侧面泵浦板条激光器

在为固体激光器提供能量的泵浦源方面，固体激光器发展的早期普遍采用技术较为成熟的闪光灯来泵浦。然而灯泵激光器自身存在效率低、热效应严重、体积庞大等问题，进入八十年代以来发展缓慢，逐渐被以半导体激光二极管(Laser Diode, LD)为泵浦源的固体激光器所取代。随着半导体量子阱结构、LD堆栈等几项重要技术突破的产生，以及半导体材料生长技术的日趋成熟，LD的各项性能不断提升，同时成本不断降低，推动了二极管泵浦固体激光器，尤其是二极管泵浦板条激光器的飞速发展，具有高功率、高亮度等优异性能的激光器不断涌现，在工业、医疗、军事、科研等领域均获得了广泛的应用，发挥着重要的作用。

在侧面泵浦结构中,泵浦光从垂直于冷却表面和激光传播平面的另一个平面注入,增加了泵浦光的吸收长度,提高了利用率。此外这种泵浦方式可采用水冷热沉的冷却方式,实现泵浦面和冷却面分离,简化激光头的设计。同时由于冷却液体不直接接触增益介质,不会造成对板条的污染,整个系统的机械稳定性也有所提高。2001年,斯坦福大学报导了LD侧面泵浦的Yb:YAG和Nd:YAG板条激光器。掺杂浓度一%,尺寸l.45x4.57x35.7mm3的Nd:认。板条激光器,30Ow泵浦功率获得127w多模输出;掺杂浓度2%,尺寸0.91X4.57x35.7~3的Yb:YAG板条激光器,3巧W泵浦功率获得46W输出。但是在半导体泵浦的板条结构中,常常采用光纤祸合输出的激光进行泵浦,这样受LD祸合进光纤的效率的限制,会降低系统的整体效率。

板条激光器

板条激光器是目前功率水平最高的固体激光器，其外形呈板条状，工作时激光沿着介质长度方向行进。当前世界上仅有的两例功率突破百千瓦的固体激光系统均采用了板条结构，此外还有大量功率在数十千瓦的相关报道。

侧面泵浦结构

侧面泵浦结构利用板条的上下两个大面进行泵浦，板条的厚度方向为泵浦光的吸收方向。激光增益介质的泵浦面与激光通光面不共面，泵浦光方向与激光方向不平行，通常是垂直的关系。

2000年日本大阪大学的Kato等人报道的侧面泵浦八通板条激光器的示意图。振荡器输出的种子脉冲重复频率为 1kHz, 光束质量为 M2=1.1，单脉冲能量为 0.5mJ。放大级增益介质 Nd:YAG 的端面切了多个斜角以实现之字形路，两个 LD 阵列由晶体侧面泵浦，单程的小信号增益为 3.03。放大级通过外围巧妙的光路设计使种子脉冲八次通过放大器，实现了能量的充分提取。该激光系统获得了平均功率为 68W 的脉冲输出，储能提取效率达到 61%。

2002 年，美国 TRW 实验室研制出 2.4 倍衍射极限的 5.4kW 输出的二极管泵浦 Nd:YAG 板条激光器:DP-25。该激光器由 5 个之字形板条增益模块组成，采用 POPA 结构(Power Oscillator Power Amplifier，功率振荡器+功率放大器)。谐振腔含有 2 个增益模块，使用简单的非稳腔进行模式控制。该非稳腔的放大率为 1.7，长度为 70cm。每个增益模块的尺寸为 5×37×150mm，采用表面水冷、 侧面泵浦的结构。泵浦源为水冷的 LD 模块，每个模块包括 15 个 LD 阵列，每个阵列有 16 个 bar 条。这些准连续的 bar 条以最大占空比 20%驱动激光器。DP-25激光器共采用了 150 个 LD 阵列，总峰值功率为 120kW，平均功率为 24kW。振荡器输出光束的像散通过一个放在谐振腔外的长焦距柱面镜校正，然后进入第一级放大，接着依次穿过余下的两个放大器。在重复频率 400Hz，脉冲宽度 0.5ms的泵浦脉冲下，DP-25 激光器的输出功率为 5.4kW，单脉冲能量为 13.5J，光束质量为 2.4 倍衍射极限。采用望远镜结构矫正像散，使得激光光束在输出时保持对称，约 8mm×8mm 见方。

2003 年，英国帝国理工学院的 Minassian 等人报道了一种新型的掠入射结构板条激光器。掠入射激光器作为一种特殊的侧面泵浦激光器，利用增益介质的强吸收特性将大部分泵浦能量集中在泵浦面附近一个很小的区域内，实现了泵浦光束和激光光束较好的模式匹配，从而易于获得基模激光输出。该板条激光器使用强吸收晶体 Nd:YVO4，获得了 26.1W 的多模输出，光光效率大于 68%，并在 39.5W 泵浦功率下获得了 23.1W 的基模输出，光光效率约为 58%，两方向的光束质量分别为 1.3 和 1.1。利用掠入射结构高增益的特点，产生高重频或低重频脉冲的研究也取得了不错的进展。

侧面泵浦板条激光器

早期的板条激光器均由闪光灯进行泵浦，一般采用大面泵浦、大面冷却的结构。1990 年，在 ICA-LEO 上报道闪光灯泵浦的板条激光器连续最高输出功率为 1.2kW，光束质量为 3 倍衍射极限。 2005 年，美国达信公司(Textron)凭借其独特的 ThinZag 技术实现了单模块15kW，近衍射极限的高能激光输出。ThinZag 模块可以视为是侧面泵浦板条激光器的改进版，板条介质固定于两石英窗口之间，冷却液在窗口内流动，形成传导冷却格局。泵浦光垂直入射板条大表面，信号光则通过特殊光楔导入，在石英窗体之间沿 ZigZag 光路前进。2010 年，该公司报道了采用 3 组 15kW 模块实现单口径输出 30kW，3.3 倍衍射极限的高能激光，同年，通过 6 组模块级联实现了超过 100kW 输出。

固体激光器具有结构紧凑、体积小巧、电力驱动、无污染、成本低廉、续发能力强等诸多优势，在工业加工、国防军事和科学研究等领域有着广泛的应用需求。随着半导体技术的突飞猛进，激光二极管泵浦固体激光器(DPSSL)逐步成熟，涌现出光纤激光器、薄片激光器、板条激光器等一大批新颖结构，功率及光束质量水平屡创新高。然而，受制于热效应和非线性效应，单口径输出固体激光器的亮度水平始终有其上限。单增益模块的高光束质量固体激光器功率水平普遍在数千瓦量级,即使采用了主振荡-功放 (MOPA)结构和光束净化等辅助技术，单口径近衍射极限输出的固体激光链路平均功率也只能达到数十千瓦量级。

相干合成是实现激光器亮度扩展的有效途径。该技术通过相位锁定，使多单元激光链路的输出产生稳定的干涉效果，提高了目标处激光能量集中度，在实现功率扩展的同时保证了系统的光束质量。光纤激光器结构紧凑、易于维护且光束质量优越，因此目前国内外公开报道的相干合成技术大多针对光纤激光器进行研究。而块状固体激光器在大能量、高峰值功率和窄线宽等应用领域有其独特的优势和巨大的潜力，其中板条激光器能够凭借特殊的光路设计降低热效应影响，是当前高能固体激光技术的发展热点之一。

在国际上得到迅猛发展的大功率激光二极管列阵泵浦的固体激光器, DPL迅速走向市场, 器件的物理性能优势扩展为技术应用优势, 在军事、工业、医和科学研究的应用上崭露锋芒。高平均功率1000wDPL器件已试用于汽车工业加工; 25 Mw的DPL绿光器件实现了机载空一海通讯; 5 Mw的高重复频率DPL器件成功地用于飞机和航天器测距, 使大地测绘技术发生革命性飞跃。

海湾战争后, DPL被西方国家列为战术激光武器的发展重点。瓦量级L D 泵浦的掺T m-, Ho-，和Er-中红外激光器, 以其高稳定度和高光束质量的特点, 正用于眼科手术实验; 瓦量级的单横模DPL器件已用于精细机械加工和集成电路修复; 输出mJ量级的单纵模调心和锁模DPL器件被认为是最理想的注入种籽光源。可以预言, 随着激光二极管列阵(LDA ) 和DPL的发展, 激光产业将跃上一个新台阶。

DPL的早期研究多采用端面泵浦方式, 这是由于0.1mm尺度的LD可作为点光源处理,通过适当光学藕合能与固体激光器达到良好的模式匹配, 因此激光闽值低, 输出效率高。随着大功率激光二极管列阵的发展, 1 c m 尺度的一维、二维LDA端面泵浦碰到两个难题: 一是面光源纵向光学祸合系统变得更加困难复杂, 对光学和机械精度要求越来越高; 二是端面泵浦光的高功率密度使局部固体激光介质产生热透镜和热致双折射效应。

侧面泵浦模式复盖度差, 激光闽值高, 效率低, 但是光学藕合简单, 结构紧凑, 热效应小且均匀, 适合大功率线阵和面阵的LD泵浦, 可获得高功率激光输出。近年来, 利用固体激光多次反射折叠腔以增加占空比, 或利用窄缝泵浦内侧全反射方式以增加吸收, 均获得较好的侧面泵浦效果。

熔锥侧面泵浦耦合是将多根裸光纤和去掉外包层的双包层光纤缠绕在一起, 在高温火焰中加热使之熔化, 同时在光纤两端拉伸光纤, 使光纤熔融区成为锥形过渡段, 能够将泵浦光由多模光纤由双包层光纤侧面导入内包层, 从而实现定向侧面泵浦耦合。

国内外用于通讯方面光纤无源器件-光纤定向耦合器主要用于光分路或者合路连接器,采用较为成熟的熔锥法生产, 工艺较简单, 制作周期短, 适于实现微机控制的半自动化生产。但是, 这种用于通讯的单模光纤定向耦合器是将一路或一路以上输入光信号按一定比例要求分配到两路或多路输出的光信号中去。其原理决定其只能进行对输入信号光功率分配, 因此, 输出的信号光功率必定小于输入最大信号的光功率, 因而无法用于实现光功率的扩展。在双包层光纤侧面泵浦耦合技术中, 在锥形区耦合段需要将多模泵浦光纤的包层去除露出纤芯, 同时双包层的外包层也要去除露出内包层, 并且要使之能够融合在一起, 因此, 其生产工艺较为复杂, 虽然已有相关专利可供查询参考, 但是最为重要的关键过程未见报道。DIGIOVANNI 等介绍了一种双包层熔锥侧面耦合器的生产工艺, 从中也可以看出, 其生产过程与目前的单模光纤耦合器有很大不同。国外已有一些能够生产多模光纤侧面耦合器, 例如美国的OFS , 他们已将此项术用于高功率的光纤激光器以及Raman 光纤放大器等领域.

该技术先将双包层光纤外包层去除一小段, 然后在裸露的内包层刻蚀出一个V 槽, 槽的一个斜面用作反射面, 也可将两个面都用于反射。泵浦光由半导体激光器经微透镜耦合, 使泵浦光在V 槽的侧面汇聚,经过侧面反射后改变方向进入双包层光纤内包层,从而沿着光纤的轴向传输。

为了提高耦合效率,V 槽侧面的面型要求能够对泵浦光全反, 此外, 还需在泵浦光入射的内包层一侧增加一层衬底, 衬底材料的折射率应该与光纤内包层折射率相近, 并且可以加镀增透膜。利用该侧面泵浦耦合技术的光线激光放大器可以得到数瓦的激光输出。GOLDBERG 等报道的耦合效率为76 %。

该侧面泵浦耦合方式原理简单, 但工艺加工要求却很高, 因为V 槽的侧面要作为反射面, 要对其进行抛光等相应处理。加工的时候还要避免对于纤芯的破坏, 因此, 要确保槽的精细结构。此外, 由于利用了微透镜准直, LD 泵浦源、微透镜以及双包层光纤的相对位置对于耦合效率的影响较大。

嵌入反射镜式泵浦耦合方式是在V 槽侧面泵浦耦合方式上的改进,首先将双包层光纤的外包层去除一小部分, 然后在内包层上刻蚀出一个小槽, 槽的深度足够放入用来反射泵浦光的嵌入微反射镜, 但是距纤芯还有一定距离, 以保证不破坏纤芯。嵌入的微反射镜的反射面可以是平面或是根据优化设计的曲面, 为了得到高的耦合效率, 其反射面事先镀上了高反率的膜层, 入射面镀了对泵浦光的增透膜。该技术中采用了光学胶用以将嵌入微反镜的出射面和光纤内包层粘接固定, 同时光学胶还作为折射率匹配介质用来降低界面的反射损耗。LD 泵浦源应当与嵌入微反镜足够近, 以保证具有较大发散角的泵浦光能够全部照射到微反镜的反射面上。

嵌入反射镜式泵浦耦合避免了V 槽侧面泵浦耦合要求利用侧面作为反光面的方式, 因此, 对于槽的加工要求大大降低, 但是仍要保证槽深不能破坏纤芯。KOPLOW 等利用此方式获得了5 .2W(波长1064nm)和2 .6W(波长1550nm)的光纤激光输出。

实验获得的嵌入反射镜式泵浦耦合效率受x , y , z 3 个方向偏移失调量影响的曲线图。实验中采用了SDL-6380-A 多模半导体激光器作为泵浦源,其发光面为1μm ×100μm 长条形, 两个方向发散角分别为28°和12°, 所用的双包层光纤内包层为135μm ×135μm 正方形, 数值孔径约0 .45 。

其基本原理是在双包层光纤去一小段, 剥去涂敷层和外包层, 将内包层沿纵向进行磨抛, 得到小段用以泵浦耦合光的平面(对于内包层形状为矩形、D型、六角形等双包层光纤, 内包层已有窄平面, 如果平面宽度足够, 可以不必磨抛双包层光纤)。然后将端面按一定角度磨抛好的泵浦光纤的纤芯相对该平面紧密贴合并固定好两纤的相对位置。泵浦光即可由泵浦光纤侧面耦合进入双包层光纤的内包层.

实际上, 由于泵浦光纤按一定角度磨抛好的端面并不能完全和双包层光纤内包层紧贴, 因此, 还需要利用光学胶将其空隙填充。一方面光学胶能够将泵浦光纤端面和内包层侧面固定好, 另一方面又作为折射率匹配介质将泵浦光有效导入内包层中。由于采用了光学胶, 因此, 不必对内包层纵向进行磨抛而得到平面, 直接利用光学胶也可将泵浦光由内包层的弯曲侧面导入。通常该侧面泵浦耦合技术要求泵浦光纤端面的磨抛角A 较小(约10°), 对于光纤端面磨抛工艺提出了很高的要求。

利用该侧面泵浦耦合方式获得了高达90 %的耦合效率, 但是获得的光纤激光输出功率还未见有高于1W 的报道。可能是由于在高泵浦功率下, 光学胶难以承受其功率密度而导致挥发或分解所致。这里泵浦光纤的芯径100μm, 数值孔径0 .22 , 双包层光纤的芯径350μm , 数值孔径0 .37 。与光纤角度磨抛侧面泵浦耦合技术相类似的是微棱镜来进行侧面耦合, 但是微棱镜宽度不能大于内包层的直径, 因此, 给微棱镜的加工带来了技术上的困难。