激光器的功率缩放 Power scaling of lasers

2022-10-31 10:41:37 浏览:265

定义

大幅增加激光器输出功率的程序。

首先要警告的是,术语功率缩放通常以不恰当的方式使用,意思无非是以某种方式提高激光的输出功率。 该术语的实际含义应远不止于此[7]:一个定义明确的系统缩放程序,可以大幅和反复地增加输出功率,而不会使主要问题更加严重,即

  • 在不破坏其他基本性能参数的情况下,例如光束质量,
  • 不依赖于任意改进的系统组件(例如具有任意高亮度的泵浦源)
  • 不会将一个或多或少的硬壁驱动,例如以过高的峰值温度或温度梯度、破坏性的光学强度水平或过度的非线性效应的形式

例如,当激光器的输出功率通过以下方式增加时,它不是功率缩放:

  • 通过并行排列多个发射器,其中光束质量随着发射器数量的增加而降低
  • 通过两个泵浦二极管的偏振束组合(偏振耦合)或通过增益介质的低温冷却(因为这些措施不能重复)
  • 通过使用具有更高辐射度的泵浦二极管
  • 通过设计更改,将关键组件从其损坏阈值的 40% 提高到 80%

辐射缩放实际上是一个很好的替代术语。

如果在保持光束质量的同时增加功率(并且满足其他一些条件,如下所述),也可以使用术语辐射缩放(或亮度缩放)。 对于许多激光应用,只有在辐射度也增加的情况下,增加激光功率才有用。

仅对于某些功率可扩展的激光器架构,才具有真正的功率可扩展性。 真正的可扩展性与明确定义的缩放程序相关联,该程序精确地定义了例如,从给定的工作设计开始,如何将输出功率加倍。 例如,这种缩放过程的形式可以是:为了使输出功率加倍,泵浦功率加倍,将其施加到增益介质中两倍的模面积,在保持参数Y恒定的同时将参数X减少一半;这将使输出功率加倍,而不会增加有害影响Z。

图1:例如,缩放程序(SP)允许修改激光设计以使输出功率加倍,同时满足某些其他限制(见文本)。

当然,任何功率缩放过程最终都会达到一些限制,从而阻止扩展到任意大的功率。 然而,系统的真正功率可扩展性至少提供了较大的功率范围,其中进展相对容易实现。

功率缩放方法

一个概念上简单但不是很有吸引力的功率缩放示例是将独立运行的激光器的准直光束并排平铺。 通过这种方式,只需组合所需数量的激光器即可实现几乎无限量的输出功率。 然而,即使组合功率与激光器数量成比例增加,组合输出的光束质量也会降低(因为光束面积增加而光束发散保持不变),辐射度(亮度)最多停留在单个激光器的水平。

因此,很容易看出,保持光束质量的功率缩放方法是非常可取的。 对于与多个激光器组合的光束[6],需要将光束叠加,以便获得具有相似参数的单个输出光束。 对于仅两个具有明确偏振状态的光束,一个简单的偏振器(例如偏振立方体)可能就足够了(→偏振光束组合),但这种方法不能重复,因为它会导致非偏振光束。 对于大量组合梁,有多种方法:

  • 如果光束具有不同的波长,则可以使用光谱光束组合。
  • 单频激光器的输出可以相干组合,例如与普通分束器,如果光束的相对相位可以稳定,并且光束是偏振的。 或者,可以组合具有横向位移的光束,形成面积较大但光束发散较小的单个光束,从而保持光束质量。 目前正在用体激光器和光纤激光器探索这种方法。
  • 相干波束组合并不总是需要单频操作;有一些光学反馈技术适用于多模激光器。

(有关更多详细信息,请参阅有关光束组合的文章。)

这种方法可以在不降低光束质量的情况下调整输出功率,但代价仍然是增加组件数量。 其他功率缩放方法在单个高功率激光器的设计上工作。 然而,并非每种类型的激光器都适合真正的功率缩放。 例如,如果泵浦功率增加,简单的端泵浦或侧泵浦棒激光器将表现出越来越严重的热效应。 在这种情况下,修改模式区域无济于事:虽然较大的泵浦光束会降低热透镜的屈光度功率,但较大的激光模式对透镜更敏感,因此光束质量以及最终的功率效率都会受到影响。

功率可扩展激光器设计的一个很好的例子是薄盘激光器[1]。 在这里,功率可扩展性源于具有纵向热流的特殊几何形状。 在较大的输出功率范围内,只需根据泵浦和输出功率成比例增加增益介质(薄盘)中的模态面积即可实现功率调节。 如果应用此缩放程序,则磁盘中的最大温度偏移不会显着增加,因为冷却区域与耗散功率成比例增加。 此外,对于具有更高功率的型号,由横向温度梯度引起的热透镜的聚焦功率甚至会降低;这只是弥补了较大的激光模式对透镜更敏感的事实。 因此,输出功率可以增加,直到其他效应限制性能 - 例如,与圆盘中的机械应力相关的效应,随着功率的增加而增加,或者与横向放大的自发发射相关的效应,最终将限制单个圆盘可实现的功率。 这种影响可以大大减轻,例如通过使用复合(掺杂/未掺杂)盘。 作者以前的研究小组证明,即使是被动锁模的磁盘激光器也可以在很宽的范围内进行功率扩展。

板坯激光器也被提议作为一种功率可扩展的技术。 与薄盘激光器类似,激光板的冷却区域放大以获得更高的功率,因此对于更高的功率,温升、温度梯度和感应应力不必增加[4]。 然而,具有高光束质量的高效功率提取是一个挑战。 随着功率的扩大,接近衍射极限的操作将越来越难以实现。

有时也使用中间缩放方法,增加了激光头的数量,但在单个激光谐振器中使用激光头。 激光头中光束畸变的综合效应可能很快就会破坏光束质量,但有所谓的周期谐振器[2],情况并非如此。 然而,可用的激光头的数量通常会受到实际方面的限制。

光纤激光器和放大器:功率可扩展性如何?

一个有趣的问题是包层泵浦光纤激光器和放大器是否具有功率可扩展性。 由于应用技术众多,并且依赖于特定要求,例如在输出格式(连续波,可能具有窄带宽或脉冲等)和光束质量方面,不可能得到一般答案。

在保持模式面积恒定的同时增加输出功率不是实际功率缩放的选项,因为这会增加光学强度。 现有高功率光纤激光器和放大器的强度已经非常高 - 比薄盘激光器高几个数量级,并且离允许的极限不远。 因此,模式面积也需要增加。 但是,模态面积限制在1000–3000μm左右2对于单模磁芯,只要需要接近衍射极限的操作,使用优化的多模磁芯操作也不允许更大的模式区域。

各种其他因素也会破坏可扩展性,例如将泵浦功率发射到光纤末端。 对于泵浦二极管的给定辐射度,增加功率需要增加内部包层直径。 这减少了每单位长度的泵吸收。 为了弥补这一点,还需要增加芯径(最终降低光束质量)或增加光纤长度。 后者使非线性效应更加严重,这可能很重要,也可能无关紧要,具体取决于情况。 在某种程度上,可以通过使用更短的高掺杂光纤来降低有效非线性。 然而,这不仅受到可能的淬火效应的限制,还受到每米光纤允许的热负荷的限制。

近年来,高功率衍射极限光纤器件性能的巨大进步本身并不是功率可扩展性的证明,而是必须被视为系统优化的结果,涉及大大改进的泵浦二极管和光束整形器,将泵浦功率发射到光纤中的新技术,优化的双包层光纤具有较大的模式区域,并更好地了解如何理想地拟合所有设计参数以获得最佳性能。 与真正的功率缩放程序相比,这一进步依赖于不断改进的组件,并导致光纤中的光学强度大幅增加,并且每米的热负荷也高得多。 因此,过去几十年的巨大进展已经大大放缓。

当然,仍然可以选择将几根甚至多根光纤的输出组合在一起,但代价是失去了单光纤器件的一些显着优势。

结束语

我们已经看到,有意义意义上的功率缩放概念必须基于定义明确且可重复的缩放过程。 如果给出这种真正的功率可扩展性,则可以在很宽的输出功率范围内提高激光性能,而无需依赖新材料(例如具有更高的损伤阈值),任意改进的组件(例如具有更高亮度的泵浦二极管)或额外的发明(例如控制热效应)。 然而,到目前为止使用的大多数激光器架构在这种意义上都不是功率可扩展的,至少不会超过已经实现的功率水平,并且当需要高光束质量时。

必须强调的是,某些激光器架构的功率可扩展性在很大程度上取决于各种边界条件,例如光束质量和输出格式(脉冲或连续波)方面的要求。 请注意,对于用于脉冲操作的设备,非线性影响可能要严重得多,并且在这种情况下可能会破坏可扩展性。

应用于整个激光架构或孤立方面的功率缩放考虑因素对于估计某些架构或技术在尚未实验探索的功率状态中应用的潜力特别有用。 某些方面可能表现出良性缩放特性,因此它们在高功率水平下不会造成重大挑战,即使在中低功率器件中相应的影响也不可忽略。 其他方面或技术表现出不太有利的缩放行为,在高功率水平下可能会变得非常有害,即使它们的影响在中低功率设备中可以忽略不计。 基于对所有相关物理效应的详细定性和定量理解(并可能通过建模功能进行丰富),在可扩展性的背景下对这些问题进行适当的分析,显然会导致远远超出对最近技术进步的简单推断的预测能力。

参考文献

[1] A. Giesen et al., “Scalable concept for diode-pumped high-power solid-state lasers”, Appl. Phys. B 58, 363 (1994), doi:10.1007/BF01081875
[2] J. M. Eggleston, “Periodic resonator for average-power scaling of stable-resonator solid-state lasers”, IEEE J. Quantum Electron. 24 (9), 1821 (1998), doi:10.1109/3.7121
[3] K. Contag et al., “Theoretical modelling and experimental investigations of the diode-pumped thin disk Yb:YAG laser”, Quantum Electron. 29 (8), 697 (1999), doi:10.1070/QE1999v029n08ABEH001555
[4] T. S. Rutherford et al., “Edge-pumped quasi-three-level slab lasers: design and power scaling”, IEEE J. Quantum Electron. 36 (2), 205 (2000), doi:10.1109/3.823467
[5] R. Paschotta et al., “Diode-pumped passively mode-locked lasers with high average power”, Appl. Phys. B 70, S25 (2000), doi:10.1007/s003400000269
[6] T. Y. Fan, “Laser beam combining for high-power, high-radiance sources”, J. Sel. Top. Quantum Electron. 11 (3), 567 (2005), doi:10.1109/JSTQE.2005.850241
[7] R. Paschotta, “Power scalability as a precise concept for the evaluation of laser architectures”, open access paper on arXiv.org, see arXiv:0711.3987v1

方法

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