【儀表網 研發快訊】近期，中國科學院合肥物質院健康所醫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：通過進一步優化漸變摻雜晶體的濃度分布，成功實現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新性的解決方案。相關成果發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展的關鍵瓶頸。傳統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)，創下了單端泵浦單棒Nd:YAG激光器亮度的新紀錄。
研究表明優化設計的低熱效應、低摻雜的新型漸變摻雜晶體在高功率運轉時具有優異的激光性能，實現了輸出功率、轉換效率和光束質量的協同優化，為漸變摻雜晶體的進一步優化設計、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的輸出功率穩定性
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