【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近期，中國科學院合肥物質院健康所醫(yī)用激光技術實驗室與合肥物質院安光所激光技術中心合作，在端泵漸變摻雜Nd:YAG晶體熱效應研究和激光輸出性能提升方面取得重要進展：通過進一步優(yōu)化漸變摻雜晶體的濃度分布，成功實現(xiàn)了近衍射極限光束質量下的更高峰值功率激光輸出，為高功率端面泵浦激光器熱效應的改善和轉換效率的提升提供了創(chuàng)新性的解決方案。相關成果發(fā)表于國際光學領域權威期刊Optics & Laser Technology和Infrared Physics & Technology上。
增益介質的熱效應始終是制約激光技術發(fā)展的關鍵瓶頸。傳統(tǒng)均勻摻雜晶體因泵浦光軸向衰減吸收，在高功率泵浦下會產生顯著的溫度梯度和熱應力等熱效應，限制了應力斷裂極限下的泵浦功率和激光器性能的提升。漸變摻雜晶體為解決這一問題提供了新思路，通過軸向連續(xù)提高激活離子的濃度，能夠顯著增加吸收長度，有效改善傳統(tǒng)均勻摻雜晶體的熱效應。本研究聚焦端泵漸變摻雜Nd:YAG晶體的熱效應及其抑制，通過建立漸變摻雜晶體的數(shù)值模型，理論分析了摻雜濃度分布對晶體溫度場及應力-應變場的影響，為新型漸變摻雜晶體的優(yōu)化設計和生長提供了指導。
本研究理論分析和實驗驗證了優(yōu)化設計的漸變摻雜(0 at.% + 0.17~0.38 at.%)Nd:YAG晶體的激光性能。通過更加平緩的濃度分布，進一步平滑均勻了縱向泵浦光的吸收分布，減少了溫度梯度，熱透鏡焦距增大了42%；降低了熱應力和端面變形，顯著提高了應力斷裂極限的泵浦功率。研究團隊首先在連續(xù)泵浦條件下，對該單端泵浦單棒Nd:YAG晶體熱效應的改善和激光性能的提升進行了研究，當808 nm半導體激光泵浦功率提高到110 W時，仍能保持較好的輸出功率增長；在60 W泵浦功率下，獲得了最大51.9%的光-光效率，最大斜效率為57.4%。在此基礎上，研究團隊利用該晶體進一步研制了高亮度的電光調Q激光器，設計了平-凸腔熱透鏡效應補償方案，并選擇與摻雜濃度相匹配的0.6-mm泵浦光斑半徑，有效控制腔內增益強度和模體積，顯著改善了熱效應并提升了激光輸出性能。在2 kHz重復頻率下，獲得了12 W的1064 nm電光調Q激光輸出，相應的峰值功率為882 kW，水平和垂直方向上的光束質量分別為1.240和1.251，亮度達到了5.02×1013 W/(cm2·Sr)，創(chuàng)下了單端泵浦單棒Nd:YAG激光器亮度的新紀錄。
研究表明優(yōu)化設計的低熱效應、低摻雜的新型漸變摻雜晶體在高功率運轉時具有優(yōu)異的激光性能，實現(xiàn)了輸出功率、轉換效率和光束質量的協(xié)同優(yōu)化，為漸變摻雜晶體的進一步優(yōu)化設計、端泵激光器熱效應的改善和轉換效率的提高提供了方向，也為棒狀晶體高亮度激光裝備的工程應用奠定了基礎。
圖1 漸變摻雜晶體軸向截面的數(shù)值模擬結果圖：(a)0.39 ~ 0.80 at.%晶體；(b)0.17 ~ 0.38 at.%晶體；(c)0 at.% + 0.17 ~ 0.38 at.%晶體
圖2 不同濃度晶體的自由運轉輸出功率 圖注：內嵌圖為端帽鍵合的漸變摻雜(0 at.% + 0.17 ~ 0.38 at.%)Nd:YAG晶體的轉換效率隨泵浦功率的變化
圖3 不同濃度晶體的調Q激光輸出功率隨著泵浦功率的變化 圖注：未標注的光斑尺寸為0.6 mm
圖4 最大輸出功率下，漸變摻雜(0 at.% + 0.17 ~ 0.38 at.%)Nd:YAG晶體的激光輸出特性：(a)脈沖持續(xù)時間；(b)相應的脈沖序列；(c)光束質量和光束輪廓；(d)30 min的輸出功率穩(wěn)定性
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