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梯度浓度掺杂Nd:YAG晶体LD单端泵浦激光器光光转换效率达53.8%
文章来源: 魏蒙恩 发布时间: 2021-09-29

  近期,金沙网址官方网站健康所医用激光技术实验室江海河课题组与安光所晶体材料实验室张庆礼课题组合作,在梯度浓度掺杂Nd:YAG晶体生长与LD单泵激光技术研究方面取得重要进展,提出了平滑泵浦光场和温度场均匀化的设计方案,大大提高了激光转换效率,为后续高质量激光器批量制造和定标放大奠定了重要基础。相关成果发表在国际光学著名期刊Photonics Research上。 

  全固态端泵技术是获得紧凑、高效、高质量激光器的重要方法之一。然而,在高重复频率泵浦下,增益介质中的严重激光热效应已成为阻碍输出功率增强和降低光束质量的主要因素,是激光界长期难以攻克的瓶颈,特别是在LD单端泵浦的激光器中尤为突出,其关键问题在于高浓度均匀掺杂晶体时,泵浦光被初始端高浓度掺杂离子的强烈吸收,其强度迅速降低,造成了晶体棒轴向泵浦和温度分布极为不均匀,难以产生性能优越的激光;而在低浓度均匀掺杂晶体时,由于吸收系数小,难以获得高的激光转换效率。针对均匀掺杂晶体单端泵浦激光系统中的关键核心问题,本研究设计了梯度渐变浓度晶体,通过不断增大泵浦光传播途径上的掺杂离子浓度,很好弥补了两者的不足,大大提高了光光转换效率。 

  通过改进提拉法,研究团队生长了高质量的梯度浓度掺杂Nd:YAG晶体,经激光剥蚀电感应等离子体方法测定,梯度掺杂晶体沿棒轴方向上的Nd3+浓度分布如图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%。 

  研究证明了梯度浓度掺杂晶体在泵浦和温度分布方面呈现出优异的性能,提高了晶体棒中末端对泵浦光的吸收,并降低了入射端的温度,平滑了沿棒轴上的温度梯度,明显减小了热效应,可以显著提高单端泵浦脉冲激光器的输出性能,为未来高效率激光技术提供了一条新途径。 

  论文链接: 

  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+浓度分布 

 

  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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