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依靠激光在板条内走“之”字光路来解决板条大面冷却带来的本征光学畸变问题的思路是1972年Martin和Chernock首先提出的[5]。传统的圆棒状激光增益介质在冷却过程中产生径向的温度梯度(图1(a)),由此带来热透镜、应力退偏等热效应,最终导致输出功率下降,光束质量降低。为了降低固体激光中热畸变的影响先后发展出了薄片激光(图1(b))和“之”字光路板条激光(图1(c))。后两者的基本思想是在激光提取过程中,激光传播方向的某一方向分量与温度梯度方向重合;这样,光束波前在一阶近似的条件下,不会受到温度梯度的影响。 在其后30余年,依靠对高亮度泵浦耦合、高效散热、以及端面形变等问题的逐步解决,板条激光首先突破了100 kW输出,并逐步成为高平均功率固体激光的代表性技术方案。现在其技术发展历程进行系统回顾是颇有教益的。
板条激光的发展早期,受制于闪光灯亮度的限制,主要采用双大面泵浦的方式来实现高功率泵浦(图2(a)),这带来如下几个问题:(1)受限于泵浦强度不足,常温下只能使用Nd:YAG作为增益介质;(2)为透过泵浦光,板条的两个冷却面只能依靠水冷,其冷却能力有限;(3)板条必须是高掺杂的,以实现对泵浦光的有效吸收,对Nd:YAG板条这可能带来较严重的浓度淬灭效应[6]。其后在1985年,Robbins提出使用两块掺杂浓度相对较低的板条来提升泵浦吸收效率的思路(图2(b))[7],这是后来达信公司的高平均功率ThinZag谐振腔式板条激光增益模块的雏形[8]。随后,Kuchar在1989年提出将板条的两个大面焊接在金属热沉上,通过传导冷却来提高板条散热能力的思想(图2(c))。显然,此结构下只能通过端面来耦合泵浦光[9],那么板条端面由于吸收泵浦光后产热会产生形变,这严重影响到输出激光的光束质量。端面形变的问题最终在2000年通过在板条两端各键合一段无掺杂的YAG晶体得以解决(图2(d))[10]。必须指出,相对于面泵浦,端泵浦对泵浦亮度的要求高得多;2000年以后,随着大功率LD的技术进步,高亮度泵浦源的问题也得以解决,这使得Grumann公司的研究人员在2005年利用主振荡器+放大器(MOPA)结构实现了12.5 kW激光输出,其放大链路包含4个放大模块,通过角度选通技术实现双通放大(图3),以平衡各模块间的激光通量,实现相近的能量提取。2007年,输出功率被进一步提升到15.3 kW,电光转换效率19.3%,采用自适应光学主动控制后光束质量达到1.58倍衍射极限,并最终在2009年通过7条MOPA链路的相干合成实现105 kW激光输出。
Figure 3. Grumann's 100 kW CW-end pumped cooling slab laser module and MOPA link. The un-grayed parts represent copies of the two amplified links. YDFA: Yb doped fiber amplifier; PM: phase modulator; AOM: acousto-optic modulator; PA: pre-amplifier
除面泵浦和端泵浦方案外,板条激光在其发展历史中还尝试过边缘泵浦方案[11],但泵浦光沿板条宽度方向的指数吸收导致的温度梯度带来难以解决的光学畸变。它导致的热透镜效应随着激光的放大光程的增加变得越来越严重,所以现代高平均功率板条激光基本不采用边缘泵浦方案。
Grumann公司的端泵浦板条采取了连续波(CW)LD巴条阵列的泵浦模式。众所周知,在热负载相同的情况下,准连续(QCW)泵浦的固体激光拥有高得多的小信号增益,进而可以对介质内的储能实现更高效的激光提取,但QCW巴条发散角比CW巴条大得多。因此,高平均功率板条采用QCW模式工作时,很难通过端面耦合将足够高平均功率的LD泵浦光耦合进板条。参考文献[12-13]采取了单面泵浦、另一面传导冷却的方式(图4)来平衡泵浦耦合和冷却需求;在泵浦匀化器和板条之间,进一步使用直接水冷的方式,以减小板条厚度方向的温度差异进而降低热应力。2014年,使用单个QCW泵浦的大尺寸陶瓷板条实现4.35 kW输出[14],光-光效率达到43.6%,泵浦脉宽200 μs,重复频率400 Hz;2015年,在QCW模式下实现8.2 kW输出[15]。在2016年的Photonics Asia会议上,报道了20 kW以上的QCW板条激光输出,这是目前所公开报道的单板条放大链路的最高输出功率。
对CW泵浦板条和QCW泵浦板条的优缺点进行比较(见表1),对于理解板条激光的技术特点是非常有帮助的。除了上述在泵浦耦合、热管理、以及小信号增益方面的差异外,QCW面泵浦板条无需在两端键合无掺杂的YAG,这降低了其材料成本。但面泵浦的Nd:YAG板条为了提高吸收效率同时避免浓度淬灭问题,其厚度不能太薄。那么受限于热应力,它主要依靠增加板条的横向尺寸来实现功率定标放大,这又进一步增加了板条与热沉间单面焊接的技术难度。但端泵浦板条在沿板条长度方向的储能是不均匀的,而其可承载的最高泵浦功率受限于键合面处的热应力。换句话说,端泵浦板条未能充分利用其储能能力,面泵浦方式对板条的储能能力则利用得更充分一些。最后需要指出,板条激光放大器中放大的自发辐射(ASE)是由板条尺寸和饱和增益、而不是小信号增益决定的。因此QCW泵浦板条中的ASE并不比CW严重,因为QCW放大器中激光的峰值功率很高,进而将饱和增益抑制在一个较低的水平。
Operating mode Advantage CW end pump LD bar has high average power, low quantity and low cost Low requirements on media size Thin slabs and high energy storage density No pulse drive power supply, the power supply is small Heat sink welding technology is less difficult QCW surface pump High small signal gain, high energy conversion efficiency No need to bond undoped YAG at both ends Uniform energy storage Thickness of the slab is relatively thick, and the diffraction loss between amplification stages is small Brightness can be improved by coaxial non-coherent timing synthesis technology [16] Table 1. Comparison of laser characteristics of CW end-pumped and QCW surface-pumped slab lasers
Status and development trend of high power slab laser technology
doi: 10.3788/IRLA20190456
- Received Date: 2019-12-05
- Rev Recd Date: 2020-02-20
- Available Online: 2020-07-23
- Publish Date: 2020-07-23
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Key words:
- slab lasers /
- high average power /
- diode pumping
Abstract: As a typical high-power solid-state laser, high average power zigzag slab lasers achieved great progress in past two decades. Which fields got many innovations, such as face-pumped slab amplifier, multi-segment bonded slab structure, high-brightness pumped Yb: YAG slab amplifier and so on. This paper reviewed the technology progress of the slab lasers, including its design principles, transmission power amplification rules and various improvement methods for optimizing performance.On the basis of the general discussion on the laser power calibration capability of the slats, the technical development trend of improving the output power and beam quality was analyzed and discussed. It was expected that there will be considerable development space for high average power slab laser technology in the future.