LD阵列半环形对称抽运的固体激光器

激 光 技 术LASERTECHNOLOGY

Vo.l31,No.1February,2007

文章编号:1001-3806(2007)01-0001-03

LD阵列半环形对称抽运的固体激光器

郭云霄,巩马理

1

1*

,薛海中,翟 刚,李 晨,闫 平,柳 强,陈 刚

231111

(1.清华大学精密仪器系光子与电子技术研究中心,北京100084;2.西安电子科技大学技术物理学院,西安710071;3.

西南技术物理研究所,成都610041)

摘要:为解决激光晶体传导冷却与输出光束能量分布对称性之间的矛盾,针对半导体激光器(LD)抽运高功率固体激光器,提出了半环形侧面对称抽运的方式。对多LD阵列同时抽运激光晶体的吸收与增益情况进行了计算,并在实验中予以验证,采用半环形对称抽运的方式,在20Hz的工作频率下,以总抽运单脉冲276mJ的能量获得最大63.6mJ的圆形对称脉冲激光输出,斜效率34%。实验结果表明,采用对称抽运结构能够有效地改善输出光束的空间分布,获得较为对称的激光输出。

关键词:激光器;侧面抽运;激光晶体;对称;半导体激光器中图分类号:TN248.1 文献标识码:A

Sem-icircumferentialLDarrayssymmetrically-pumpedsolid-statelasers

GUOYun-xiao,GONGMa-li,XUEHai-zhong,ZHAIGang,LIChen,YANPing,LIUQiang,CHENGang

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3

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(1.CenterforPhotonicsandElectronics,DepartmentofPrecisionInstruments,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China;2.SchoolofTechnicalPhysics,XidianUniversity,Xi.an710071,China;3.SouthwestInstituteofTechnicalPhysics,Chengdu610041,China)

Abstract:Toreducetheasymmetryoftheoutputlaserbeamcausedbythegeometryoftheconduct-cooledlasercrystalinsidepumpedsolid-statelasers,twopumpmodulesweresymmetricallyplacedandasem-icircumferentiallymountedLDarraysweretakenineachpumpmodule.Numericalcalculationandexperimentweremade,amaximumoutputpowerof63.6mJwasgottenwith276mJpumppoweratafrequencyof20Hz,theslopeefficiencywas34%.Bothnumericalandexperimentalresultsprovethesymmetricalgeometrycaneffectivelyimprovethebeamqualityandapproximatesymmetricallaserdistributioncanbeobtained.

Keywords:lasers;sidepump;lasercrysta;lsymmetrica;lLD

引 言

半导体抽运固体激光器(diodepumpedsolid-state

laser,DPSSL)使用半导体激光器(laserdiode,LD)作为抽运源抽运固体激光介质,以其效率高、寿命长、光束质量好、可靠性强等一系列优势,被普遍应用于机械加工、医疗、航空等各个领域,自上世纪90年代开始得到

[1,2]

了迅速的发展。

在DPSSL系统中,为稳定工作温度,需对LD及激光晶体进行温度控制,通常采用的冷却方式有水冷和传导冷却两种。对于高功率DPSSL普遍采用的侧面抽运方式,水冷模式会降低系统的移动性,而传导冷却则因抽运系统几何上的不对称而导致输出激光的不对称,降低了激光输出的光束质量。为解决这一矛盾,作者采用LD阵列半环形对称抽运的结构制作激光器,

作者简介:郭云霄(1980-),男,博士研究生,现主要从事半导体抽运固体激光器的研究。

*通讯联系人。E-mai:lgongm@ltsinghua.edu.cn

收稿日期:2005-12-16;收到修改稿日期:2006-01-09在20Hz的工作频率下,以总抽运单脉冲276mJ的能

量获得最大63.6mJ的圆形对称脉冲激光输出,斜效率34%,同时证明采用对称抽运结构能够有效地改善输出光束的空间分布,获得较为对称的激光输出。

1 抽运结构

目前,DPSSL中通常采用的抽运方式有端面抽运和侧面抽运两种

[1,3]

,在端面抽运模式中,抽运光与激

光谐振腔的模式可以获得良好的匹配,激光介质对抽运光的吸收充分,能够较容易地获得阈值低、斜效率高的激光输出,且装置简单。而在高功率固体激光器中,需要采用大功率的半导体激光阵列作为抽运源,由于阵列的发光面较大,不利于端面抽运的形式,因此,在高功率的DPSSL中普遍采用侧面抽运的方式抽运固体激光介质。

LD发射抽运光的中心波长会随工作温度的升高而加长,当抽运光波长发生偏移后,激光器的抽运效率会急剧降低,与此同时LD的效率也会降低,阈值将会升高[5,6]

[2~4]

;温度的升高也会在激光介质内产生热应力2 激 光 技 术2007年2月

及热透镜效应,影响激光输出的光束质量和转换效[7,8]率。因此,要使DPSSL正常工作,必须对LD和激光介质进行冷却,将LD和激光晶体的工作温度稳定在一定范围内。

侧面抽运固体激光器一般采用水冷或是传导冷却

[1,2]

的方式对激光晶体进行散热。采用水冷系统对激光晶体和LD进行冷却,能够从结构上保证激光介质所吸收抽运光能量分布的对称性,但由于使用液体作为冷却媒质,体积一般都比较庞大,不便于移动,实际使用中的移动性受到比较大的限制;传导冷却的方式一般使用金属作为热沉,用半导体制冷器作为冷却装置,省却了庞大的水冷却系统,实现了激光器的便携性,但由于热沉的存在使得在该结构中激光介质所吸收抽运光的能量分布不是圆形对称,影响了激光输出的模式,输出激光很难获得圆形的能量分布。为解决侧面抽运激光器移动性与激光输出对称分布的矛盾,采用了LD阵列半圆型对称抽运双激光介质棒的抽运结构。其结构如图1所示。

Fig.2 Structureoftheexperimentalsystem

1)heatsinkoftheLD;2)LDarray;3)NdBYAGcrysta;l4)pumplaser;5)heatsinkofthelasercrysta;l6)TEC;7)radiatingfin;8)cavitylens

热沉上呈半圆形排列,LD阵列发光区域的长度为10mm,抽运光从LD阵列出发到达NdBYAG晶体时对应抽运区域为晶体长度方向上25mm~35mm的位置。为进一步扩展能量并考虑到散热问题,分别将晶体热沉和LD热沉的底面做成60mm@60mm,用于安置半导体制冷装置和散热片,散热片外部还安装了风扇用于强迫对流换热,风扇未在图2中画出。

模块1和模块2的构成元素相同,只是两模块在空间的摆放上呈对称分布。模块1和模块2中的激光晶体吸收抽运光后产生的激光辐射在由激光腔镜8组成的谐振腔内混合成为一体,最终形成空间分布对称性好的激光输出。

2 数值计算

在进行实验之前,采用光线追迹的方法对晶体吸收抽运光的情况进行了数值计算。针对单个模块的情况,计算抽运光从上半个圆周进入晶体时,晶体内吸收抽运光能量的分布情况如图3所示。其中图3a是晶

Fig.1 Schemaofsem-icircumferentialLDarrayssymmetrica-lpumpedsolid-statelaser

a)twodimensionschemaofthesection b)threedimensionsche-maofthepumpsystem

图1a为抽运系统的截面示意图,激光介质的热沉包围了激光介质一半的体积,抽运光仅从激光介质上部的半圆形表面进入介质内部并被其吸收。与普通抽运方式中通常采用的传导冷却方式所不同的是,在激光器结构中,将两个抽运单元串联,并使LD阵列对称排列,结构图如图1b所示。两个模块所产生的不对称光斑在空间上产生交叠,互相补充,从而使激光输出的空间分布近似成圆形分布,获得较高的光束质量。

实验中采用了1.0%掺杂的NdBYAG晶体作为激光介质,外形尺寸为ß5mm@60mm,为了抑制晶体内放大的自发辐射(amplifiedspontaneousemission,ASE)效应的产生,将晶体的表面进行了打毛处理。抽运源采用了单条峰值功率60W的LD阵列半环形封装,LD阵列发光面到晶体表面的距离为6.5mm,每个半环封装15条LD阵列,共使用30条LD阵列对两条激光晶体进行抽运。

图2是实验所使用结构的示意图。LD阵列在LDFig.3 Distributionoftheabsorbedenergysolvedbytheray-tracingprogram

a)distributioninthesection b)distributionalonethediameter

第31卷 第1期郭云霄 LD阵列半环形对称抽运的固体激光器 3

体吸收的抽运光能量沿激光晶体长度方向叠加后得到的能量密度分布图,图3b是沿采样直径的能量分布曲线。从图3可以看出,能量的吸收主要集中在晶体的中心部位,最大值产生在晶体的中心,但吸收的分布呈现出明显的不对称,晶体上部吸收抽运光的能量要显然高于下半部吸收的能量。

分别计算两个模块中晶体吸收抽运光的分布情况,并将两个模块中抽运光的吸收情况进行空间上的叠加后可以得到图4的结果。可以看出,由于抽运结

3 实验结果

实验中采用了上面叙述的抽运结构,LD阵列和激光晶体均使用半导体制冷器进行温度控制,将工作温度控制在20e,以保证激光晶体对LD输出抽运光的高效吸收。所用LD在驱动电流55A时单条峰值功率40W,脉宽230Ls,总的抽运单脉冲能量为276mJ,获得最大63.6mJ的脉冲激光输出,激光输出的频率为20Hz。输出单脉冲能量和抽运电流之间的关系如图5所示,激光器阈值电流28A,斜效率34%。

Fig.5 Outputpulseenergyversuspumpcurrent

对输出光斑的形状进行了测量,图6中给出了激光器输出激光的近场光斑形状,图6a是单个模块工作时的光斑形状,图6b是两模块对称抽运时的光斑形状;与之类似,图7中给出了激光器输出激光的远场光斑形状,图7a是单个模块工作时的光斑形状,图7b是两模块对称抽运时的光斑形状。

从图6和图7可以看出,单一模块工作时,激光器输出光斑的形状基本为半圆形,且中心位置的光强略

Fig.4 Combineddensityoftwocrystalsabsorbedenergya)distributioninthesection b)distributionalonethediameter

有所下降;当两模块对称抽运时,激光器输出的光斑形

状为圆形,且由于对称叠加使得中心光强比单模块工作有明显增强,且呈现出中心强边缘弱的分布。

构的对称设置,已经消除了由于半圆形抽运带来的不对称性,此时晶体对抽运光的吸收分布基本上呈现出圆形高斯分布的形状,这样的分布非常有利于抽运光与激光输出的模式匹配,容易获得低的阈值与高的斜效率。

在不考虑激光腔内损耗的情况下,激光器所输出的激光在晶体中所获得的增益与晶体吸收抽运光的能量密度基本成正比。所产生的激光在通过模块1后,将获得与图3a上抽运光能量吸收密度分布近似的增益;当激光再通过模块2后,由于模块1与模块2的对称放置,将最终获得与图4a上抽运光能量吸收密度分布近似的增益,其分布基本呈中心对称状态。即所产生的激光在腔体内经过一次单程传输,所获得的增益将等于在模块1和模块2中增益的叠加,其分布基本呈中心对称状态,消除了由于单个模块的不对称抽运而引入的激光增益的不对称。Fig.7 Far-fieldfigureofthelaseroutput

a)workingwithonepumpmodule b)workingwithtwopumpmodules

Fig.6 Near-fieldfigureofthelaseroutput

a)workingwithonepumpmodule b)workingwithtwopumpmodules

(下转第88页)

88 激 光 技 术

tion,2005,18(3):63~66(inChinese).

2007年2月

如参考图像不变,输入同样大小的字母/F0和/V0,相

关结果见图2。

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5 结 论

提出了一种新型的旋转及尺度不变的圆谐梅林滤波器,该滤波器是通过利用圆谐展开函数的旋转不变性和梅林变换的尺度不变性综合而出,圆谐梅林变换对于不同的p,q值,就可以构造出一类相关滤波器,并

且它们是旋转和尺度不变的。计算机模拟实验证明,该滤波器能很好地提取有尺度、旋转畸变物体的角点和边缘,其中角点尤为明显;而且该滤波器对孤立角点的输出峰值明显低于由两条边相交所成角点处的相关峰值,可以用角点处的相关峰值判断边的结构。

参

考

文

献

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(上接第3页)

实验中LD工作在20Hz,采用半环形对称抽运的结构后,单个模块中晶体与热沉大面积接触获得了良好的制冷效果,激光器工作稳定,从而避免了水冷系统的使用。同时从计算和实验的结果可以看出,激光在腔体内单程传播所得到的增益是两个模块中增益的叠加,单个模块的抽运不对称性因为两个模块的对称放置而得到了补偿,从而获得了圆形对称的激光输出。

获得高对称性低阶激光输出与解决侧面抽运固体激光器移动性的有效途径。

参

考

文

献

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4 结 论

对LD抽运固体激光器的半环形对称侧面抽运结构进行了分析与计算,并进行了相关的实验研究。计算结果与实验结果说明,对称抽运的结构能够有效地

改善激光器输出光斑的能量分布,获得较为对称的激光输出,同时又能对激光晶体实施有效的传导冷却,免除了复杂的水冷系统。实验中获得了最大63.6mJ的脉冲激光输出,斜效率34%,光光转换效率达到23.0%。可以预期,通过能量的拓展等手段,在进一步的实验中,将能获得更高的单脉冲输出和效率。采用半环形对称侧面抽运的结构制作固体激光器,也将是