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梯度濃度摻雜Nd:YAG晶體LD單端泵浦激光器光光轉換效率達53.8%
文章来源: 魏蒙恩 发布时间: 2021-09-29

  近期,五福彩票健康所醫用激光技術實驗室江海河課題組與安光所晶體材料實驗室張慶禮課題組合作,在梯度濃度摻雜Nd:YAG晶體生長與LD單泵激光技術研究方面取得重要進展,提出了平滑泵浦光場和溫度場均勻化的設計方案,大大提高了激光轉換效率,爲後續高質量激光器批量制造和定標放大奠定了重要基礎。相關成果發表在國際光學著名期刊Photonics Research上。 

  全固態端泵技術是獲得緊湊、高效、高質量激光器的重要方法之一。然而,在高重複頻率泵浦下,增益介質中的嚴重激光熱效應已成爲阻礙輸出功率增強和降低光束質量的主要因素,是激光界長期難以攻克的瓶頸,特別是在LD單端泵浦的激光器中尤爲突出,其關鍵問題在于高濃度均勻摻雜晶體時,泵浦光被初始端高濃度摻雜離子的強烈吸收,其強度迅速降低,造成了晶體棒軸向泵浦和溫度分布極爲不均勻,難以産生性能優越的激光;而在低濃度均勻摻雜晶體時,由于吸收系數小,難以獲得高的激光轉換效率。針對均勻摻雜晶體單端泵浦激光系統中的關鍵核心問題,本研究設計了梯度漸變濃度晶體,通過不斷增大泵浦光傳播途徑上的摻雜離子濃度,很好彌補了兩者的不足,大大提高了光光轉換效率。 

  通過改進提拉法,研究團隊生長了高質量的梯度濃度摻雜Nd:YAG晶體,經激光剝蝕電感應等離子體方法測定,梯度摻雜晶體沿棒軸方向上的Nd3+濃度分布如图1所示,初始端与末端的浓度从0.34-0.80 at.%,其间浓度按e指数增加。设计了LD单端泵浦激光器,进行了2种梯度掺杂和3种均匀掺杂的Nd:YAG晶体的激光实验研究,激光输出功率随泵浦功率的变化如图3所示。结果发现,梯度掺杂晶体使得泵浦光在传播过程中获得了较均匀的吸收,大大降低了泵浦晶体端面的温度和晶体棒轴向的温度梯度,显著减少了热效应,在35W泵浦时的热焦距较等效均匀掺杂晶体的数值增大了60%,改善了激光有效模体积、束斑尺寸和激光模式,明显提高了激光脉冲输出特性。在2kHz重复频率运行时的最大激光输出功率达到了24.2W,激光器光光转换效率高达53.8%。而与其浓度平均值相近的0.60 at.%均匀浓度晶体的最大输出激光功率仅为17.8W。相比而言,梯度掺杂晶体的最大输出功率显著提高了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出優異的性能,提高了晶體棒中末端對泵浦光的吸收,並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,可以顯著提高單端泵浦脈沖激光器的輸出性能,爲未來高效率激光技術提供了一條新途徑。 

  論文鏈接: 

  https://www.osapublishing.org/prj/fulltext.cfm?uri=prj-9-7-1191&id=451792 

 

  图1  梯度掺杂晶体沿棒轴方向上的Nd3+濃度分布 

 

  图2  单端泵浦Nd:YAG晶体激光器结构图

 

  图3  5种晶体棒激光输出功率随泵浦功率的变化 

   
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