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超大型二极管泵浦固体激光器时代正在来临
材料来源:激光世界           录入时间:2010-11-30 9:59:10

Joerg NeukumDILAS销售市场总监;

Thomas ToepferLastronics and Hellma Materials总经理

Joachim Hein,德国耶拿大学;Mathias Siebold,德累斯顿罗森多夫研究中心

以中等重复频率输出高能量、超短脉冲的二极管泵浦固体激光器正获得越来越多的研究关注(见表),其应用范围从产生阿秒脉冲的泵浦激光器,到x射线和粒子物理。在这些研究领域中,对于极强电磁场来说,超短高能激光脉冲是一种无与伦比的光源,为研究相对论物理和量子物理效应打开了大门。激光加速粒子的应用也具有广泛前景。预期用于未来的惯性约束核聚变研究装置的巨型DPSS激光器,必须提供卓越的光束质量和稳定性,以及高电光转换效率和较少的维护要求。只有通过精心设计的元件以及具有超高可靠性和耐用性的子系统,才能满足上述复合型要求。

表:高能量二极管泵浦固体激光器系统*

 

项目名称

MERCURY

GENBU

LUCIA

POLARIS/FZD-PW

地点

美国

日本

法国

德国

应用

IFE/Ti:Sa

IFE

OPCPA

CPA

增益介质

Yb3+:S-FAP

Yb3+:YAG

Yb3+:YAG

掺Yb3+玻璃和Yb3+:CaF2

脉宽(ns)

14

9

10

2[展宽后]

脉冲能量(J)

55[100]

0.22[1000]

7.0[100]

12[150]

重复频率(Hz)

10

100

10

0.05~10

中心波长(nm)

1050

1030

1030

1030

泵浦波长(nm)

899

940

940

940和980

*目前高能量半导体泵浦固体激光器系统的概括,涉及它们的状态和设计参数(方括号内表示还未实现),包括用于惯性聚变能量(IFE)、直接啁啾脉冲放大器(CPA)和泵浦钛宝石激光器或光泵浦CPA(OPCPA)系统。

随着高功率半导体激光器技术的最新发展,人们已经能够在可接受的成本下获得新一代高能量半导体泵浦激光器。半导体封装、泵浦光传输、光束均匀化与驱动电路,都将在满足可靠性要求方面起到重要作用。

为了充分发挥大型二极管泵浦固体激光器(DPSS)的潜力,需要能够更好地将半导体泵浦系统经剪裁后的发射波长与掺杂离子的吸收波长匹配起来的新型激光材料。此外,该激光材料必须同时具有长的荧光寿命、高的发射和吸收截面。高质量抛光及镀膜的大口径元件的制备将需要适当的生产设备。

 

新型掺镱激光材料

大型固体激光器的脉冲能量和平均功率主要受到激光器的效率和热管理能力的限制;因此,半导体泵浦要优于闪光灯泵浦。高峰值功率固体激光器的许多理念基于镱(Yb3+)掺杂的基质材料,与掺钕(Nd3+)材料相比,掺Yb3+材料具有更长的上能级寿命(1到2ms)、更小的量子亏损和相近的发射波长。此外,Yb3+离子的吸收带在915~980nm的波长范围间,使用激光二极管作为泵浦源,总的电光转换效率高达70%。

到目前为止,Yb:YAG一直是最重要和开发得最好的材料。最近,掺镱碱土氟化物,如氟化钙(Yb3+:CaF2)、氟化锶(Yb3+:SrF2)、氟化钡(,Yb3+:BaF2)已经在半导体泵浦飞秒激光器和放大器方面引起了业界的极大兴趣。这些晶态材料已被证明在热导率方面可与氧化物晶体和玻璃相竞争。由于可以制备大的单晶和陶瓷材料,使得这些材料适用于高能量和高功率激光运行。另外,Yb3+:CaF2对 940nm和980nm两个波长泵浦都适用,而不需要泵浦二极管的先进波长稳定技术(见图1)。

 

图1:掺Yb3+的CaF2 晶体在可见光区域高度透明[(a);颜色由减反膜引起]。它在近红外区域的吸收带相对较宽,使半导体激光器泵浦源得以简化(b)。

掺Yb3+增益介质的光谱特性导致吸收和发射的高饱和通量。Yb3+的准三能级系统需要5kW/cm2左右的最小泵浦强度,以漂白室温下激光波长处的再吸收。这推动了对高亮度激光二极管和兼具低的泵浦亮度损耗、合理的成本和高可靠性的先进光束组合系统的需求。

 

用于泵浦的高功率半导体激光器巴条

一些现有的方案表明,半导体激光器模块的成本在系统成本中占据了很大部分。根据集成度的不同,其所占比例可能会超过50%。

成本方面的考虑从密切关注每瓦成本开始。一种具有前景的减少成本的方法是增加每个半导体激光器元件的功率。这种元件通常有一个10mm宽的半导体边缘发射芯片,由几十个并列的平行发射器组成,放置在一个单光学活性层中。所有发射器被同时驱动,在高工作电流和典型压降小于2V的条件下产生所需的功率。

随着半导体激光器安装技术的最新发展,以及前端面镀膜技术的改进,高功率半导体激光器巴巴条可以获得更高的峰值光功率和更长的寿命。通过使芯片和热沉的热膨胀系数相匹配,夹层式硬焊料半导体激光器巴巴条装配方式已成为可能,再加上通过陶瓷-铜基片的背面传导冷却,每个巴巴条的峰值功率可以达到300W,甚至更高(见图2)。单个巴巴条的峰值功率有望在不久的将来达到500W。

设备的传导冷却优于使用直接水冷式热沉,因为水冷需要使用许多O型密封圈,这会存在潜在的漏水风险。此外在维护方面,传导冷却激光二极管模块更容易更换。

为了满足亮度要求,必须使用微光学透镜。预先校准过的快轴准直(FAC)透镜阵列将进一步降低劳动力成本。政府资助和工业界的努力,正在促使单个巴巴条的峰值功率向更高的水平发展(潜在的峰值功率高达1kW),只是由于高驱动电流仍然限制了产品的实用化。芯片效率以及前端面耐久性的改善将有助于实现这些目标。

带有多个激活层的垂直堆叠(纳米栈)的二极管设计可以降低驱动电流,减少对电触点的限制。但受到热的限制,脉宽只能达到约200μs,这对理想的激光材料而言太短。准直的效果达不到单激活层设计的水平,这将降低半导体激光器的亮度,并限制作为激光器泵浦源的应用。

泵浦引擎

高功率半导体激光器巴条可堆栈成模块(如八个巴条组成的堆栈),并且可以在一个平面几何区域内互相紧贴着放置。在亮度方面,考虑到FAC透镜的空间限制和热传导的需求,每两个巴条之间的最小间距需为1.5~2.0mm。驱动电流从背面提供,工作层同时起到电接触和机械接触的作用。目前已能够提供占空比为1%(脉冲宽度1ms,重复频率10Hz)、波长为940nm或980nm的2.4kW和3.2kW的模块。

 

 

图2:准连续波半导体激光器模块的电光特性[(a)八个巴条组成的940nm激光器,脉宽1ms,重复频率10Hz]。类似的模块为法国大型LUCIA激光器提供了半导体激光器堆栈组件(b)。

为了集中多个堆栈组成的泵浦模块的发射激光(例如用于泵浦Yb3+激光器时,激光二极管堆栈在截面内的功率密度需达到2kW/cm2),需要聚焦光学系统和光束均匀化。通过光束合束可以提高半导体堆栈发射面的亮度。此外,还可采用空间和偏振复用技术将亮度提高至少2~4倍。此时需要在额外的成本和所带来的性能提升之间进行权衡。

研究人员已经开发出了此类集成半导体激光器模块,占空比高达3%,峰值功率大于18kW,并且输出为二次超平顶、低波纹光束,适合作为激光器泵浦源。另外还可以满足更小的模块、定制的光束尺寸以及从微秒到毫秒范围的脉宽等需求。几个半导体模块和驱动电路、制冷、监控和互锁系统的组合,被称作泵浦引擎;这样的泵浦引擎易于集成到用户的装置内。在未来的大口径系统中,模块的尺寸应当进行优化,以达到紧凑又便于操作的目的。

即将出现的大型半导体泵浦固体激光器

两项具有挑战性的大型欧洲激光项目——高功率激光能源研究(HiPER)和超强激光基础设施(ELI)正处在筹备阶段。无论结构如何,重复频率范围为10Hz~1kHz的半导体泵浦千焦级激光器将用于以下几个方面:强激光的一次光源,直接激光驱动热密等离子体,或产生加速粒子。

Yb3+:CaF2 晶体已被确认为是能实现二极管有效泵浦的一种非常具有发展前景的激活激光材料。峰值功率超过300W的准连续半导体巴条可用作泵浦源。然而,要使这些激光二极管芯片真正成为可靠耐用的光泵浦源,必须对热沉和封装进行仔细设计,安全运行也必不可少。要达到所需的高亮度,还需要将半导体激光器、光束整形和合束器、驱动电路、互锁系统、监测系统和泵浦光均匀化系统紧密地封装在一起。


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