水平定向结晶法生长浓度渐变Yb∶YAG激光晶体及光谱性能研究

本文采用水平定向结晶(HDC)法成功生长出180 mm×81 mm×16 mm的浓度渐变Yb∶YAG激光晶体,从放肩部位和尾部分别获取了尺寸为40 mm×40 mm×7 mm、70 mm×70 mm×7 mm的Yb∶YAG激光晶体板条各两件。采用632 nm激光、偏光应力仪对晶体板条的光学性质进行检测,实验结果发现靠近晶坯自由表面的板条内部通透,无散射光路,应力较小且分布均匀,表明该晶体板条具有优异的光学质量。进一步测试分析了晶体板条不同位置处的吸收光谱,根据935 nm波长处的吸收系数计算出Yb^(3+)的掺杂浓度,发现40 mm×40 mm×7 mm的激光晶体板条中Yb^(3+)掺杂浓度沿晶体生长方向逐步增加,浓度梯度约为0.42%/cm;而70 mm×70 mm×7 mm的激光晶体板条中Yb^(3+)掺杂浓度几乎保持不变,约为4.50%。

宽温区Yb∶YAG板条激光模块热畸变仿真研究

本文对不同冷却温度下的Yb:YAG晶体板条激光模块高功率运转时的温度场、应力场及对应的热畸变进行了仿真分析研究。结果显示,随着冷却温度从300 K降低至77K,板条的温度梯度热应力与应变都明显降低。当冷却温度为77 K时,最大主应力为4.14 MPa,仅为常温时的15.6%,最大主应变为3.82×10^(-5),仅为常温时的6%。为了分析Yb:YAG晶体板条激光模块不同冷却温度下输出激光的光束质量,以确定其最佳运转温度,我们采用光线追迹的方法,对单程通过板条的1030 nm探测光进行仿真。可以看到,当冷却温度为77 K时,远场光斑能量更为集中,且探测光光程差的PV值为0.7941μm,仅为300 K时的59.6%。模拟结果表明低温运转有利于Yb:YAG晶体板条激光模块产生高功率高光束质量激光输出,这为高功率高光束质量Yb:YAG晶体板条激光的设计工作奠定了基础。

基于零声子线泵浦的高效率Yb∶YAG薄片激光器

高功率激光器在工业应用领域的需求不断增长,提高光-光转化效率是降低其生产制造成本的关键途径。针对提高激光器光-光转化效率所面临的增益介质的热负荷问题,利用锁定波长的969 nm“零声子线”泵浦、自主研制的高性能Yb∶YAG薄片晶体和48冲程泵浦系统等,搭建了高效的连续Yb∶YAG薄片激光器系统,实现了最高输出功率373 W,光-光转化效率可达73.37%。其优异性能为后续开展千瓦级超快Yb∶YAG薄片激光器研究奠定了基础。

Yb∶YAG晶体荧光性能的调控研究

为了对Yb∶YAG晶体荧光性能进行调控以使其更好地应用于高能脉冲型激光器,结合密度泛函理论和晶体场理论,对掺杂调控后的Yb∶YAG晶体的电子结构、光谱学性质进行了理论计算,分析了不同粒子掺杂和占据格位情况下Yb∶YAG晶体的荧光性能,并在此基础上计算配方完成晶体生长实验、制备样品进行荧光性能测试验证。结果表明,通过以上过程掌握了Yb∶YAG晶体荧光寿命等参数的调控方法,共掺Cr后的Yb∶YAG荧光寿命可以从1.18 ms降低至0.94 ms。该研究为Yb∶YAG晶体实现高能脉冲激光应用奠定了理论和实验基础。

提拉法生长直径10英寸优质Yb∶YAG激光晶体

设计制作了直径10英寸Yb∶YAG激光晶体生长热场,改进了单晶炉称重与旋转系统结构,采用感应加热熔体提拉法结合上称重自动控径技术,成功生长出了直径252 mm、等径长近260 mm的完整Yb∶YAG晶体,晶坯外观完整,无开裂。在5 mW绿光激光和20 mW He-Ne激光照射下检测,晶坯整体无散射。经检测性抛光后,晶坯选材扇区内光学均匀性较好,应力分布均匀。选择口径为152 mm×11.5 mm、长为260 mm的板条区域进行测试,透过波前畸变为0.29λ/inch@633 nm,表明晶坯具有良好的光学质量,可以选切加工宽度达到150 mm的大尺寸晶体板条元件。

全固态Yb∶YAG激光器发展现状

介绍了Yb∶YAG晶体的激光特性,分析了Yb∶YAG 1030 nm激光器、1049 nm激光器、倍频激光器、可调谐激光器以及新型陶瓷激光器的发展现状。

四程抽运Yb∶YAG薄片激光器

设计了四程抽运的Yb∶YAG薄片激光器。选用掺杂原子数分数为10%,几何尺寸为Φ10 mm×300μm的薄片状Yb∶YAG晶体,采用铟焊工艺将其焊接到水冷系统上,用可调式恒温水箱对其进行温度控制。使用两个Φ=30 mm,R=50 mm的球面反射镜,完成了四程抽运。利用蒙特卡罗方法对抽运光斑的大小进行了计算,将反射镜轴向与光纤头轴向夹角控制在12°以内,以使抽运光斑半径与基模光斑半径比符合模式匹配原则。在LDA抽运功率为4.13 W时,获得了最高功率为670 mW的1030 nm连续激光输出,光-光转换效率为16.2%。实验结果表明:该结构可降低激光介质的热透镜效应和应力双折射效应,获得高光束质量的激光输出,但散热系统和焊接工艺需进一步优化。

双波长Yb∶YAG连续激光理论及实验研究

报道了Yb∶YAG双波长激光振荡阈值的理论结果,实验获得了连续双波长激光输出.实验中,采用紧凑的平凹腔结构、940nm光纤耦合LD端面泵浦方式,Yb∶YAG晶体作为激光晶体,采用10%、15%和20%的输出耦合镜,分别实现了单波长和双波长激光输出,在最高泵浦功率为20 W时,输出耦合率分别为10%、20%,最高获得3.94W的1 050nm激光和3.40 W的1 030nm激光,对应的光光转换效率分别为19.7%和17.0%;当输出耦合率为15%、泵浦功率为11.7 W时,获得0.79 W的双波长激光,对应的光光转换效率为6.8%,功率比为1∶1.3,通过光栅光谱仪测量得到双波长谱线中心分别为1 030.31nm和1 047.50nm;当1 030nm激光功率为3.0 W时,30min内输出功率RMS稳定性优于0.18%.该实验结果与理论分析相吻合,可应用于设计稳定可靠的掺Yb双波长激光器.

强辐射对Yb∶YAG超快无机闪烁探测器灵敏度影响的实验测量

为了给强脉冲辐射场中应用超快闪烁探测器进行精密物理测试以及相关晶体抗核加固提供实验测量数据参考,针对近年新研制的Yb∶YAG超快无机闪烁体与GD40光电管构成的快闪烁探测器,在源强近万居的强稳态辐照场中,细致测量了辐射累计伽马剂量从约1 Gy开始到最高约1 k Gy全过程中Yb∶YAG超快闪烁探测器输出电流的变化数据;在测点注量率大于1017cm-2·s-1的"强光一号"短γ脉冲辐射场中,测量了Yb∶YAG超快闪烁探测器输出脉冲波形响应情况。实验测量结果表明:在强稳态辐射场情况下,对应累计剂量5~10Gy时,YAG(Yb)闪烁探测器灵敏度下降约5~10%(相对辐照1 Gy时的情况);测点累计伽马剂量约1 k Gy时,Yb∶YAG超快闪烁探测器的电流输出与约1 Gy时的比值约50%;短γ脉冲辐射情况下,测点累计注量约4×109cm-2,Yb∶YAG超快闪烁探测器输出电流约1 A时,灵敏度下降约10%(相对累计注量约3×109cm-2的情况),当测点注量大于1010cm-2(累积剂量超过100 m Gy),Yb∶YAG超快闪烁探测器会出现较明显的损伤现象。

0.5at%Yb∶YAG晶体光谱与激光性能研究

采用提拉法生长Yb3+掺杂浓度为0.5at%高质量的Yb∶Y3Al5O12(Yb∶YAG)晶体。对晶体的结晶质量、分凝系数和光谱和激光性能进行了表征。结果表明:所生长的晶体结晶质量较好,在空气中退火后晶体吸收系数略有增加,晶体中自吸收效应的影响很小,具有宽的发射带。Yb∶YAG晶体和Yb∶YAG/YAG复合晶体分别在抽运功率为7.1 W和6.15 W的LD抽运下,获得2.19 W和1.354 W的连续激光输出,斜率效率分别为34.58%和25.9%。

LD端面泵浦变热导率圆片Yb∶YAG激光器的热效应

针对激光二极管端面泵浦圆片Yb∶YAG晶体产生的热效应问题,以实际工作特点为基础,通过热传导理论分析了热效应。分析了不同泵浦功率、超高斯阶次、光斑半径、晶体尺寸因素对变热导率圆片Yb∶YAG晶体温度场的影响。研究结果表明,使用泵浦功率为60W、超高斯阶次为5、光斑半径为400μm的泵浦光对含质量分数为8%、晶体半径为4mm、厚度为0.5mm的圆片Yb∶YAG晶体进行泵浦,在将晶体的热导率分别视为常量和变量时,泵浦端面获得的最大温升分别为52.15℃和59.51℃。根据计算结果,设计了适合的激光器热稳腔,能充分抑制激光器产生的热效应问题。

直接水冷的Yb∶YAG薄片激光器系统设计与实验研究

设计了一台二极管泵浦的具有新型四通泵浦结构及接触式水冷装置的Yb∶YAG薄片激光器.激光泵浦源采用中心波长为940nm的二极管激光器,利用多模光纤进行耦合输出.YAG晶体Yb3+离子掺杂浓度为10%,几何尺寸为直径10mm,厚度500μm.激光晶体的散热装置采用自来水直接冷却,自来水通过铜热沉中打通的V型槽与薄片晶体直接接触.泵浦耦合系统采用聚焦透镜和一对直角棱镜的组合实现四通泵浦,聚焦透镜规格为直径50mm,焦距50mm.模拟了谐振腔的稳定性及不同腔长条件下所对应的激光光斑半径,设计了不同腔型的Yb∶YAG薄片激光器.在F-P腔中采用透过率为5%的输出耦合镜,获得了最高功率为3.28W的1 031nm连续激光输出,光束质量因子M2x=1.79,M2y=1.86,斜效率为20.5%.

Yb∶YAG超快闪烁晶体研究进展与展望

Yb3+离子掺杂YAG晶体(Yb∶YAG)作为一种性能优良的激光晶体已广泛应用于高效、高功率激光领域。最新研究表明,Yb∶YAG晶体响应时间可达0.411 ns,其优良的超快闪烁特性在超快脉冲辐射探测、惯性约束核聚变、空间辐射探测、核反应动力学等领域的应用引起了广泛关注,使得Yb∶YAG晶体成为超快闪烁材料研究的热点。关于Yb∶YAG的闪烁特性,文章在系统介绍Yb∶YAG作为超快闪烁晶体研究进展和发光机理的基础上,归纳总结了掺杂种类、浓度、后处理工艺、辐照、格位尺寸大小、温度等对Yb∶YAG晶体闪烁性能的影响。然后,针对Yb∶YAG目前存在的问题,给出相应的解释并提出通过离子共掺调控来改善其闪烁性能的方法。最后,对Yb∶YAG超快闪烁晶体未来的发展方向进行了展望。

提拉法生长直径8 inch Yb∶YAG激光晶体

设计制造了适于生长直径8inchYb∶YAG激光晶体的生长系统和热场,采用感应加热提拉法成功生长出了直径8英寸Yb∶YAG激光晶体,晶体等径部分最小直径202mm,等径长超过215mm,总重63.7kg,晶体外形完整,内部无气泡、包裹物、开裂等宏观缺陷,5mW绿光激光照射下,未见散射颗粒。

LD端面泵浦变热导率方形Yb∶YAG微片晶体热效应

针对激光二极管端面泵浦方形Yb∶YAG微片晶体产生的热效应问题,运用半解析方法计算该晶体的温场分布。根据连续LD端面泵浦方形Yb∶YAG微片晶体的工作特性,建立符合实际工作情况的热模型,构造初始条件和边界条件。同时考虑到晶体的热导率是温度的函数,并结合牛顿法求解热传导方程,得到晶体温度场的一般解析表达式。定量分析了不同的泵浦功率、超高斯阶次、光斑半径、晶体厚度因素对变热导率方形Yb∶YAG微片晶体温度场的影响。结果表明:使用泵浦功率为80 W、超高斯阶次为1、光斑半径为400μm的泵浦光对含方形Yb∶YAG微片晶体质量分数为8.0%、晶体的尺寸为4×3×1mm3进行泵浦,将晶体的热导率视为常量和变量时,泵浦端面获得的最大温升分别为41.25℃和52.14℃。研究结果对减小全固态Yb∶YAG晶体的热效应问题具有指导意义。

二极管泵浦Yb∶YAG准三能级1024nm薄盘激光器

采用二极管泵浦Yb∶YAG晶体实现准三能级连续1024 nm薄盘激光器,1024 nm谱线是由Yb∶YAG晶体内的2F5/2-2F7/2能级跃迁实现的,实验中采用折叠腔结构。泵浦光16次通过Yb∶YAG晶体,当注入泵浦功率为17.9 W时,1024 nm激光输出功率为370 mW,通过采用I类临界位相匹配LiB3O5(LBO)晶体进行腔内二次谐波倍频,获得最大输出功率为45 mW的512 nm蓝-绿激光稳定输出,蓝-绿色激光30 min功率稳定度优于4.3%。

主动镜结构Yb∶YAG激光器的热效应研究

以主动镜背冷结构Yb∶YAG为研究对象,借助有限元分析软件,并根据Yb∶YAG的三能级结构特点,系统分析比较了不同泵浦光特性和冷却条件下激光晶体内部稳态和瞬态下的温度及应力分布。分析结果表明,泵浦光的均匀性对激光晶体内部的温度梯度有较大影响,此外,同等泵浦和冷却条件下,瞬态下的温度梯度峰值大于稳态下的温度梯度峰值。分析结果对于固体激光器的设计有一定的借鉴作用。

Yb∶YAG晶体的荧光特性研究

测量了不同掺杂浓度Yb∶YAG晶体氧化和还原气氛退火前后的色心吸收光谱、荧光光谱和荧光寿命 研究了色心对Yb∶YAG晶体的荧光强度和荧光寿命的影响 结果表明 ,只有当Yb的掺杂浓度大于 10at.%时 。

Yb∶YAG晶体的晶胞参量及Yb^(3+)分凝系数的研究

应用提拉法生长出不同Yb3+ 浓度的Yb3xY3( 1-x) Al5O12 晶体 Yb3+ 离子的分凝系数 1是 1 .0 8±0 .0 1 ,与Yb3+ 离子掺杂浓度无关 研究了Yb3xY3( 1-x) Al5O12 晶体的晶胞参量 ,推导出联系晶胞参量、密度与Yb3+

Yb∶YAG晶体的生长与激光性能

采用中频感应提拉法生长出了掺杂浓度的原子分数高达２０％的Ｙｂ∶ＹＡＧ晶体，探索了合适的晶体生长、退火工艺参数；研究了晶体中的杂质离子和色心；选用ＩｎＧａＡｓ半导体激光泵浦，通过激光腔的设计，研究了晶体的激光性能，获得了１０３０ｎｍ波长３００ｍＷ的脉冲激光输出，斜率效率为３０％。