近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院健康所醫(yī)用激光技術(shù)實(shí)驗(yàn)室與合肥物質(zhì)院安光所激光技術(shù)中心合作，在端泵漸變摻雜Nd:YAG晶體熱效應(yīng)研究和激光輸出性能提升方面取得重要進(jìn)展：通過進(jìn)一步優(yōu)化漸變摻雜晶體的濃度分布，成功實(shí)現(xiàn)了近衍射極限光束質(zhì)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(yīng)的改善和轉(zhuǎn)換效率的提升提供了創(chuàng)新性的解決方案。相關(guān)成果發(fā)表于國際光學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊Optics & Laser Technology和Infrared Physics & Technology上。
增益介質(zhì)的熱效應(yīng)始終是制約激光技術(shù)發(fā)展的關(guān)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(chǎn)生顯著的溫度梯度和熱應(yīng)力等熱效應(yīng)，限制了應(yīng)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(yīng)。本研究聚焦端泵漸變摻雜Nd:YAG晶體的熱效應(yīng)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(yīng)力-應(yīng)變場的影響，為新型漸變摻雜晶體的優(yōu)化設(shè)計(jì)和生長提供了指導(dǎo)。
本研究理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jìn)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(yīng)力和端面變形，顯著提高了應(yīng)力斷裂極限的泵浦功率。研究團(tuán)隊(duì)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(yīng)的改善和激光性能的提升進(jìn)行了研究，當(dāng)808 nm半導(dǎo)體激光泵浦功率提高到110 W時(shí)，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(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)利用該晶體進(jìn)一步研制了高亮度的電光調(diào)Q激光器，設(shè)計(jì)了平-凸腔熱透鏡效應(yīng)補(bǔ)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(nèi)增益強(qiáng)度和模體積，顯著改善了熱效應(yīng)并提升了激光輸出性能。在2 kHz重復(fù)頻率下，獲得了12 W的1064 nm電光調(diào)Q激光輸出，相應(yīng)的峰值功率為882 kW，水平和垂直方向上的光束質(zhì)量分別為1.240和1.251，亮度達(dá)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(jì)錄。
研究表明優(yōu)化設(shè)計(jì)的低熱效應(yīng)、低摻雜的新型漸變摻雜晶體在高功率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)具有優(yōu)異的激光性能，實(shí)現(xiàn)了輸出功率、轉(zhuǎn)換效率和光束質(zhì)量的協(xié)同優(yōu)化，為漸變摻雜晶體的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)、端泵激光器熱效應(yīng)的改善和轉(zhuǎn)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(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
圖1 ?漸變摻雜晶體軸向截面的數(shù)值模擬結(jié)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(yùn)轉(zhuǎn)輸出功率 圖注：內(nèi)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(zhuǎn)換效率隨泵浦功率的變化
圖3?不同濃度晶體的調(diào)Q激光輸出功率隨著泵浦功率的變化 圖注：未標(biāo)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(shí)間；(b)相應(yīng)的脈沖序列；(c)光束質(zhì)量和光束輪廓；(d)30 min的輸出功率穩(wěn)定性
