基于零聲子線泵浦的高效率Yb∶YAG 薄片激光器

高瑜博，徐思志，陳業旺，劉敏秋，歐陽德欽，吳旭，陳俊展，，趙俊清，郭春雨，劉星，呂啟濤，阮雙琛

（1 深圳技術大學 中德智能制造學院 先進光學精密制造技術廣東普通高校重點實驗室，深圳 518118）（2 深圳大學 物理與光電工程學院 深圳市激光工程重點實驗室，深圳 518060）（3 大族激光科技產業集團股份有限公司，深圳 518103）

0 引言

近年來，高功率激光器發展迅速，在焊接、切割和熔覆等工業應用領域的需求不斷增長［1-5］。傳統棒狀激光器在高功率運轉過程中，存在嚴重的熱透鏡和熱畸變等效應，極大地限制了激光器輸出功率的提升，同時降低了激光的光束質量［6］。面對這一問題，人們對增益介質的結構進行不斷改進和優化，發展出諸如光纖［7］、板條［8］以及薄片［9］等增益介質結構。光纖激光器通過增大增益介質表面積和體積的比值將光纖內的熱積累進行有效擴散，并且具有很高的單程增益，通過光纖結構的波導效應可以獲得高光束質量的激光。然而，光纖激光器在高功率下仍面臨自相位調制和受激拉曼散射等非線性效應帶來的挑戰。板條激光器采用側向面泵浦結構，其溫度梯度發生在板條晶體厚度方向上，光傳播方向近似與溫度梯度方向平行，可有效減緩晶體熱效應。然而其他方向的熱畸變仍然存在，并且激光輸出發散角較大，技術也較為復雜［10，11］。薄片激光器（Thin Disk Lasers， TDLs）是將增益介質做成極薄的圓盤狀晶體結構（直徑約10～25 mm，厚度約100～300 μm）［12，13］，這種獨特的幾何結構顯著提高了晶體的散熱效率，使其在工作過程中僅存在一維的軸向熱梯度，降低了晶體的熱透鏡、熱畸變等效應，可以有效提升輸出激光的光束質量。薄片激光器因具有功率可擴展、冷卻效率高、波前畸變小等優點，成為下一代高功率、高能量、高峰值功率激光器的理想方案之一［12］。

薄片晶體軸向尺寸小，泵浦光單次通過厚度小于300 μm 的薄片時吸收率低，影響激光器的光-光轉化效率。增加泵浦光通過晶體的次數來提高薄片晶體的吸收效率［14］，是提高激光器轉化效率的一種有效手段。1994 年，德國斯圖加特GIESEN A 教授等［9］首次提出薄片激光器概念，展示了薄片晶體在高功率、高轉化效率和高光束質量激光器極大的應用潛力。隨后，該課題組報道了8 沖程泵浦結構的薄片激光器，平均功率為13.5 W，光-光轉化效率達到50%［12］。近年來，研究人員把泵浦次數從8 次增加到了44 次，轉化效率提升至63%［15-17］。2015 年，SCHUHMANN K 等設計出了多種泵浦結構，最多可實現108 次泵浦［14］。2021 年，德國通快公司采用72 沖程泵浦結構，從單個薄片獲得了12 kW 的平均功率和73%的光-光轉化效率［18］。

另一方面，Yb∶YAG 晶體表現出的優異特性如寬泵浦帶寬、長熒光壽命、高質量生長和高熱導率等特點，使其成為目前最成熟的薄片晶體材料。Yb∶YAG 晶體在波長940 nm 處及969 nm 處具有較強的吸收峰，在940 nm 波長附近進行寬帶泵浦吸收，量子損耗為8.7%。在969 nm 波長附近泵浦，可以將量子損耗進一步降低至5.9%，熱負荷將降低30%以上。然而，在969 nm 處吸收線寬僅約1 nm，這對半導體泵浦激光器有極高的要求。隨著體布拉格光柵（Volume Bragg Grating， VBG）在半導體激光器的應用，采用波長鎖定的969 nm 零聲子線泵浦成為有效解決方案［19］。2021 年，D+G 公司報道了采用969 nm“零聲子線”（Zero Phonon Line，ZPL）泵浦的高功率薄片激光器，實現了2.8 kW 的連續激光輸出，光-光轉化效率高達80%［20］。

國內薄片激光器的相關研究起步較晚，但發展迅速。2011 年，中國工程物理研究院王春華研究員等采用16 沖程940 nm 泵浦，獲得了27 W 的連續薄片激光輸出，光-光轉化效率為38.8%［21］。華中科技大學朱曉教授課題組［22］提出了共軛雙拋物面鏡的多通泵浦結構，并開展了大量研究。2016 年，該課題組基于48 沖程940 nm 泵浦方案，實現了654 W 的高功率激光輸出和47.2%的光-光轉化效率［23］。2022 年，中國科學院大連化學物理所李剛研究員課題組報道了基于72 沖程969 nm 泵浦系統的連續薄片激光器，最終輸出243.2 W 的連續激光，光-光轉化效率達到了54%［24］。

目前國內薄片激光器核心器件仍然發展不足，尤其是薄片晶體和泵浦系統。因此，研制高性能的薄片晶體和泵浦模塊，對于實現高功率、高能量和高光束質量的激光輸出意義重大。本文采用體布拉格光柵鎖波長的969 nm 泵浦源和自主設計的48 沖程系統對Yb∶YAG 薄片晶體進行研究，實現了最高輸出功率373 W，光-光轉化效率可達73.37%，2 h 功率抖動均方根（Root Meam Square，RMS）測試結果低于0.2%。本文研究為后續開展千瓦級超快和萬瓦級連續薄片激光器研究奠定了基礎。

1 Yb∶YAG 薄片晶體及多沖程泵浦模塊

Yb∶YAG 晶體表現出的優異特性使其成為高功率激光活性材料的理想選擇［25］。Yb∶YAG 具有簡單的能級結構，僅由間距約10 000 cm-1的基態能級2F7/2和受激多重態2F5/2兩個能級組成。在強晶場作用下，抽運和激光躍遷發生在Stark 分裂的子能級之間，如圖1（a）。其中，激發態能級2F5/2中的10 327 cm-1能級的熒光壽命很長，約0.91 ms，能夠較好地儲存能量，而2F7/2基態能級中的612 cm-1能量較大，主要的1 030 nm 激光輻射發生在這兩個子能級之間。圖1（b）為Yb∶YAG 的吸收和發射光譜圖，Yb∶YAG 晶體有兩個主要的吸收峰：在940 nm 附近吸收最強，在969 nm 附近吸收帶寬較窄。但與940 nm 泵浦相比，采用969 nm 泵浦可降低量子損耗，進而減小晶體的熱透鏡和熱畸變效應，提高輸出激光光束質量［19，26］。Yb∶YAG 在969 nm 較窄的吸收線寬（約1 nm），要求半導體泵浦激光器的發射線寬匹配且穩定。隨著體布拉格光柵在半導體激光器中的應用，采用波長鎖定的969 nm 零聲子線泵浦［27，28］成為實現高功率、高效率薄片激光器的有效方法。

圖 1 Yb∶YAG 能級結構及吸收、發射光譜Fig.1 Energy level structure and spectrum of Yb∶YAG

自主設計的48 沖程泵浦系統及薄片晶體如圖2。晶體前端面鍍有抗反射膜層，后端面鍍有高反射膜層。為了提高薄片晶體的散熱效率，將其鍵合至金剛石襯底上。金剛石是薄片晶體的理想襯底［29］，其熱導率達2 200～2 600 W/（m·K），是已知自然界中熱導率最高的物質。其優良的鍵合效果可以實現較好的熱接觸和低熱阻，同時具有高機械強度。通過射流沖擊技術高效冷卻金剛石熱沉，冷卻水通過空間分布的孔槽以一定水壓直接沖擊金剛石襯底，以對流換熱的方式帶走表面上的熱量。水壓與流速可控，溫度恒定。該冷卻裝置具有結構緊湊、傳熱系數高、散熱區域均勻等優點。由于薄片晶體接近一維分布的熱梯度、金剛石極高的熱導率以及高效的射流沖擊散熱，高功率泵浦過程中薄片晶體產生的廢熱可以得到有效緩解，有利于提升輸出激光的穩定性、光束質量等，最終實現更高功率、更高轉化效率的薄片激光輸出。

圖2 自研多沖程泵浦系統和薄片晶體Fig.2 Self developed multiple-pass pumping system and the crystal

48 沖程泵浦系統的內部結構及泵浦光線分布如圖3（a）～（c），該系統主要由泵浦源、拋物面鏡和兩對折返棱鏡組成。薄片晶體位于拋物面鏡的焦平面上。準直的泵浦光束入射至拋物面鏡的位置1，經反射聚焦到晶體上，未被吸收的泵浦光經晶體反射到達拋物面鏡的位置2 再次準直，經過折返棱鏡到達拋物面鏡的位置3 再次聚焦到晶體上。利用折返棱鏡和拋物面鏡的其他區域，泵浦光可以在薄片晶體上實現12 次反射，即往返通過薄片晶體24 次，最后通過一個平面反射鏡將泵浦光路徑反向，最終實現48 沖程吸收。該泵浦系統可以將單次未被完全吸收的泵浦光經過由拋物面鏡及折返棱鏡組成的光學系統多次入射到晶體上，增加泵浦光通過薄片晶體的沖程數，從而提高晶體的吸收效率，顯著提升激光器的輸出性能。此外，泵浦光在薄片晶體上的重疊程度，決定了泵浦光斑的平均功率密度，進而影響激光器的整體輸出功率和效率。圖3（d）為系統在高功率工作狀態下薄片晶體上的光斑分布?？梢姳闷止庠诰w上疊加24 次后充分重合，且均勻性良好，證明該泵浦系統具有良好的調節精密性和機械穩定性。

圖3 泵浦模塊原理及薄片晶體上的泵浦光斑Fig.3 Schematic of the pump module and the pump light spot on the crystal

當晶體厚度、Yb3+摻雜濃度以及晶體前后表面反射率確定時，高沖程系統可以有效提高薄片晶體對泵浦光的吸收效率。沖程次數過高會增加系統的加工難度，而過低則難以實現薄片晶體對泵浦光的高效吸收?；诶什葼柖?，晶體的吸收效率η與泵浦沖程次數N的關系［30-31］可表示為

式中，光學元件對泵浦光的反射率R=99.95%@969 nm@0°～30°，A=e-αL/cosθ， Yb∶YAG 薄片晶體的吸收系數α為0.42/mm，薄片晶體的厚度L=150 μm，泵浦光對薄片晶體的入射角θ=30°，沖程次數N=48。通過式（1）計算可得泵浦沖程次數、不同單程吸收率和薄片晶體吸收效率的關系，如圖4?？梢?，受離子摻雜濃度影響的吸收系數α以及沖程次數N對薄片晶體的吸收效率影響較大。隨著泵浦光通過晶體次數的增加，晶體吸收效率隨之增大，沖程次數增加到一定程度時，晶體吸收效率趨于飽和。晶體總吸收率隨著晶體單程吸收率的增大而增大，在低沖程下影響較為顯著，當沖程次數達到48 次時，晶體吸收效率基本穩定。該泵浦系統平衡了加工難度、晶體熱效應和吸收效率的關系，實現了晶體對泵浦光的高效吸收，可長時間穩定工作。

圖4 薄片晶體吸收效率與泵浦沖程次數的關系Fig.4 Absorption efficiency of thin-disk crystal versus number of pump passes

2 實驗結果與討論

薄片激光器結構如圖5，激光器由48 沖程泵浦模塊和透過率為2%，曲率半徑R為2 000 mm 的輸出耦合鏡組成，腔長為0.75 m，構成平-凹腔，實現穩定激光輸出。增益介質為Yb∶YAG 圓盤狀薄片晶體，直徑為8.8 mm，鍵合于金剛石熱沉，水冷溫度保持在20 ℃。晶體前端面鍍有969 nm、1 030 nm 抗反射膜層（R＜0.1%@0°～30°），后端面鍍有高反射膜層（R＞99.9%@0°～30°）。泵浦源采用半導體激光二極管（Laser Diode， LD），其輸出特性如圖6（a）、（b），最高輸出功率為520 W，中心波長為968.9 nm，且帶寬小于1 nm，滿足Yb∶YAG 零聲子線泵浦的窄線寬要求。泵浦光經過勻化光纖整形為平頂光斑，通過準直鏡和拋物面反射鏡以30°入射角重新成像在薄片晶體上，在晶體上的光斑直徑為2.3 mm，較大的泵浦光尺寸可以提高系統的散熱效率，有效防止功率密度過高損傷薄片晶體，有利于高功率激光器的長時間穩定運作。

圖5 基于48 沖程泵浦系統的Yb∶YAG 薄片激光器結構Fig.5 Schematic of the Yb∶YAG thin disk laser based on the 48-passes pumping system

圖6 泵浦源輸出特性Fig.6 Output characteristics of the pump source

激光器的光-光轉化效率ηopt主要受晶體吸收效率ηabs、諧振腔效率ηcavity、量子轉換效率ηst以及閾值效率ηth的影響［20，32］，可表示為

式中，ηth=1-pth/ppump，pth為閾值泵浦功率，ppump為泵浦功率。高沖程泵浦系統的設計對諧振腔效率和晶體吸收效率有明顯提升。Yb∶YAG 薄片晶體中的廢熱是影響轉化效率的一個重要因素，而廢熱的主要來源是量子虧損。選用969 nm 最佳泵浦波長將提升量子轉化效率，減少晶體中的廢熱，同時降低閾值泵浦功率，提升閾值效率，在這些因素的綜合影響下，可以得到較高的光-光轉化效率。

通過式（2）計算比較了969 nm 與940 nm 兩種不同泵浦波長對Yb∶YAG 薄片激光器轉換效率的影響，結果表明采用969 nm 零聲子線泵浦，光-光轉化效率會有顯著提升。光-光轉化效率曲線如圖7（a），低泵浦功率限制了基態粒子的吸收能力，這阻礙了激發態粒子的積累，激光器表現為較低的光-光轉化效率。隨著泵浦功率增加，腔內微弱的自發輻射場增長為足夠強的受激輻射場，吸收和發射過程變得更為顯著，光-光轉化效率迅速提高。當泵浦功率持續增加至300 W，受增益飽和影響，效率曲線趨于穩定。當泵浦功率接近480 W 時，由于晶體的泵浦漂白效應，轉化效率出現小幅下降，但依然維持在70%以上。實驗中獲得了最高373 W 的輸出功率，最大光-光轉化效率為73.37%，經線性擬合后斜效率為78.97%。圖7（b）為激光器的輸出光譜，可見光譜呈現多個峰值且強度不同，這是由于連續波激光器中含多種模式，這些模式具有不同的頻率和振幅，每個模式都會在輸出光譜中產生一個峰值。不同模式之間存在競爭，會導致一些模式的增益增加，而其他模式的增益減小，從而引起不同峰值的強度差異。圖7（c）為該激光器在最高功率下的光束質量an> 因子和近場光斑形貌，實際的激光輸出含有高階模態，=4.96，=5.06，輸出光斑的均勻性良好。圖7（d）為該激光器高功率運轉120 min 穩定性測試曲線，結果表明該激光器在 337.6 W 附近穩定工作，功率抖動均方根小于0.2%，因此，該激光器在高功率運轉過程中散熱性能良好，具有較高的穩定性。

圖7 Yb∶YAG 連續薄片激光器輸出性能Fig.7 Output performance of the Yb∶YAG thin-disk laser

3 結論

本文設計并搭建了一臺Yb∶YAG 連續薄片激光器，采用VBG 鎖波長的969 nm 泵浦光經過自制的48 沖程系統對Yb∶YAG 薄片晶體進行了系統研究，冷卻系統采用射流直接沖擊金剛石熱沉，實現了最高輸出功率373 W，光-光轉化效率可達73.37%，2 h 功率抖動均方根測試結果低于0.2%。研究結果表明，該薄片激光器系統具有高效的熱管理能力，優異性能，可為后續開展萬瓦級連續薄片激光器、千瓦級綠光激光及超快薄片激光研究奠定基礎。