澳大利亚 EOS 公司 研发新二极管泵浦固态激光器

2017年1月，澳大利亚光电系统（EOS）公司斯特罗姆洛（Stromlo）天文台的Yue Gao等在Laser Phys. Lett.上以“高平均功率二极管泵浦固态激光器”为题发表论文（1），报道了该公司激光器的最新进展。

论文指出，EOS空间系统已开发了可以用于多种与空间相关的跟踪用途的新一代高平均功率脉冲多焦耳（multi-joule）固态激光系统。该系统完全由二极管泵浦、全自动化，能够产生能量高达4.7 J的脉冲，光束质量M 2~3，脉冲宽度在10-20 ns之间，脉冲重复率在100-200 Hz之间。该系统已经运行了两年多，具有出色的性能和可靠性。

系统结构图如下所示。系统包括脉冲主单纵模振荡器，三级前置放大器，两级功率放大器，可以产生单个光束线输出。当需要时，单光束输出可以通过光束成形光学组件转换成环形空间模式，用于避开望远镜的中心遮蔽以用于特殊应用。在系统中使用热透镜补偿（TLC）光学器件补偿热透镜效应，从而允许在100-200 Hz范围内改变频率；使用受激布里渊散射相位共轭镜（PCM）补偿残余波前失真和激光束像差。论文提到，目前世界上市场上100-200 Hz之间可商业购买的最大基于杆的二极管泵模块直径是15 mm。除了15 mm直径之外，其他直径（例如6.35 mm和9 mm）的基于杆的二极管泵增益模块也已经被用作功率放大器的前置放大器和初级的功率引擎。下表显示了EOS公司用150 A电流泵浦时9 mm和15 mm直径增益模块的增益。

论文提到，目前世界上市场上100-200 Hz之间可商业购买的最大基于杆的二极管泵模块直径是15 mm。除了15 mm直径之外，其他直径（例如6.35 mm和9 mm）的基于杆的二极管泵增益模块也已经被用作功率放大器的前置放大器和初级的功率引擎。下表显示了EOS公司用150 A电流泵浦时9 mm和15 mm直径增益模块的增益。

论文提到，目前世界上市场上100-200 Hz之间可商业购买的最大基于杆的二极管泵模块直径是15 mm。除了15 mm直径之外，其他直径（例如6.35 mm和9 mm）的基于杆的二极管泵增益模块也已经被用作功率放大器的前置放大器和初级的功率引擎。下表显示了EOS公司用150 A电流泵浦时9 mm和15 mm直径增益模块的增益。

图 17 激光系统结构示意

论文提到，目前世界上市场上100-200 Hz之间可商业购买的最大基于杆的二极管泵模块直径是15 mm。除了15 mm直径之外，其他直径（例如6.35 mm和9 mm）的基于杆的二极管泵增益模块也已经被用作功率放大器的前置放大器和初级的功率引擎。下表显示了EOS公司用150 A电流泵浦时9 mm和15 mm直径增益模块的增益。

该系统在重复频率为170 Hz时的测试结果如下表所示：

论文特别指出，对于与空间相关的跟踪应用，激光束需要通过望远镜发射，而具有卡塞格伦（Cassegrain）结构的望远镜的次级镜片会造成激光光束变暗。这将导致大约百分之几的能量损失，并且最重要的是，损失的能量将被反射回激光系统，可能造成激光器部件的损坏并导致其他不利影响。因此在这些应用场合中需要设计特殊光束轮廓。EOS的科研人员已经设计了特殊的光束成形光学组件，实现了环形模式，如下图所示，这可以避开望远镜的中心遮挡。此外，还可以通过操纵光束成形光学组件的若干参数来控制中心孔的尺寸。

图 “圈饼 ”激光束轮廓 激光束轮廓 激光束轮廓

论文提到EOS在2004年开发的系统脉冲能量为3 J，最大重复频率为100 Hz，新系统的平均输出功率增加了一倍多。新系统的体积也得到了减小，相当于上一代系统的1/3。这两个系统都基于主振荡器/功率放大器（master oscillator/power amplifier, MOPA）架构，并且在这样高的平均输出功率水平下表现出非常好的光束质量。未来计划将当前的千瓦级系统的平均输出功率升级到2 kW系统，因此在200 Hz下脉冲能量需要增加到约10 J，同时保持良好的光束质量。将优先考虑开发和采购大尺寸Z字形板式（zig-zag slab）二极管泵增益模块，以克服基于杆的结构（rod based architecture）的部分限制。 （郭世杰）

（1）Gao, Y., Wang, Y., Chan, A., Dawson, M., & Greene, B. (2017). High average power diode pumped solid state laser. Laser Physics Letters, 14(3), 035803.

摘自《科学仪器前瞻与实践 2018 年第 1 期》