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光学元件在50 J/cm² @ 1.5 μm 的先进应用

作者：Laurynas Šatas, 2018

对1.5 μm 波段的关注日益增长

近年来，1.5 μm左右的人眼安全激光器关注度日益增长 [1]。典型的就是基于⁴I13/2 → ⁴I15/2跃迁的铒离子（Er³⁺）激光器。这种辐射大部分会被眼睛的角膜和晶状体吸收，不会接触到敏感的视网膜，这为人眼安全应用打开了新的大门。铒激光已广泛用于自由空间光通讯领域、遥感（雷达技术）领域、民事和国防领域的测风和测距。虽然新一代工业级谐振腔在低脉冲频率中运行需具备高脉冲能量和峰值功率，但他们也还取决于良好的光质量、低发散角和紧凑良好的设计，并且优先使用具有被动冷却功能的激光头。

人眼安全激光器

这类激光器的设计相对简单。紧凑型Er³⁺激光的材料是复合掺杂了Er³⁺离子和Yb³⁺离子的磷酸盐玻璃[2]。因为Yb³⁺离子的²F7/2→ ²F5/2跃迁，所以复合掺杂Yb³⁺离子需要给激光材料在960-980 nm 有效的泵浦。该光谱范围对应着高性价比的商用型大功率 InGaAs激光二极管的发射波长。紧凑型铒激光的脉冲输出通常由被动调Q提供。Er³⁺激光最广泛熟知的饱和吸收体是在四面体位包含了钴离子 (Co²⁺)晶体，例如Co²⁺:MgAl₂O₄单晶石（Co²⁺:spinel）。它会为Co²⁺离子提供高吸收率的界面，因此在Co²⁺离子波长具有低饱和量（~0.5 J/cm^²）、快速恢复时间（~350 ns）、少量非饱和损耗和高调制深度、良好的热性能和强抗辐射性能。单晶提拉法能够生长出最高工艺的Co2+:MgAl₂O₄单晶体。虽然复合物的高熔点（~2130 °C）使得生长变得复杂，但这也是唯一适用于工业应用的生产方法，因为这个工艺使得上百上千成品具有很高的重复性。虽然作为潜在陶瓷解决方案广受世界各地热议，但目前还无法解决其低抗损伤性和同质性问题[3, 4]。

图1. 典型8 mJ 谐振腔，可以给组件带来 40-50 J/cm²的功率密度挑战

挑战

在起步阶段，8 mJ 单脉冲（1级激光安全是人眼安全极限）对于整个高平均功率激光光源世界来说不是一个大数字。然而，如何进行紧凑的优化和可靠的腔设计一直对激光工程师来说是不小的挑战。例如，发射8 mJ、 15 ns脉宽和100 μm光束直径的共谐腔会使得元器件需要应对 5.2 GW/cm²(>38 J/cm²)的内腔，这在市面上几乎找不到有效解决方案。但这个问题可以通过优化以下参数来解决：

优化激光器有效模面积
使用多模代替单模
调整输出耦合镜和腔内镜片的曲率半径
调整Q开关的初始透射率和输出耦合镜的反射率

然而，这些调整都被限制在一定的能量范围，这个能量范围由系统最弱的光学元器件决定。这也使得如光束质量、光束大小，发散角、能效和总体价格等其他参数的降低。

激光损伤阈值

激光损伤的定义为任何可造成样品的表面/体积特性永久性变化的激光辐射。这种变化可以通过检验技术观察，也可以对样品进行预处理再观察其敏感度。激光损伤阈值（LIDT）定义为使光学原器件外表损伤为零的最大激光辐射量[5]。Altechna研究和生产的光学元器件LIDT都是LIDARIS (立陶宛) 公司执行 S-on-1 标准测试而得到的结果。LIDT数值是由实验损伤概率数据与泊森损伤过程派生的模型进行拟合来确定，该模型会假定存在退化缺陷 [6]。

Altechna 为最高能量提供解决方案

对于新一代光学元器件的研发，并且还要能解决目前光学领域的挑战，这是一个复杂的任务。因为涉及了从材料科学到工程领域的多个学科。Altechna的研发工程师发现并且突破了几个高功率Er³⁺固态谐振腔的技术瓶颈，为可靠解决方案扫清路障。特别是那些需要高质量、高光学性能和高热性而且能够应付>50 J/cm² 峰值功率密度的Co²⁺:MgAl₂O₄晶体。由于最近的技术突破，高质量光学元器件已经投入量产。Altechna希望最新达到的功率等级能够让客户重新考虑谐振腔的几何结构从而为诸如遥感、民事和国防领域提供新的解决方案。

图2. 典型0°入射的LIDT测试设计

高损伤阈值腔内反射镜

任意常见玻璃：N-BK7, UVFS
曲率半径和对中公差精准测量
3种以上的金属氧化物的介质溅射镀膜
电磁场优化处理
高良品率
LIDT >50 J/cm² @ 1540 nm, 20 ns, 100 Hz

*LIDT测量数据基于100-on-1 @ 1540 nm, 4.1 ns, 100 Hz, 0⁰ – 39 J/cm² (equivalent of >86.1 J/cm² @ 20 ns)

图4. 损伤可能性点状图[7]

高损伤阈值输出耦合镜

任意常见玻璃：N-BK7, UVFS
3种以上不同材料的介质溅射镀膜
电磁场优化处理
高良品率
LIDT >50 J/cm² @ 1540 nm, 20 ns, 100 Hz

* LIDT测量数据基于100-on-1 @ 1540 nm, 4.2 ns, 100 Hz, 0⁰ – 21.3 J/cm² (equivalent of >46.48 J/cm² @ 20 ns)

图5.损伤可能性点状图[7]

高损伤阈值镀膜Co:Spinel (Co²⁺:MgAl₂O₄)晶体

Co²⁺掺杂浓度：(0.05~0.35) wt%
表面质量：10-5 S-D
表面平坦度：<λ/10 @ 632.8 nm
平行度误差：<5 arcsec
LIDT >50 J/cm² @ 1540 nm, 20 ns, 100 Hz

* LIDT测量数据基于R (1000)-on-1 @ 1540 nm, 4.9 ns, 100 Hz, O⁰ – 38.9 J/ cm² (equivalent of >78.6 J/cm² @ 20 ns)

图3. R-on-1 测试结果和1000次脉冲后典型损伤图:能量密度为 38.9 J/cm2 高对比度图像[7].

参考文献

[1] AANSI Standard Z136.1-2000, American National Standard for Safe Use of Lasers (2000).

[2] Karlsson G., Laurell F., Tellefsen J., Denker B., Galagan B., Osiko V. and Sverchkov S. „Development and characterization of Yb-Er laser glass for high average power laser diode pumping“ 2002 Appl. Phys. B 75 41–6.

[3] Denisov I. A., Volk Yu. V., Malyarevich A. M., Yumashev K. V., Dymshits O. S., Zhilin A. A., Kang U. and Lee K-H. „Linear and nonlinear optical properties of cobalt-doped zinc-aluminum „glass ceramics“ 2003 J. Appl. Phys. 93 3827–31.

[4] Adrian Goldstein A., Loiko P., Burshtein Z., Skoptsov N., Glazunov I., Galun E., Kuleshov N., Yumashev K., „Development of Saturable Absorbers for Laser Passive Q-Switching near 1.5 lm Based on Transparent Ceramic Co²⁺:MgAl₂O₄“ Journal of the American Ceramic Society • April 2016.

[5] ISO 21254-1:2011: Lasers and laser-related equipment – Test methods for laser-induced damage threshold – Part 1: Definitions and general principles, International Organization for Standardization, Geneva, Switzerland (2011).

[6] ISO 21254-2:2011: Lasers and laser-related equipment – Test methods for laser-induced damage threshold – Part 2: Threshold determination, International Organization for Standardization, Geneva, Switzerland (2011).

[7] Tested at Lidaris, JSC.

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