y l f 等，根据激光器应 用要求的不同，激光晶体材料的选择也不一样。在钕离子掺杂的激光晶体， n d ：y a g 激光晶体由于比较容易获得大而且光学均匀性好的晶体，已广泛应用 于高功率激光器中；n d ：y v 0 4 具有吸收系数大、发射截面大、增益系数高、上 能级寿命短而在二极管泵浦的短脉冲激光器中得到广泛的应用；n d ：y l f 则是 由于其上能级寿命长而在高能量脉冲激光器中受到重视。 由于y b ：y a g 的吸收带宽为8 n m ( 在中心波长9 4 0 n m ) ，其荧光寿命为 1 0 8 0 “s ，单次储能高，但受激发辐射截面仅为0 | 2 1 0 - 1 9 c m 2 ，这表明y b ：y a g 晶 体强泵浦，从而提高小信号增益系数。 表11 激光晶体材料物理和光学特性 材料 参数 n d ：y v 0 4 n d ：y a g y b ：y a g 单位 熔点1 7 0 01 9 7 01 9 7 0 密度 4 2 34 5 6 4 5 6 e c e m 3 热膨胀系数 7 3 7 99 3 c j 折射率 1 8 6 ( n o ) 1 8 8 ( n 。) 1 8 1 81 8 1 8 受激吸收截面 3 34 o 2x 1 0 1 9 荧光寿命9 82 4 01 0 8 0u s 发射波长1 0 6 41 0 6 41 0 3 1n m 阈值功率1 0 0 0 w c m 吸收带宽 2 ( 8 0 8 n m ) o8 ( 8 0 8 n m ) 8 ( 9 4 0 n m ) 四川大学硕士学位论文 1 1 3 泵浦方式 相对于闪光灯，半导体激光器输出光方向性好，光功率密度高，从而决定 了二极管泵浦方式的多样性。在二极管泵浦固体激光器中最常被采用的两种典 型的泵浦方式为端面泵浦与侧面泵浦。 在端面泵浦方式中，半导体激光器的输出光在经过一组准直聚焦透镜后从 晶体的端面入射到晶体中，泵浦光的入射方向与产生的激光振荡方向一致。泵 浦光与激光t e m o o 模匹配容易，有较好的光束质量【9 l 。在精密加工应用中，往 往要求激光输出光束质量好，这种基模光束可以聚焦得到接近衍射极限的光斑， 有利于提高加工精度。高光束质量基模高斯光束也有利于有效地实现倍频和三 倍频技术得到绿光和紫外激光。 图1 7 是l u 儿实验室采用双折射补偿的端泵浦双棒y b ：y a g 激光器。 得到1 0 8 0 w 的连续输出，m z = t 3 5 。光一光转换效率达到2 7 5 。在6 0 0 w 连续 输出时，m 2 = 1 5 。调q 输出为5 3 2 w ，m 2 2 5 ，光光转换效率为1 7 。双折射 补偿是采用在两棒中间放入一个9 0 。旋转器的方法。当泵浦功率超过3 k w 时， 需要在两个激光棒之间插入一个负透镜，来维持谐振腔稳定，负透镜的选择是 为了在强的热透镜条件下保证t e m o o 模的束腰接近不变 1 0 - 1 2 l 。 图1 7 采用双折射和双焦点补偿的双棒y b ：y a g 激光器 在侧泵涌结构中，二极管阵列从激光棒侧面泵浦，沿垂直激光轴方向泵浦激 光介质嘲。泵浦光可以直接或者通过光学微透镜也可以通过光纤耦合到激光晶 体中，与端泵浦相比，侧泵浦的效率低些，但易于定标放大，所以普遍用在高 8 四j l f 大擘硬士学位论文 功率系统中。 图1 8 激光泵浦头 图1 8 是日本t o s h i b a 公司研制的3 k w 级l d 泵浦模块的示意图。在连续波 输出条件下，光- 光效率达到了4 7 ，电一光效率达到1 9 。在q c w 输出条件下， 光- 光效率达到5 2 ，电- 光效率达到1 7 。在c w 和q c w 组合输出条件下， 光光效率达到4 2 ，电光效率达到1 6 。n d ：y a g 激光器输出的功率从o 8 k w 到1 0 k w | 1 3 】。2 0 0 1 年。该公司采用定标放大技术得到了1 0 k w 功率输出。 1 2 高功率m o p a 二极管固体激光器 1 9 7 2 年m a r t i n 和c h e m o c h 首次提出了板条激光器的概念，它通过激光晶体 表面与空气介面的全反射让激光在激光晶体内来回反射，最后从端面输出。采 用这种结构的泵浦方式，增加了泵浦面积，泵浦光充满整个晶体，可以增加输 入泵浦功率而不至于引起晶体破裂，也可以消除应力双折射对输出功率的影响。 虽然采用这种结构的激光器输出功率可以达到上千瓦的水平，但它往往是多模 输出，光束质量很差，也很难得到圆形光斑。 采用m o p a 结构的激光系统是种可以同时获得高功率和高光束质量的有 效方法。目前，大多数超高功率固体激光器都是基于这一结构。由于这种结构 是一种可以同时获得高功率和高光束质量的有效方法，使得许多公司和研究机 构都在这一领域展开科学研究。德国t r u m p f 激光公司采用m o p a 结构的固 体激光器连续输出功率已经可以高达6 0 0 0 w 。为了满足遥感测量对激光源的要 9 四川大学硕士学位论文 求，斯坦福大学采用了多级放大技术15 1 ，主振荡器为- - 极管泵浦y b ：y a g 激 光器，采用外调制的方法得到重复频率为1 0 h z ，脉冲宽度为1i is ，脉冲能量为 l m j 的激光脉冲，最后采用两级放大将脉冲能量提高到了1 0 0 m j 。 图1 9m o p a 激光器系统示意图 5 3 2n m 浚餐 j 琵蠡 1 9 9 1 年德国w k o e c h n e r 等人报道了一种现代化的多级n d ：y a g 主振荡器功 率放大器( m o p a ) 设计( 如图1 9 ) 。每级的泵浦能量在8 0 8 r i m 时为9 0 0 m j ， 泵浦脉宽为2 0 0us 。二极管阵列围绕着y a g 棒排列成8 重对称结构，以得到均 匀的泵浦。激光系统在4 0 h z 重复频率在1 0 6 4 r i m 波长输出7 5 0 m j 能量的t e m 模。并以6 5 的效率将其转换为5 3 2 n m 的激光输出。 1 9 9 8 年，日本大阪大学报道的二极管泵浦八程放大器( 如图1 1 0 ) 。振荡级 产生的1 0 6 4 m n 的激光能量为1 5 m j ，脉冲宽度为3 1 n s ( f w h m ) ，重复频率5 0 h z ， m 2 为1 1 。放大介质n d ：y a g 板条的两侧面分别由峰值功率为9 0 0 w 、脉宽为 2 0 0ps 的二极管阵列泵浦。当注入激光为o 5 5 m j 时，放大器输出能量为2 4 9 m j ， 储能提取效率为7 3 ，光一光转换效率为6 9 。放大后脉冲宽度压缩为2 6 n s ( f w h m ) ，m 2 为1 2 。 l o 四川大学磺士学位论文 主振荡器输出信号通过三个放大器后，进入由热四波混合单元和两个放大 器组成的回路，如图1 1 1 所示。从回路中返回的信号和输入的光束是相位共轭 的。在理论上，相位共轭能够消除放大器的扰动。在不采用自适应光学校正内 部扰动的情况下，获得高光束质量的2 5 k w 激光输出。难点在于确保相位共轭 能够正常工作，2 0 0 4 年5 月，非线性系统的效率已经高于5 0 。要获得1 0 0 k w 的激光输出，在相位共轭光束中增加放大器以提高输出功率【1 6 】。 图1 1 0m o p a 激光器系统示意图 图1 11r a y t h e o n 研制的板条激光器 2 0 0 1 年日本报道了腔外双倍频m o p a 系统【1 7 】，其组成包括主振荡器，光束 四川大学硕士学位论文 整型器，激光放大器和绿光倍频器( 如图1 1 2 ) 。主振荡器由两个二极管泵浦 n d ：y a g 棒( 棒直径4 m m ，棒长6 0 m m ，n d 掺杂浓度o 8 ) 组成，在两个棒之 间插入9 0 度。石英旋光器。振荡器最大输出平均功率3 2 w ( 重复频率2 5 k h z ， 单脉冲能量1 2 8 m j ，占空比2 5 ) ，输出为高斯光束，光斑直径1 4 m m ，脉冲 宽度4 3 n s ( 半高宽) 。光束整型器将振荡级输出的高斯光束整型为平顶分布，调 整其尺寸与放大器棒的口径匹配。平顶分布的光束更适合从均匀泵浦光分布的 棒里提取能量。 放大器包含两个n d ：y a g 棒( 棒直径4 m m ，棒长1 1 0 m m ，n d 掺杂浓度0 8 ) 。 二极管激光器面阵由1 2 个s d l 一3 2 4 4 m b l 叠阵组成，在快慢轴的尺寸分别为 2 0 m m 和1 0 m m 。每个头有四个二极管激光器面阵。整个二极管激光器泵浦头输 出峰值功率2 8 8 k w ，平均功率7 2 0 w 。 由于i i 类k t p 晶体的高的非线形系数、小的走离角和大的容忍误差等特性 很适合作为绿光倍频器。然而，由于k t p 晶体的灰色轨迹效应难作为高峰值和 高平均功率激光器的倍频器。b o u l a n g e r 等建议这个问题通过减少晶体的绿光强 度能部分解决。两个k t p 晶体结构能通过加大作用长度来增加倍频效率，减少 由于k t p 晶体相位失配产生的后级转换。新颖的两个晶体频率转换技术称为“二 次转换”，不会产生后级转换。两个k t p 晶体串接技术以便第一个k t p 晶体产 生的绿光与第二个k t p 晶体产生的绿光在偏振方向垂直。尽管采用这种技术能 获得一种偏振态绿光输出，从第一个k t p 晶体获得的高峰值和高平均功率的绿 光也会被第二个k t p 晶体吸收，但是灰色轨迹损伤和温度导致的相位失配等问 题可能在第二个k t p 晶体会被减少。因此，我们采用两个k t p 晶体串接，而 第一个k t p 晶体输出的绿光在第二个k t p 晶体之前问输出。虽然这种布局会 输出两个分离的线偏振绿光，两个线偏振光用另一个偏振元件可以合成。两个 k t p 晶体的长度是1 5 m m 。晶体的温度是7 0 。第一个k t p 晶体前的扩束镜的 目的在于把峰值功率密度减少到小于4 0 m w c m 2 。m o p a 系统输出的垂直偏振 光用 2 波片h w p 2 旋转4 5 。与k t p 晶体的i i 倍频角度相匹配，倍频前的光功 率用 2 波片h w p l 来调节。 四川大学磺士学位论文 图1 1 2 腔外双倍频器m o p a 结构图( p ：偏振片，0 i i p ：x 4 波片，h w p ： 2 波片 和d s ：分光镜) 输入平均功率2 0 1 w ，第一个k t p 晶体获得l1 9 w 平均功率输出，频率转 换效率5 9 2 。在第一个k t p 晶体后用分光镜( d s ) 输出绿光，透过的基频光 在第二个k t p 晶体上产生绿光。获得最大平均功率1 2 w ，转换效率1 7 8 。k t p 晶体的转换效率与m o p a 系统平均功率关系如图3 。激光器获得最大平均功率 1 3 1 w ，转换6 5 2 。 图1 1 3m o p a 激光器系统示意图 2 0 0 4 年中国工程物理研究院应用电子学研究所报道了台二极管泵浦高重 复频率、大能量、电一光调qm o p a 绿光激光器( 如图1 1 3 ) 。在重复频率5 0 0 h z ， 脉冲宽度1 5 n s 条件下，实现了单脉冲能量1 2 7 j 的1 0 6 4 n m 输出，光束质量2 5 四川大学硕士学位论文 倍衍射极限。采用类相位匹配k t p 晶体( 尺寸为1 2 m m x1 2 m i n x1 0 m m ) 外 腔倍频，在基频能量1 j 、重复频率4 0 0 h z ，泵浦功率密度6 7 m w c m 2 时，获得 大于4 0 0 m j 的绿光输出( 平均功率达1 6 0 w ) ，倍频效率约为4 0 ，绿光光束质 量1 3 5 。 1 4 四j i l 大学磺士学位论文 第二章激光放大器的理论模拟计算 2 1 激光放大器模型 这里建立了一个计算机模型采用迭代方法模拟激光的放大过程。在激光 放大器中，当输入脉冲的宽度远比激光介质荧光寿命短时，这时因受激辐射而 消耗的反转粒子数来不及由光泵浦补充，反转粒子数和腔内光子数密度在这极 短的时间内达不到稳定状态，因而反转粒子数是随时间和空间变化的，放大过 程中所能抽取的能量取决于信号输入之前储存在放大器增益介质中的能量。设 激光放大器工作物质的长度为l ，光信号脉冲沿着x 方向入射激光工作物质， 如图2 1 所示。 l o 图2 1 激光放大过程示意图 由于光信号在行进过程中不断被放大，而反转粒子数不断被消耗，所以单位 体积中的粒子数和反转粒子数都是时| 1 日jf 和空间x 的函数，分别以咖伍和 1 7 伍表示。为了使问题简化，假设放大器工作物质的横截面中反转粒子数是 均匀分布的，且忽略谱线宽度和线型的影响，以及光泵浦和自发辐射对反转粒 子数的影响，则反转粒子数密度速率方程为【1 8 l 。 i a n = 一朋c 却 ( 2 1 ) 8 t 。 j 这里n 指的是反转粒子数密度，庐指的是腔内的光子数密度。在激光工作 四j i 大学硕士学位论文 物质中，光子数密度随着时间的变化率可以用一个偏微分方程表示为： 丝：c 册- c 丝 ( 2 2 ) a反 设欲放大的输入信号初始光子数密度为毋。在x = o 处进入工作物质：又设 信号进入放大器前，工作物质中的初始反转粒子数为n o ( x ) 。可以从上面两个微 分方程解出反转粒子数密度聆和光子数密度庐。对于任意形状的入射脉冲信号 和任意初始反转粒子数密度的行波放大问题，不但要考虑放大器的增益随输入 信号强度的变化关系，而且还要考虑入射信号的光强和波形在放大过程中所经 历的变化，所以比较复杂。为了讨论简便，首先假设输入放大器的是一种理想 的矩形脉冲，脉冲持续时间为岛，初始光子数密度。则求得的光子数密度解为： 掣= m c 训，e d 一俐吲 _ l 协s ， 注意这里假设在t = o 时，押在整个增益介质中是均匀分布的。光束通过整个激光 工作物质后能量增益为： 通过积分以上公式，得到： g = 肜( f ，触 站。3 、j ( 2 - 4 ) g = c 上t 妒o t p l n l + 【e x p ( c 厩r 。盯) 一1 】e x p ( 胛。，) ( 2 - 5 ) 通过改写这个公式，可以使其包含能够直接测量的激光参数。 单位面积内输入的激光能量可以表示为： e 。= c 蚶d i n , 1 6 ( 2 6 ) 四川大学硬士学位论文 饱和能量密度可以表示为： e ，一h v 鱼矽艚0 ( 2 7 ) 这里晶= h v n 指的是单位体积内储存的能量，g o = n 一指的是小信号增益系数。在 四能级系统中y = 1 ，放大器中单位体积内储存的总能量为： 瓯= g o e ， ( 2 - 8 ) 提取效率r t e 定义为，从放大器提取的能量与放大器中上能级在信号脉冲输入之 前的能量的比值，这样提取效率可以表示为： 巩2 1 e t 万- e m ( 2 9 ) 在这个表达式中e 。，既分别指的是放大器输出和输入信号能量。理论上，四 能级系统中所有储存的能量均可以被信号提取。结合公式( 2 5 2 8 ) ，可以得到： 良纠1 + e x p 白- 1 g 0 沼 上式给出了增益g 、输入脉冲能量密度和饱和能量密度之间的关系。 如果是双程放大系统，可以将两个放大过程分开单独考虑。以上对矩形脉 冲的推导得出的方程，可以适用于小信号增益放大过程，也适用于大信号增益 放大过程，在一些极限情况下，方程可以被简化。当输入信号e 0 很小的时候， 置，馒， j ，并且g 觚 j ，方程可以近似为g g o = e p ( g o o ，在这种情况下，小 信号增益是棒长的指数函数，不会产生饱和效应。当然，这种情况仅适用于输 出能量密度g 硒，。比e 小的情况下的棒长。对于高能量密度啪删的信号输 入，增益变为： ( 2 1 1 ) g) e k + 刽g 四川大学硕士学位论文 该式也可以经过适当地转换来计算激光的输出能量和提取效率，可以适用 于单级或多级放大器，也可以适用于计算单程或双程放大结构下输出能量和提 取效率之间的关系。 e 0 为放大器的输入信号能量，其输出能量e ，可以表示如下形式： 即讪畦h 卜d ) 能量提取效率 r 1 1 = ( 巨一玩) l g o 暇 ( 2 1 3 ) 要有效地提取激光放大器中的储存能量，放大器输入信号的能量密度必须 大于或至少等于放大器介质的饱和能量密度。因此，当输入信号能量密度较小 时，如果放大器采用双程放大结构就可以有效提高能量提取效率。 经过双程放大后，激光输出能量历可以用以下公式计算： e 2 = e 1 n e x p 白一卜。 协 在计算第二次放大时，这时的输入信号能量为第一次放大的输出能量e ，。因 为在第一次放大过程中，增益介质中的能量已经被提取一部分，所以第二次放 大时的增益系数降低为： g o = ( 1 一r 1 ) g o ( 2 - 1 5 ) 经过双程放大后，系统的提取效率为： 叩2 = ( e 2 一e o ) g o i e ( 2 - 1 6 ) 从后面章节可以看到。通过这个模型模拟计算出的输出能量参数和实验结 果能够很好地吻合。 2 2 激光放大器理论计算 激光放大器采用m o p a 结构，放大级为振荡级输出激光脉冲提供较大的增 益，采用双程放大器结构设计，与单程放大器相比可在同样输出要求下，大大 1 8 四川大学磺士学位论文 降低输入能量。对n d ：y a g 双棒放大器影响提取效率的几个因素进行模拟计算 和实验研究，采取相应措施进行优化设计，获得了大于6 3 的提取效率。 建立理论模型时假设反转粒子数密度在有效增益介质长度中是均匀的，放 大过程以输入信号到达之前能量就储存在激光上能级为基础。由于该文讨论的 二极管泵浦n d ：y a g 双棒激光放大器采用调q 窄脉冲输出，激光上能级的驰豫 时间远大于调o 脉冲与放大器相互作用时间；激光下能级寿命为1 1 s 量级，国 内尚缺乏n d ：y a g 晶体材料下能级寿命的准确参数，美国利弗莫尔实验室相关 人员报道其寿命为i n s 。基于上面的假设，激光放大器根据速率方程得到输入 输出能量的精简公式2 1 7 和2 1 8 ，可计算出放大器的输出能量。e 1 为输出能量 密度，e s 为饱和能量密度，e o 为输入能量密度，g o 为小信号增益系数，口为增 益介质吸收系数，为增益介质长度，加为光予能量，l 。为激光上能级粒子数 密度，。为激光下能级粒子数密度，址为脉冲时间f 、日j 隔，丁为激光下能级寿 命。提取效率，7 为从放大器提取的能量与激光上能级储存的能量之比。 e i = e s i n ”【e x p 尝) - 1 】e x p 【( 9 0 - 神 ( 2 1 7 ) g 。= 孚【l o n 2 。e x p ( 一a t t ) 】 ( 2 1 8 ) 丘。 从公式2 1 7 可看出，输入能量密度在一定范围内与输出能量密度是线性关系 的，当输入能量密度大于饱和能量密度以后，增益下降较为缓慢，但提取效率 仍在提高。 图2 2 激光放大器实验装置示意图 图2 2 为二极管泵浦n d ：y a g 双棒激光放大器的光路布局示意图。激光放 大器为振荡级输出激光脉冲提供较大的增益。每个放大级由两个二极管激光泵 1 9 四川大学硕士学位论文 浦模块，4 f 像传递系统和空间滤波器等光学元件组成。放大级的二极管激光泵 浦模块由8 1 个 b a r ”组成，为了获得均匀的激光增益分布，采用多边对称泵浦 结构。n d ：y a g 棒直径6 m m ，n d 掺杂浓度1 a t 。4 f 成像透镜将两个二极管 泵浦模块的主平面相互成像，一方面获得最小的衍射调制，另一方面满足热退 偏补偿光路的需要。对利用双棒结构补偿退偏和改善光束质量进行了细致的实 验研究，使双棒总的退偏率降低为8 左右，模拟计算时将退偏损耗引入到计 算中。 激光放大器输入能量在时间上采用脉冲分割；在增益介质截面上进行网格 细分。模拟计算输入参数：e 为5 9 0 n d c m 2 ；放大级的二极管激光泵浦模块储 能为3 7 0 m j ；增益介质吸收系数a 为o 0 0 7 c m ；4 f 成像系统和空间