近期,中科院合肥研究院健康所醫(yī)用激光技術(shù)實(shí)驗(yàn)室江海河課題組與安光所晶體材料實(shí)驗(yàn)室張慶禮課題組合作,在梯度濃度摻雜Nd:YAG晶體生長(zhǎng)與LD單泵激光技術(shù)研究方面取得重要進(jìn)展,提出了平滑泵浦光場(chǎng)和溫度場(chǎng)均勻化的設(shè)計(jì)方案,大大提高了激光轉(zhuǎn)換效率,為后續(xù)高質(zhì)量激光器批量制造和定標(biāo)放大奠定了重要基礎(chǔ)。相關(guān)成果發(fā)表在國(guó)際光學(xué)著名期刊Photonics Research上。
全固態(tài)端泵技術(shù)是獲得緊湊、高效、高質(zhì)量激光器的重要方法之一。然而,在高重復(fù)頻率泵浦下,增益介質(zhì)中的嚴(yán)重激光熱效應(yīng)已成為阻礙輸出功率增強(qiáng)和降低光束質(zhì)量的主要因素,是激光界長(zhǎng)期難以攻克的瓶頸,特別是在LD單端泵浦的激光器中尤為突出,其關(guān)鍵問(wèn)題在于高濃度均勻摻雜晶體時(shí),泵浦光被初始端高濃度摻雜離子的強(qiáng)烈吸收,其強(qiáng)度迅速降低,造成了晶體棒軸向泵浦和溫度分布極為不均勻,難以產(chǎn)生性能優(yōu)越的激光;而在低濃度均勻摻雜晶體時(shí),由于吸收系數(shù)小,難以獲得高的激光轉(zhuǎn)換效率。針對(duì)均勻摻雜晶體單端泵浦激光系統(tǒng)中的關(guān)鍵核心問(wèn)題,本研究設(shè)計(jì)了梯度漸變濃度晶體,通過(guò)不斷增大泵浦光傳播途徑上的摻雜離子濃度,很好彌補(bǔ)了兩者的不足,大大提高了光光轉(zhuǎn)換效率。
通過(guò)改進(jìn)提拉法,研究團(tuán)隊(duì)生長(zhǎng)了高質(zhì)量的梯度濃度摻雜Nd:YAG晶體,經(jīng)激光剝蝕電感應(yīng)等離子體方法測(cè)定,梯度摻雜晶體沿棒軸方向上的Nd3+濃度分布如圖1所示,初始端與末端的濃度從0.34-0.80 at.%,其間濃度按e指數(shù)增加。設(shè)計(jì)了LD單端泵浦激光器,進(jìn)行了2種梯度摻雜和3種均勻摻雜的Nd:YAG晶體的激光實(shí)驗(yàn)研究,激光輸出功率隨泵浦功率的變化如圖3所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn),梯度摻雜晶體使得泵浦光在傳播過(guò)程中獲得了較均勻的吸收,大大降低了泵浦晶體端面的溫度和晶體棒軸向的溫度梯度,顯著減少了熱效應(yīng),在35W泵浦時(shí)的熱焦距較等效均勻摻雜晶體的數(shù)值增大了60%,改善了激光有效模體積、束斑尺寸和激光模式,明顯提高了激光脈沖輸出特性。在2kHz重復(fù)頻率運(yùn)行時(shí)的最大激光輸出功率達(dá)到了24.2W,激光器光光轉(zhuǎn)換效率高達(dá)53.8%。而與其濃度平均值相近的0.60 at.%均勻濃度晶體的最大輸出激光功率僅為17.8W。相比而言,梯度摻雜晶體的最大輸出功率顯著提高了35.9%。
研究證明了梯度濃度摻雜晶體在泵浦和溫度分布方面呈現(xiàn)出優(yōu)異的性能,提高了晶體棒中末端對(duì)泵浦光的吸收,并降低了入射端的溫度,平滑了沿棒軸上的溫度梯度,明顯減小了熱效應(yīng),可以顯著提高單端泵浦脈沖激光器的輸出性能,為未來(lái)高效率激光技術(shù)提供了一條新途徑。
論文鏈接:
https://www.osapublishing.org/prj/fulltext.cfm?uri=prj-9-7-1191&id=451792
圖1 梯度摻雜晶體沿棒軸方向上的Nd3+濃度分布
圖2 單端泵浦Nd:YAG晶體激光器結(jié)構(gòu)圖
圖3 5種晶體棒激光輸出功率隨泵浦功率的變化
新聞鏈接:http://www.hf.cas.cn/xwzx/tpxw/202109/t20210929_6217614.html