Стабилизированные по длине волны диодные сборки кВт-класса

                                     

Существуют многочисленные лазерные среды с полосами поглощения слишком узкими, чтобы использовать стандартные накачные диодные сборки с шириной линии излучения 2-3 нм.

Для таких полос поглощения (например, Nd: YAG на 885nm, Nd: YVO4 на 880 нм, и Yb: YAG при 969nm) нужны диодные сборки с более узкой линией излучения.

Фирмой Northrop Grumman Cutting Edge Optronics разработан процесс построения мощных сборок лазерных диодов с узким спектром излучения путем добавления в процессе упаковки объемных Брэгговских решеток (VBG-Volume Bragg Grating). Эти сборки излучают со спектральной шириной около 0,5 нм (FWHM) и доступны с выходной мощностью от десятков ватт до нескольких киловатт.  В этой технической записке представлены экспериментальные данные для сборок, работающих до 100 Вт/линейку (CW).

 

Мощные лазерные диодные сборки, стабилизированные по длине волны

Ryan Feeler1, Joseph Levy, and Jeremy Junghans                                                                                                                     Northrop Grumman Cutting Edge Optronics, 20 Point West Blvd., St. Charles, MO USA 63301

1. ВВЕДЕНИЕ

Существуют различные применения лазерных диодных линеек с узким спектром излучения. Ширина спектра типичных мощных лазерных диодных линеек порядка 1-2 нм (FWHM) в зависимости от конструкции линейки и рабочих параметров. Когда значительное число диодных линеек соединяются вместе, чтобы сформировать мощную сборку, различия в спектрах отдельных линеек  приводят к уширению спектра сборки до типичного значения 2-3nm. Хотя этого достаточно для целого ряда приложений (накачка некоторых твердотельного лазерных кристаллов, обработки материалов и т.д.), этого совершенно недостаточно для других применений.

 Использование внешних элементов для фиксации длины волны волны стало популярным подходом для создания сборок лазерных диодов с узким спектром длин волн (<1 нм). Эта технология использует объемные брэгговские решетки (VBGs) для обеспечения обратной связи с диодной линейкой. Эта идея на протяжении многих лет  широко используется в телекоммуникационной отрасли. Она также используется в лазерной индустрии как способ эффективной накачки кристаллов или паров, которые не могут быть накачаны диодными сборками с шириной спектра 2-3nm.

2. ПОТЕНЦИАЛ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

Есть много примеров лазерных сред, когда для накачки выгодны лазерные диоды с узким спектром излучения. Один из ярких примеров показан на рисунке 1, где приведен спектр поглощения Nd: YAG в диапазоне длин волн 780-900нм. Наиболее распространенной длиной волны накачки для Nd: YAG лазеров является 808nm. Существует также соседний пик примерно на 805nm, что вместе с  первым создает эффективную полосу поглощения шириной 5.5nm , и это идеально подходит для накачки стандартными сборками лазерных диодов.

Однако, есть технические преимущества, связанные с накачкой Nd: YAG на более длинных волнах. В частности, малый квантовый дефект при накачке на таких волнах приводит к слабой тепловой линзе и меньшим потерям из-за деполяризации. В результате, накачка Nd: YAG на 869 или 885nm является привлекательной альтернативой во многих конструкциях лазера. К сожалению, щирина пиков поглощения на этих длинах волн значительно уже (~ 1 нм и ~ 3нм, соответственно), и поэтому для накачки требуются диоды с узким спектром излучения. Сходные черты наблюдаются и в других Nd-легированных лазерных кристаллах, например, Nd: YLF и Nd: YVO4.

                               

 Рисунок 1. Кривая поглощения для для Nd:YAG. Примерные ширины наиболее интересных полос поглощения приведены для справки.

Другим распространенным лазерным кристаллом, требующим накачки диодами с узким спектром излучения, является  Yb: YAG. Кривая поглощение Yb: YAG показана на рисунке 2. Существует широкий пик поглощения вокруг 940 нм и узкий пик, расположенный на 969nm. Как и в случае с Nd: YAG, некоторые конструкции лазеров  значительно выгоднее выполнять при накачке на 969nm. В данном случае опять выгоднее применять лазерные лиодные сборки с узким спектром излучения.

                                         

 Рисунок 2. Кривая поглощения Yb: YAG.Примерные ширины наиболее интересных полос поглощения приведены для справки.

 

 3. ТЕХНИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ

Northrop Grumman Cutting Edge Optronics (NGCEO) производит сборки лазерных диодов самых разнообразных конфигураций с уровнем мощности от 10 Вт до нескольких киловатт. NGCEO разработала процесс изготовления мощных лазерных диодных линеек с шириной спектров излучения порядка 0.5 нм, добавив VBGs.в процессе упаковки сборок. Фирма включила VBGs на некоторые из своих крупных сборок и продемонстртровала результаты в промышленных условиях на сборках свыше 3 кВт непрерывной мощности. Эти сборки используют технологию микроканального охлаждения, что позволяет вертикальную упаковку линеек мощностью 1Вт CW с шагом примерно 1.8мм. Аморок такого решения показана на рисунке 3. Сначала мощная лазерная диодная линейка припаивается к микроканальному радиатору охлаждения. Данная подсборка проходит предварительное тестирование для проверки надлежащей работы и проверку надежности припайки и качества зеркал. Необходимое количество этих подсборок (с п = 1 до 56, в зависимости от пожелания заказчика) затем спаиваются в мощную сборку. Затем к каждому радиатору прикрепляется коллимирующая по быстрой оси  (FAC) линза с использованием процесса активного выравнивания. Наконец, небольшая VBG индивидуально юстируется относительно каждой пары линейка / линза и крепится к раме сборки.

                    

 Рисунок 3. Аморок решения, используемого NGCEO при производстве сборок со стабилизированной длиной волны излучения. Не в масштабе.

Когда устройство работает, свет, излучаемый диодной линейкой коллимируется линзой и попадает на решетку. Решетка селективно отражает свет с определенной длиной волны (определяется шагом решетки) обратно через линзу в оптический резонатор диодной линейки. Этот метод обратной связи заставляет диоды генерировать свет с определенной (заданной решеткой) длиной волны при вариации рабочих параметров (температуры, тока и пр.)

NGCEO может производить стабилизированные по длине волны вертикальные стеки с любым числом (до 56) линеек, или горизонтальные сборки или двумерные сборки различных размеров, как это определено требованиями заказчика сборки. Пример мощной сборки показан на рисунке 4. Эта сборка состоит из  двух 36-линеечных вертикальных стеков с шагом между линейками 1,8 мм. Выход стеков в сочетании с чередованием зеркал позволяет почти в два раза увеличить интенсивность излучения. 

                         

 Рисунок 4. Лазерная диодная сборка с двумя 36-линеечными стеками с микроканальным охлаждением и VBG, с выходом объединенным чередующимися зеркалами.

 

 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ

Фирма NGCEO выпустила ряд сборок с VBG для сужения спектра их излучения. Представленные в этом документе данные для 36-линеечных стеков демонстрируют возможности продукта. Это пример использования сборок с узким спектром излучения  для эффективной накачки Nd:YAG на 885nm полосе поглощения (рисунок 1). Спектры излучения 36 линеечных лазерных диодных сборок до и после добавления VBGs показаны на Рисунке 5. Эти данные были получены при CW 100А и нормированы на общую мощность сборки. Добавление VBGs в этой сборке уменьшает ширину спектра от 2,7 нм до 0,7 нм (FWHM).

                            

 Рисунок 5. Спектры излучения  36-линеечного стека с микроканальным охлаждением до и после добавления VBGs..

Одним из основных преимуществ использования VBGs является возможность работать с диодными сборками при широкой вариации входных параметров (тока, температуры) вследствии малого влияния на длину волны излучения. Хотя VBGs обычно используются для обеспечения стабилизации длина волны в диапазоне рабочих температур, это не является проблемой в нашем случае, так как сборки имеют микроканальные охлаждение и могут быть привязаны к точной рабочей температуре. Что представляет интерес, однако, это изменение выходной длины волны в зависимости от величины тока. Эта информация представлена ??на рисунке 6.

 

  Рисунок 6.  Спектры излучения 36-линеечной диодной сборки при различных токах CW до (вверху) и после (внизу) джобавления VBGs. Кривые поглощения для Nd:YAG наложены для справки.

Этот график показывает одно из ключевых преимуществ сборок со стабилизированной волной излучения - возможность работать со сборками в широком диапазоне входных токов при сохранении взаимодействия с кривой поглощения среды усиления лазера. На верхнем графике, выход лазерного диода при 30А ниже нижнего края полосы поглощения.По мере того как управляющий ток увеличивается спектр излучения сборки перемещается по Nd: YAG спектру поглощения пока значительная часть его окажется вне полосы поглощения (при 100А). Это может представлять серьезную проблему для лазерного инженера, который хочет работать с накачными сборками при различных токах накачки.

А эффективное использование больших сборок без стабилизации длины волны для накачки на 885nm полосе поглощения Nd: YAG и вовсе является очень проблематичным делом.

Данные верхнего графика существенно отличаются от данных нижнего графика Рисунка 6, которые были получены после добавления VBGs. В этом случае длина волны остается в центре кривой поглощения во всем диапазоне рабочих токов. Этот подход обеспечивает большую гибкость для разработчика лазера.

Результирующий график зависимости центральной  волны излучения от рабочего тока показан на рисунке 7. Сдвиг длина волны (dλ / DI) для стандартной сборки составляет 0,05 нм /А, что является типичной величиной для лазерной диодной линейки, посаженной на микроканальные охладители. Добавление VBGs уменьшает сдвиг в шесть раз до 0,008 нм / A.

                          

 Рисунок 7. Спектры излучения в зависимости от тока до и после добавления VBGs

Использование VBGs для создания сборок лазерных диодных линеек с узким спектром излучения имеет очевидные преимущества. Тем не менее, эти преимущества могут сводиться к минимуму, если добавление VBGs приводит к чрезмерно негативному влиянию на мощность сборок. На Рисунке 8 представлена зависимость мощности от тока для представителя 36-линеечного стека.. В этом случае, добавление VBGs снизило мощность при 80А примерно на 8%. Однако, как видно на Рисунка 5 и Рисунка 6, резко возросло количество полезной мощности накачки, которыя находится в пределах полосы поглощения Nd: YAG-кристаллов. В результате общее снижения мощности сборки составляет эффект второго порядка рассмотрения.

                       

 Рисунок 8. Мощность в зависимости от тока (CW) для лазерной диодной сборки из 36 линеек до и после добавления VBGs.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Northrop Grumman Cutting Edge Optronics разработана техника надежного крепления объемных брэгговских решеток в сборках мощных лазерных диодных линеек как средство получения сборками узких спектров излучения. Это решение имеет много различных приложений, в том числедля накачки усилительных лазерных сред, которые не могут накачены стандартными диодными сборками

Данные, представленные в этой технической записке показывает сужение спектров излучения сборок в 4 раза. Кроме того,изменение выходной длины волны в зависимости от текущеготока была уменьшена в 6 раз. Общая выходная мощность сборок при этом уменьшается примерно на 8%, но это потеря с избытком компенсируется способностью генерировать значительно большую выходную мощность в полосе поглощения среды усиления лазера.