近期，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)院安光所張慶禮研究員團(tuán)隊(duì)與江海河研究員團(tuán)隊(duì)合作，在梯度濃度激光晶體研究中取得新進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)了高對(duì)稱性梯度濃度激光晶體元件，為雙端泵浦激光技術(shù)提供了新型增益介質(zhì)，有效改善了熱效應(yīng)，優(yōu)化了激光性能。相關(guān)研究成果以《用于雙端泵浦的高對(duì)稱性梯度濃度0.17-0.38-0.17 at% Nd:YAG晶體元件》為題，發(fā)表在光學(xué)領(lǐng)域國(guó)際知名期刊Optics Express上。

在固體激光技術(shù)中，激光增益介質(zhì)的熱效應(yīng)是限制激光性能提升的技術(shù)瓶頸之一。激光運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中晶體元件溫度分布不均勻是產(chǎn)生熱效應(yīng)的主要原因。目前，改善激光晶體熱效應(yīng)的方法主要包括優(yōu)化晶體形狀、調(diào)整泵浦模式以及改進(jìn)冷卻方式等。

研究團(tuán)隊(duì)前期通過(guò)類泡生方法生長(zhǎng)了不同梯度濃度Nd³⁺摻雜的激光晶體，并對(duì)單端泵浦的梯度濃度晶體進(jìn)行了激光性能和光譜性能研究，研究結(jié)果證實(shí)梯度濃度激光晶體可有效提高泵浦吸收的均勻性，改善熱效應(yīng)。

為了進(jìn)一步優(yōu)化熱效應(yīng)，本研究創(chuàng)新研制高對(duì)稱性梯度濃度晶體元件，結(jié)合雙端泵浦方式，實(shí)現(xiàn)晶體元件的溫度均勻性和激光性能的提升。高對(duì)稱性梯度濃度晶體元件是由兩支濃度變化率相同的元件通過(guò)高溫鍵合而成，元件的中心濃度高，兩端濃度低，且濃度變化趨勢(shì)相同。在前期生長(zhǎng)的0.17-0.38 at% 梯度濃度Nd:YAG和0.18-0.32 at% 梯度濃度Nd:GdYAG晶體中選取元件，制備了兩根對(duì)稱梯度濃度激光晶體棒，一根為0.17-0.38-0.17 at% Nd:YAG，另一根為0.18-0.32-0.18 at% Nd:GdYAG，尺寸均為Φ3 mm×80 mm。

采用808nm半導(dǎo)體激光器進(jìn)行雙端面泵浦，20 W泵浦功率下，0.17-0.38-0.17 at% Nd:YAG晶體棒的兩端與中間的溫度差僅為37℃，與均勻濃度0.6 at% Nd:YAG棒的溫度差相比，降低了三分之二。0.17-0.38-0.17 at% Nd:YAG晶體棒的最大輸出功率為14.47 W，斜效率為51.7%，分別比0.6 at% Nd:YAG 提高了45.1%和62.1%。在9 W輸出功率下，0.17-0.38-0.17 at% Nd:YAG晶體棒的光束質(zhì)量因子為M_x2 = 2.347 和M_y2 = 2.217，顯著優(yōu)于0.6 at% Nd:YAG的M_x2 = 2.961 和M_y2 = 4.061。0.18-0.32-0.18 at% Nd:GdYAG的性能均優(yōu)于0.6 at% Nd:YAG，但受限于自身熱導(dǎo)率的限制，激光性能略差于0.17-0.38-0.17 at% Nd:YAG。

研究結(jié)果表明，高對(duì)稱性梯度摻雜激光晶體元件是用于雙端泵浦的出色增益介質(zhì)，能有效減輕熱效應(yīng)并提升激光性能。

該研究工作得到國(guó)家自然基金面上項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院青促會(huì)、安光所基礎(chǔ)研究青年團(tuán)隊(duì)的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1364/OE.571694

圖1 高對(duì)稱性晶體元件制備示意圖和元件實(shí)物

圖2 不同泵浦功率下，晶體元件的熱分布

圖3 激光性能：(a)0.17~0.38~0.17 at% Nd:YAG; (b)0.18~0.32~0.18 at% Nd:GdYAG; (c)0.6 at% Nd:YAG

圖4光束質(zhì)量