近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院健康與醫(yī)學(xué)技術(shù)研究所江海河課題組與安徽光學(xué)精密機(jī)械研究張慶禮課題組合作，設(shè)計(jì)研制了梯度濃度摻雜的釔鋁石榴石晶體（Nd:YAG）激光系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高重復(fù)頻率電光調(diào)Q激光輸出。相比傳統(tǒng)均勻摻雜晶體，梯度濃度晶體顯著提高了輸出平均功率和峰值功率，并獲得了高光束質(zhì)量的激光輸出。相關(guān)研究成果發(fā)表在Optics Letters上。
激光晶體產(chǎn)生的熱效應(yīng)制約著高重復(fù)頻率電光調(diào)Q激光器的發(fā)展，尤其強(qiáng)烈的熱透鏡效應(yīng)使諧振腔內(nèi)的激光光束縮小，導(dǎo)致諧振腔內(nèi)的峰值功率密度急劇上升，以致?lián)p壞腔內(nèi)光學(xué)元件。傳統(tǒng)均勻摻雜的激光晶體，端泵時(shí)的熱量主要分布于端面，且晶體的吸收使泵浦光沿晶體軸向迅速衰減，從而造成泵浦和溫度分布的不均勻。而新型的濃度由低變高的梯度晶體，使泵浦光和熱量在軸向分布更加平滑。該研究將梯度濃度晶體應(yīng)用于電光調(diào)Q系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了高峰值功率高光束質(zhì)量的輸出。
研究團(tuán)隊(duì)以梯度濃度0.39-0.80 at.%的Nd:YAG晶體為增益介質(zhì)，設(shè)計(jì)出LD端面泵浦L型平凸折疊腔電光調(diào)Q激光系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了重復(fù)頻率為2 kHz穩(wěn)定運(yùn)行。在最佳透過率為45%的條件下，梯度濃度晶體的激光最大輸出功率達(dá)到6.9W，斜效率為38.2%。相比等效平均濃度0.60 at.%的晶體，分別提高了21.1%和30.8%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，梯度濃度晶體在調(diào)Q系統(tǒng)中呈現(xiàn)出優(yōu)良特性，較小的熱效應(yīng)和平滑的熱分布擴(kuò)大了諧振腔內(nèi)的光斑面積，從而增大了基模激光體積，獲得了更高功率的激光輸出且不會(huì)損壞光學(xué)元件。該激光器達(dá)到了近衍射極限的調(diào)Q激光輸出，脈沖寬度為5.9ns，峰值功率高達(dá)585MW，功率穩(wěn)定性為0.55%。
該研究證明了設(shè)計(jì)的新型梯度濃度Nd:YAG電光調(diào)Q激光系統(tǒng)具有優(yōu)勢(shì)特性、良好的光束質(zhì)量和穩(wěn)定性，為研制高重復(fù)頻率的電光調(diào)Q激光器及其在激光雷達(dá)和激光成像等光電探測(cè)應(yīng)用提供了新的技術(shù)途徑。
論文鏈接 ：https://www.osapublishing.org/ol/fulltext.cfm?uri=ol-46-19-5016&id=460047
圖1.電光調(diào)Q實(shí)驗(yàn)裝置圖
圖2.各種摻雜晶體的電光調(diào)Q激光輸出功率
圖3.（a）脈沖寬度、（b）光斑、（c）1小時(shí)功率穩(wěn)定性
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