15+kW激光二极管抽运NdYAG薄片激光器
第34卷第1期
2007年1月
中 国 激 光
CHINESE JOURNAL OF LASERS
V01．34，No．1
January，2007
文章编号：0258—7025(2007)01—0037—04
1．5 kW激光二极管抽运Nd：YAG薄片激光器
姚震宇，蒋建锋，涂 波，周唐建，裴正平，雷 军，吕文强，武德勇
(中国工程物理研究院应用电子学研究所，四川绵阳621900)
摘要报道了一台输出功率超过1．5 kW的激光二极管抽运Nd：YAG双薄片激光器。设计了四通光学耦合系统，通
过优化经微柱透镜准直后光束的发散角，实现了抽运光的近平顶分布。薄片激光介质镀完介质膜后镀Ti，Pt，Au
实现金属化，再采用铟焊工艺焊接在铜微通道冷却器上，以提高散热效率和冷却的均匀性。采用两片直径40 mm，
厚度1．3 mm的Nd：YAG薄片激光介质，在两个二极管激光器阵列抽运下，当每个薄片上的抽运峰值功率为
17．7 kW，占空比10％时，获得了平均功率1．52 kW的准连续激光输出，光一光转换效率达到43％，电一光转换效率超
过20％。
关键词 激光技术；激光二极管抽运；薄片激光器；近平顶分布
中图分类号 TN 248．1 文献标识码A
1．5 kW Laser Diode—Pumped Nd：YAG Disk Laser
YAO Zhen—yu，JIANG Jian-feng，TU Bo，ZHOU Tang-jian，
PEI Zheng—ping，LEI Jun，LU Wen-qiang，WU De—yong
(Institute ofApplied Electronics，ChinaAcademy ofEngineering Physics，Mianyang，Sichuan 621900，China)
Abstract A laser diode(LD)一pumped Nd：YAG double-disk laser with an average output power of more than
1．5 kW is reported in this paper．A nearly flat top pump profile is achieved with a good design for the four-pass
optical coupling system．The disk is coated with Ti，Pt and Au at the back side of the disk which is high—reflectively
(HR)coated for the wavelength of the pump and laser radiation，then iS welded tO the Cu—micro—channel cooler by
indium—welding technology．An average output power of I．52 kW is obtained from tWO disks with a diameter of
40 mm and a thickness of 1．3 mm．The pumping peak power on each disk is 17．7 kW with duty cycle of 10％．The
optieal efficiency of the laser system iS about 43％and the electrical tO optical efficiency iS more than 20％．
Key words laser technique；laser diode—pumped；disk laser；nearly flat top pump profile
1 引 言
激光二极管抽运固体激光器，特别是高平均功
率固体激光器在工业、科研和军事等领域具有非常
广泛的应用口~8]。由于光学抽运在固体激光介质里
产生的废热会引起介质温度升高，因此激光器在连
续运转时就要进行实时冷却。固体激光介质的热导
率通常较低，因此在激光介质内部和冷却表面之间
将产生显著的温度梯度，从而导致折射率梯度、机械
应力和退偏等效应，进而降低光束质量，减小输出功
率，甚至造成介质的断裂。这些效应是固体激光器
向高平均功率定标的最大挑战，采用薄片激光介质
是解决这一问题的有效手段之一。当抽运区尺寸远
大于薄片厚度时，只要抽运光束是近平顶分布的，就
可以认为热流近似为沿厚度方向的一维分布，从而
大大降低介质的热透镜效应和热致应力双折射，因
此薄片激光器可以定标放大到很高的平均功
率㈨“。
均匀抽运和均匀冷却是减小激光介质热效应最
为关键的技术。通过调节二极管激光器经微柱透镜
后光斑的发散角并合理设计柱透镜参数实现了较均
匀的抽运。薄片激光介质前表面镀抽运光和激光的
收稿日期：2006—05—12；收到修改稿日期：2006-07—14
基金项目：国家863计划(2004AA821160)资助项目。
作者简介：姚震宇(1965一)，男，江苏宜兴人，副研究员，博士，主要从事高功率激光二极管抽运固体激光器技术研究。
E-mail：yaozhenyu88@yahoo．corn．an
中 国 激 光
增透膜，后表面镀两种光的反射膜，再在后表面镀
Ti，Pt，Au实现金属化，最后采用铟焊工艺将薄片焊
接在铜微通道冷却器上，以提高散热冷却效率和冷
却的均匀性。采用两个激光二极管阵列抽运两块直
径40 mm，厚度1．3 mlTl的Nd"YAG薄片，当每个薄
片上的峰值抽运功率为17．7 kW，占空比为10％
时，获得了平均功率1．52 kW的激光输出，光一光转
换效率达到43％。
2 四通耦合系统的设计
由于薄片激光介质只有在抽运光均匀分布的条
件下，热流才可以认为是沿厚度方向的一维分布，才
能基本消除热透镜效应和热致应力双折射，因此实现
抽运光近平顶分布是薄片激光器最为关键的技术。
抽运源由4列二极管激光器单元组成，每个单元
中激光二极管线阵沿快轴方向一维堆叠。抽运源总
的发光区面积为93．5 mm×47．5 mm。每个激光二
极管线阵先经微柱透镜准直，再用快慢轴柱透镜进
行会聚。采用一个球面反射镜对薄片未吸收完的光
再次反射，使抽运光四次通过激光介质，以提高薄片
对抽运光的吸收效率。合理设计快慢轴柱透镜的焦
距、球面反射镜的曲率半径以及它们与薄片的相对
距离，使薄片上经球面镜反射回来的光斑与原光斑
大小基本一致。由于薄片激光器可以通过保持抽运
功率密度不变的情况下，增大抽运区面积来实现定
标放大，因此为了充分利用薄片的大小，抽运光在薄
片处的光斑设计为42 mm×42 mm，稍大于薄片直
径，使薄片全孔径抽运。二极管激光器快轴方向经
微柱透镜准直后光轴的一致性对光斑的均匀性有比
较大的影响。在激光二极管封装过程中实际能达到
7000 i一?????一??????????一?--1
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图1抽运区光斑分布的数值模拟
Fig．1 Calculated intensity profile of pump laser
图2 Nd：YAG薄片的荧光分布
Fig．2 Measured fluorescence profile of Nd：YAG disk
的一致性情况下，采用光线追迹法对不同的光束发
散角进行了模拟计算，确定了较合理的发散角参数。
在发散角约为5。时，抽运光为近平顶分布，如图1所
示。图2是用CCD记录的Nd：YAG薄片上的荧光
分布。由荧光分布可以看出，薄片上抽运光的分布比
较均匀。
3 薄片热应力的模拟计算
采用ANSYS程序对Nd：YAG薄片在热加载
情况下的应力分布进行了模拟计算。计算中假设冷
却是均匀的，薄片介质的热功率通过铜冷却器表面
强迫对流带走，其余面为自然辐射。薄片直径
40 mm，厚度1．3 mm。热加载区尺寸分为两种情况，
一种是对薄片的内接正方形区域进行抽运，尺寸为
28 mm×28 mm；另一种情况是对薄片的全部孔径
进行抽运。加载热功率密度都为42 W／cm2，抽运光
斑假定为超高斯分布。计算结果如图3和图4所
示。可以看出，全孔径抽运比部分孔径抽运的热应
力有明显的改善。因此全孔径抽运不仅可以增加抽
运区面积从而提高输出功率，而且可以减小热效应。
图3部分孔径抽运应力分布
Fig．3 Stress distribution by partially pump of aperture
∞
∞
∞
∞
∞
∞
o
∞
如
∞
如
加
加
1期 姚震宇等：1．5 kW激光二极管抽运Nd：YAG薄片激光器 39
图4全孔径抽运应力分布
Fig．4 Stress distribution by all pump of aperture
4薄片激光器实验
每个二极管激光器阵列在薄片上的最大抽运峰
值功率为17．7 kW，电一光转换效率约为50％。谐振
腔采用平凹稳定腔，腔长70 cm，全反镜曲率半径
5 m，单薄片激光器输出镜透过率7．5％，双薄片激
光器输出镜透过率15％。在激光二极管占空比为
10％时，单薄片激光器输出平均功率达到800 W，
光一光转换效率达到45％；双薄片激光器输出平均
功率达到1．52 kW，光一光转换效率达到43％。图5
40 60 80 100 120
Drive current／A
图5单薄片激光器输出功率与驱动电流的关系曲线
Fig．5 Average output power versus pumping driver
current for single disk laser
40 60 80 100 120
Drive current／A
图6双薄片激光器输出功率与驱动电流的关系曲线
Fig．6 Average output power versus pumping driver
current for double-disk laser
和图6分别是占空比为2．5％，5％和10％情况下单
薄片和双激光器输出平均功率与激光二极管驱动电
流关系曲线。占空比为2．5％时，激光脉宽为
250／*s，重复频率为100 Hz；占空比为5％时，激光
脉宽为250弘s，重复频率为200 Hz；占空比为10％
时，激光脉宽为250肛s，重复频率为400 Hz。图7和
图8分别是不同占空比下单薄片和双激光器光一光
转换效率与二极管驱动电流的关系曲线。
0．50
O．45
i 0．40
{置0 35
圣0．30
。0．25
0 20
40 60 80 100 120
Drive current／A
图7单薄片激光器光一光转换效率与驱动电流的
关系曲线
Fig．7 Optical efficiency versus pumping driver
current for single disk laser
0 45
0．40
譬0 35
鲞o 30
=O 25
．；0 20
0．15
O 10
40 60 80 100 120
Drive current／A
图8双薄片激光器光一光转换效率与驱动电流的
关系曲线
Fig．8 Optical effciency versus pumping driver current
for dOUb】e_disk 1aser
激光器光一光转换效率在高占空比下比低占空
比下稍低的主要原因是薄片介质在高占空比下存在
一定的热效应。双薄片激光器比单薄片激光器效率
稍低的主要原因除了热效应外，输出镜透过率的选
择和模体积的匹配对其都有一定的影响。
5 结论
设计了四通耦合光学系统，实现了抽运光的近
平顶分布；采用金属化和铟焊工艺大幅度提高了薄
∞∞∞∞∞∞∞∞0
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40 中 国 激 光 34卷
片激光介质的散热冷却效率，并且提高了冷却的均
匀性。在单薄片激光实验中，最大输出平均功率达
。
到800 W，光一光转换效率约为45％；在两个薄片的
串接定标放大实验中，获得1．52 kW的平均输出功 4
率，光一光转换效率达到43％，电一光转换效率超过
20％。在下一步工作中将通过增大薄片尺寸和增加 。
薄片数量来实现定标放大，并且将采用非稳腔来提
高光束质量。 o
致谢本研究工作得到了杨成龙研究员、张凯研究
员的指导、支持和帮助，在此深表感谢。
参 考 文 献
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1.5 kW激光二极管抽运Nd:YAG薄片激光器
作者： 姚震宇， 蒋建锋， 涂波， 周唐建， 裴正平， 雷军， 吕文强， 武德勇， YAO Zhen-yu
， JIANG Jian-feng， TU Bo， ZHOU Tang-jian， PEI Zheng-ping， LEI Jun， L(U)
Wen-qiang， WU De-yong
作者单位： 中国工程物理研究院应用电子学研究所,四川,绵阳,621900
刊名： 中国激光
英文刊名： CHINESE JOURNAL OF LASERS
年，卷(期)： 2007，34(1)
引用次数： 8次
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15+kW激光二极管抽运NdYAG薄片激光器.pdf
