高效率基模模式匹配侧面泵浦结构设计与试验研究

颜凡江 桑思晗 李梦龙 罗萍萍 冯文 邓永涛 李旭



高效率基模模式匹配侧面泵浦结构设计与试验研究

颜凡江 桑思晗 李梦龙 罗萍萍 冯文 邓永涛 李旭

（北京空间机电研究所，北京100094）

在星载传导冷却侧面泵浦棒状固体激光器中，由于激光晶体的侧面需考虑传导散热，不能被均匀泵浦，因此，存在基模模式匹配程度不佳、吸收效率不高的问题，从而影响了光束质量的提高。为了实现高光束质量激光输出，设计了基于光锥多次反射整形的三向泵浦结构，综合考虑基模高斯模式匹配程度与吸收效率，提出了泵浦质量（quality，以下同）因子概念，对不同泵浦结构参数下的泵浦质量进行了量化评价；进而对泵浦结构参数进行了优化，实现了增益介质内泵浦光切向分布的匀化、径向分布与基模高斯线型的匹配，以及增益介质对泵浦光的高效率吸收；通过试验测定了荧光分布，并与仿真结果进行了量化比对；在此基础上，搭建了激光器的试验样机，得到了光束质量较为优异的激光输出，证明了该泵浦结构对光束质量具有较好的改善作用。

传导冷却 固体激光器 半导体侧面泵浦 模式匹配 吸收效率 航天遥感

0 引言

自从1992年美国NASA火星观测激光高度计MOLA（Mars Observer Laser Altimeter）首次应用了半导体泵浦全固态激光器以来，多个国家相继开展了星载固体激光器的空间应用研究[1-3]。我国从2007年开始在相继发射的“嫦娥一号”、“嫦娥二号”、“资源三号”等卫星上也采用了全固态激光器的星载激光高度计[4-6]。这些空间任务中应用最为广泛的是侧面泵浦、传导冷却的脉冲固体激光器。其中，棒状增益介质的侧面泵浦传导冷却固体激光器能够以较为紧凑的结构实现较高的脉冲能量，从而满足卫星平台对于相应指标的严格要求。然而，在星载平台应用中，一方面，由于激光器不能采用液体制冷，棒状激光晶体的侧面就不能大面积均匀覆盖泵浦——需要留出足够的传导散热面积；而另一方面，远距离测距等应用通常又需要较高的光束质量（quality，全文同），平台的功耗限制通常要求其具有较高的能量转换效率。这对侧面泵浦的棒状固体激光器的设计提出了较大的挑战。对于该体制的激光器，光束质量和转换效率的设计难点主要有两个方面[7]：1）分立LD（Laser Diode）阵列多向泵浦使得沿晶体棒切向的吸收分布不均匀，同时由于缺少量化指标难以最大限度优化沿晶体棒径向的泵浦光与基模模式的匹配，最终使得整个截面内泵浦光与腔内模式难以形成良好的匹配，从而使输出光束质量难以提升；2）泵浦光沿晶体棒的径向传播，其有效吸收路径短、吸收效率不高，增加了系统功耗。为了解决上述问题，需要设计有效的泵浦系统，以获得较好的模式匹配和较高的吸收效率。

本文设计并实现了一种应用于传导冷却固体激光器的高效侧面泵浦系统。首先对侧面泵浦系统设计问题进行分解，考虑星载固体激光器的工作特点，对泵浦系统进行了初步构型设计。然后选取一系列结构参数，采用ZEMAX软件的光线追迹算法对泵浦光分布进行仿真，得到了相应的吸收效率和模式匹配评价指标。提出了一种兼顾这两种指标的泵浦质量评价因子，选取接近其最大值对应的结构参数作为优化结果。最后通过试验测定了增益介质内的荧光分布特性，并将其与仿真结果进行了定量比较，试验与仿真结果符合度较高，验证了设计仿真的正确性。

1 泵浦系统方案设计

侧面泵浦系统的设计主要需要考虑以下三个方面的要素：1）半导体激光器（LD）与增益介质的相对位置；2）泵浦光到增益介质的传输装置；3）高效吸收以及均匀度优化结构。

常用的LD放置方法有三向、四向、五向等[8-10]。一般来说，方向越多，增益介质截面内的泵浦光均匀度越好，但是会使系统更加复杂。泵浦光传输系统多采用光学元件或部件组成的整形系统，如透镜、波导[11-12]，抛物面聚光镜等[13]，通过在表面镀膜提高泵浦光传输效率。若需要进一步提高泵浦光均匀度和利用率，可以采用内部镀有介质反射膜或金属膜的泵浦腔[14-15]，或者引入特殊材料的散射结构[16]。对于液体制冷高功率棒状激光器来说，若能合理地采用上述方法，则可以实现较好的均匀泵浦，减小热效应，提高输出光束的光束质量。而对于传导冷却侧面泵浦棒状固体激光器，泵浦结构在考虑泵浦光整形的同时也要兼顾LD和激光晶体的控温与散热，即泵浦光整形系统既需要完成泵浦光的传导、整形，又要完成LD和激光晶体的散热控温，这使得星载侧面泵浦固体激光器难以采取传统方法。图1（a）所示的结构是根据实际需求，考虑上述问题后提出的初步构型设计。为了简化结构、增加系统可靠性，采用了三向泵浦。增益介质选用Nd:YAG晶体棒，直径5mm，长度100mm。掺杂原子百分比浓度1.0。晶体两端通过沉套进行传导散热。整形结构由主体材料为铝的三个完全相同的反射锥组成。该结构和LD（Laser Diode）阵列固定在腔体外壳上，从而实现对激光晶体及LD的热传导。LD阵列沿晶体棒长度方向顺序放置，发射的泵浦光进入反射锥之间的通道，经多次反射混合均匀后注入晶体棒。泵浦光沿棒切向的吸收分布应具有较高的均匀度，利于在整个截面内实现模式匹配。通道反射面之间存在一定的夹角，使泵浦光在快轴方向（发散角较大的方向）以适当的尺寸、角度和较高的功率密度进入增益介质；沿通道返回的未吸收光将被分散，避免LD的光学损伤。反射锥一端加工成直径为的圆弧（图1（b）），使未吸收的泵浦光能够再次通过晶体，提高吸收效率。整形结构的所有反光表面上蒸镀理化性质较为稳定的金膜，以提高反射效率。与传统光学系统相比，该整形设计不需要复杂的支撑结构，易于实现。

（a）整形结构

（a）Optical shaping structure

（b）圆弧面附近放大图

2 仿真验证与结构优化

为了验证并优化上述设计，采用光线追迹算法对泵浦光的传输情况进行仿真，分析结构参数和对泵浦分布和吸收效率的影响。由于LD阵列沿晶体轴向周期性排列，为了提高计算效率，仿真时只考虑单个截面内的三组阵列。每组阵列在快轴方向由5个巴条组成，设其发射光为高斯分布，发散角（半高全宽）为35°；偏振方向为沿慢轴向（发散角较小的方向），发散角（半高全宽）为10°。通道壁表面金膜的反射率取94%。在晶体内部，泵浦光的吸收遵循Lambert-Beer定律，发射功率不影响泵浦分布，计算中每个LD阵列的发射功率取250W。为了保证足够高的计算精度，每组LD阵列分配4×105条分析光线。Nd:YAG晶体棒吸收系数取3.5 cm–1[16]。

首先研究反射通道夹角对泵浦分布的影响。图2（a）为=10°，=6mm时，泵浦光到达晶体侧面时的泵浦光功率密度二维分布。由于通道的多次反射，泵浦光在快轴方向分布接近平顶（图2（b））。虽然慢轴方向的LD发光点之间有一定距离，但是光束在传播一段距离后发散并产生叠加，在中心区域呈近平顶分布（图2（c））。表1列出了取一组不同值时，对应反射通道的传输效率t（出反射通道的泵浦光功率密度与进入反射通道的泵浦光功率密度之比）和快轴方向均匀度（快轴光功率密度分布曲线的最小值与最大值之比）的大小。由于泵浦光在较小时经历更少的反射次数即可到达晶体表面，所以在=10°时，传输效率t最大；侧面均匀度相差不大，都超过了70%，在=15°时达到最大值。

图3是泵浦光进入晶体后，内部的光功率分布。仿真结果显示，在晶体棒的整个截面内，泵浦光沿径向基本呈中心高边缘低的分布，与设计相符。随着夹角增大，泵浦光对晶体棒的覆盖降低，中心强度减小，形状偏离设计目标。

（a）泵浦光功率密度二维分布

（a）Two-dimensional distribution of pump light power density

（b）快轴方向

（b）Along the fast axis direction

（c）慢轴方向

表1=6mm时结构传输效率和泵浦光快轴方向均匀度

Tab.1 φ=6mm,transmission efficiency and the uniformity of pump light in fast axis direction

为了定量描述泵浦光分布与基模模式的匹配程度，将泵浦光在晶体棒截面内的分布进行归一化后与基模高斯线型函数做最小二乘拟合，得到两者的MSSE（最小误差平方和）。考虑到晶体棒的尺寸限制，设定模式半径不大于2.5 mm。图4是=10°时归一化后的泵浦光分布与基模高斯线型函数的最小二乘拟合结果，即两种分布下激光晶体内部各点泵浦光相对强度（相对强度为激光晶体内各点泵浦光功率与最大泵浦光功率的比值）及其相互对比。对棒内部所有点的吸收功率求和，不考虑通道对泵浦光的损耗，可以得到吸收效率a。各项计算结果共同列于表2中。对比可以发现MSSE与a随通道夹角的变化规律一致，在夹角为10°时，MSSE最小。由于晶体边缘吸收泵浦光不为零，所以拟合得到的模式半径都为2.5 mm。对比表1数据，可以发现吸收效率相对角度的变化规律（表1）与传输效率相对角度的变化规律（表2）也是一致的，但是吸收效率的变化幅度更大，这说明通道夹角的大小不仅仅决定了可吸收功率。当较大时，到达晶体表面的泵浦光具有较大的入射角。根据菲涅尔公式，此时透射系数较小，进入晶体的泵浦光变少，导致吸收效率下降。

（a）=10°

（b）=15°

（c）=20°

（d）=25°

图3=6mm时晶体棒截面内吸收泵浦光功率分布

Fig.3=6mm, power distribution of absorbed pump light in cross section of crystal rod

采用相同的方法能够得到圆弧直径为5.5mm和6.5mm时的结果（见表3)。与表2对比可以发现，在相同时，虽然=6mm时吸收效率较高，但最小误差平方和较大。为了实现吸收效率和模式匹配的兼顾，提出一种综合评价指标泵浦质量因子，

式中a和g分别为关注传输效率和关注光束质量的权重因子；g为高斯线型符合率，定义为

式中 SSE代表=0时的误差平方和；g表征了不同结构参数下，泵浦光与高斯线型的相对符合程度，取值范围在（0，1）区间内。值的大小表征了泵浦质量的高低，值越接近1，泵浦质量越高。实际应用中，可以根据对激光光束质量与光光转换效率的指标分配情况，为吸收效率和高斯线型符合率分配适当的权重。本文中，根据指标分配情况，两个参数权重相同，都取0.5。据此，计算=6mm时，不同角度下的泵浦质量因子如表3所示。

（a）吸收泵浦光相对强度分布

（a）Relative intensity distribution of absorbed pump light

（b）拟合得到的高斯基模相对强度分布

（b）Relative intensity distribution of the fitting Gaussian fundamental mode

（c）两者比较（剖面上的黑色轮廓线表示水平和竖直方向的分布）

表2=6mm时得到的吸收效率和高斯拟合结果

Tab.2 φ=6mm,absorption efficiency and Gaussian fitting results

表3=6mm时，不同参数对应的泵浦质量因子

Tab.3 φ=6mm,the pump quality factors of different parameters

同理，计算晶体棒直径为5.5mm以及6.5mm时，不同角度下的拟合结构及质量因子，如表4所示。

表4=5.5mm，6.5mm时，不同参数对应的泵浦质量因子

Tab.4 φ=5.5mm and 6.5mm,the pump quality factors of different parameters

对比可以发现，采用较小的夹角能够实现较高的泵浦质量。最大值为0.836，对应的结构参数为=5.5mm，=10°，此时吸收效率为72%，高斯线型符合度达到了最高值95.19%。但在结构设计中，由于安装和加工因素限制，通道夹角须在10°以上。经过进一步筛选，该范围内的最高泵浦质量因子为0.812，因此选取=6mm，=15°作为最终结构参数，此时吸收效率为71.47%，与72%很接近，且普遍高于能够查到的具有明确数值的文献中的报道[17-18]，高斯线型符合率达到了90.88%。

3 试验验证与讨论

根据上述选取的结构参数，开展了泵浦光荧光分布特性测试试验。在腔内无激光振荡时，介质内部的增益分布由泵浦强度分布所决定。泵浦越强的区域增益越强，荧光发射也就越强。因此测量荧光分布是一种直观地验证泵浦光分布的方法。试验中使用的LD阵列和晶体棒的参数与仿真时相同，泵浦模块温度控制在21℃±0.5℃，泵浦电流为70A。系统安装时结构与相对竖直方向存在15°的夹角。通过一台4倍的成像系统，将晶体内部荧光分布成像到CCD焦面上，获取的荧光图像如图5所示。

图5 晶体棒内部荧光成像结果

Fig.5The fluorescence imaging results in crystal rod

将实际测试荧光分布与仿真结果同时归一化后，在水平及竖直两个方向进行定量比较（图6）。可以发现，在中心2mm直径范围内，仿真和试验数据在水平方向上比较接近，两者的最大偏差为8%；但竖直方向的强度中心偏离了几何中心，使得最大偏差达到了12%。经分析主要原因为结构加工以及安装环节产生的误差，以及各个LD阵列的发射谱不完全相同所致。在棒边缘附近，两者的最大偏差超过了20%，试验结果分布更平缓、均匀，产生这种结果的主要原因为晶体侧面打毛对泵浦光的散射作用导致，因此，结果较为合理，验证了泵浦光径向分布仿真结果的正确性。对两个方向上，两条曲线偏差进行平均，实测荧光分布的各点强度与仿真结果平均偏差小于10%，总体来看，偏差在可接受范围内，这一结果验证了仿真的合理性。

图6 实测荧光分布与仿真结果的量化比较

在此基础上，设计并搭建了虚共焦非稳谐振腔的试验验证激光器，对输出激光的光束质量进行了测试，在注入能量为1.8J时，输出激光能量为104mJ，脉冲宽度6.1ns，束腰直径4.0mm，发散角1.03mrad，光束质量因子2约为3.0。相对于目前在轨运行的主流固体激光器光束质量指标（2为8~10），有了大幅提升。发散角测试中，CCD焦面处光斑如图7所示。

图7 CCD焦面处光斑

4 结论

设计了一种适用于星载传导冷却固体激光器的泵浦系统，其整形结构能同时完成泵浦光的高效传输和匀化，在增益介质截面内形成中心高边缘低的泵浦强度二维分布。对不同结构参数下的泵浦分布进行了仿真，得到了传输效率、快轴方向均匀度、吸收效率、高斯拟合最小误差平方和、吸收效率等指标的计算结果。根据实际需要提出了一种兼顾模式匹配和吸收效率的泵浦质量评价参数——泵浦质量因子，以此来确定最佳的结构参数，实现了设计的优化。选取接近最高泵浦质量因子对应的结构，进行了晶体内荧光分布特性的测试，试验结果与仿真结果相符；同时搭建了谐振腔，得到了光束质量较为优异的激光输出，验证了泵浦结构对光束质量的改善作用。对于星载固体激光器的泵浦设计具有一定的指导意义。

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（编辑：夏淑密）

Design and Experimental Study of High Efficiency Fundamental-mode Matching Side Pump Structure

YAN Fanjiang SANG Sihan LI Menglong LUO Pingping FENG Wen DENG Yongtao LI Xu

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity，Beijing 100094, China）

In the space-borne conductive cooling side-pumped rod solid state laser, the side of crystal need thermal conduction, therefore, the problems resulted from this poor such as base mode matching and low absorption efficiency restrict the improvement of beam quality. In order to achieved high beam quality laser output, three-dimensional pump structure is designed based on multiple reflection light cone. Based on base Gaussian mode matching degree and absorption efficiency, a factor of pump quality is proposed, to optimize pump structure parameter achieved uniform distribution in tangential direction of pump light, good matching between pump light and fundamental-mode line style in radial direction, and high efficiency absorption in gain media. Fluorescence distribution is determined by experiment. The experiment result verify the design and simulation. On this basis, an experimental prototype of laser is built, and get an excellent beam quality of laser output, proving that the pump structure has improved the beam quality a lot.

conduction cooled; solid state laser; diode side pump; mode matching; absorption efficiency; space remote sensing

TN24

A

1009-8518(2017)02-0055-09

10.3969/j.issn.1009-8518.2017.02.008

2017-01-16

颜凡江，男，1983年生，2009年毕业于北京工业大学激光工程研究院，工程师。研究方向为星载全固态激光器技术。E-mail：yanfj508@163.com。