利用非线性损耗提升全固态单频激光器输出功率研究进展(特邀)

全固态单频连续波激光器因其噪声低、线宽窄、光束质量好、功率稳定性高等优点已经被广泛应用于产生非经典光场、冷原子物理研究、引力波探测等诸多领域。随着科学技术的不断发展,传统的全固态激光器的输出功率已经不能满足前沿领域的需求,因此亟需在保持全固态激光器整体性能的同时进一步提升激光器的输出功率。为此首先需要更高的泵浦功率,而这将使激光器内部增益提高,在腔内损耗不变的情况下,原非振荡模式也将满足起振条件,从而使激光器在跳模或多模状态下运转。此外,激光晶体的热效应和损伤阈值也限制了输出功率的提高。本文介绍了一种利用非线性损耗大幅度提升全固态单频连续波激光器的输出功率的技术和方法。通过在谐振腔中引入非线性损耗,使主模经受的非线性损耗是次模的一半。在模式竞争的作用下,谐振腔内的模式被更进一步的选择,从而允许全固态单频激光器在更高的增益下保持单纵模运转。通过在谐振腔内插入多块增益晶体可以有效缓解由于激光增益晶体热效应的限制,从而实现更高功率的单频激光输出。目前高功率全固态连续波激光器的输出功率已经达到了一百瓦的量级,且还在进一步提高。通过在谐振腔内引入非线性损耗,全固态单频连续波激光器的整体性能在得以保障和提高的同时,其应用范围也得到了进一步的推广。

C-cut Tm:YAP晶体连续光特性实验研究

掺铥铝酸钇晶体(Tm:YAlO_(3),Tm:YAP)具有机械性能与热力学性能优良、发射截面大等优点,可用商用半导体激光器(laser diodes,LD)作为泵浦源,是2μm光源的理想增益介质。由于Tm:YAP晶体具有各向异性,不同切向轴向摆放下的激光输出特性有所不同。本文使用793 nm的LD作为泵浦源,研究了c向切割(c-cut)Tm:YAP晶体在激光偏振方向平行于a轴(E//a)和激光偏振方向平行于b轴(E//b)下的连续光运转输出特性以及波长调谐输出特性。研究表明:在28 W的泵浦功率下,当E//a时,Tm:YAP激光器连续光输出功率为8.66 W,斜率效率为32.1%;当E//b时,Tm:YAP激光器连续光输出功率为8.41 W,斜率效率为31.1%;在腔内以布儒斯特角插入双折射滤光片对输出激光波长进行调谐,在15 W的泵浦功率下,当E//a时,输出激光波长调谐范围为1 888.8~2 084.4 nm,调谐宽度为195.6 nm;当E//b时,输出激光波长调谐范围为1 889.6~2 043.1 nm,调谐宽度为153.5 nm。实验结果表明,c-cut Tm:YAP晶体沿a轴和b轴放置时都可以实现高功率高效率的连续光输出及宽范围的波长调谐,且E//a时和E//b时的波长调谐曲线形状近似互补,有潜力实现高功率窄脉宽的激光输出。

2μm单纵模全固态脉冲激光技术研究进展(封面文章·特邀)

2μm激光属于人眼安全波段,具有高大气透过率和水吸收特性,能覆盖CO_(2)等温室气体的吸收峰,因此在大气环境监测、光通信、激光雷达、材料加工、医疗手术等领域有广泛应用。其中,单纵模运转的全固态2μm脉冲激光器以其高稳定性、窄线宽和优良的光束质量等优势,可作为多普勒测风、相干差分吸收等激光雷达应用的优质光源,在工业、国防和科研等领域具有重要意义。目前,实现2μm激光输出的主要方法有光参量技术和直接泵浦法。相比光参量技术,直接泵浦法更具高效率、可调节性和集成性等优点,已成为2μm全固态激光的主流方式。文中总结了常用的2μm固体激光增益介质,分析了空间结构振荡器单纵模选择的原理和特点,综述了2μm单纵模全固态脉冲激光的研究进展,并对不同结构激光器的输出特性进行了比较,最后对2μm单纵模全固态脉冲激光的发展前景进行了展望。

全固态Nd:GdVO_(4)四倍频228 nm深紫外激光器

在室温下实现全固态Nd:GdVO_(4)激光器四倍频228 nm深紫外脉冲输出。本文采用LD端面泵浦912 nm Nd:GdVO_(4)、声光调Q技术和LBO/BBO级联倍频产生228 nm脉冲激光,并通过理论和实验优化激光器参数设计,最终在LD泵浦功率为23.5 W时,重复频率在10 kHz下,获得了平均功率为14 mW的228 nm深紫外光输出,其脉冲宽度为59 ns,光斑呈椭圆形。

全固态连续拉曼激光器谐振腔结构的设计分析

谐振腔结构参数的选择对激光器性能提升尤为重要。采用ABCD传输矩阵法对连续波全固态拉曼激光器谐振腔的结构设计进行理论分析,详细研究了直线腔和折叠腔两种腔结构中晶体热透镜效应以及腔镜曲率半径、腔长等参数对腔内振荡激光腔模参数的影响。在研究实现振荡基频激光与抽运光斑良好模式匹配的同时,减小拉曼介质中基频激光光斑尺寸,以获得高效率的拉曼转换,提高拉曼激光的输出功率和光束质量。所得研究结果将为优化设计拉曼激光器谐振腔的结构提供参考。

高平均功率腔内和频蓝光Nd∶YAG激光器

高平均功率蓝光激光是当前固体激光技术研究热点之一。尽管通过 Nd3+的4F3/2→4I9/2态谱线倍频可获得瓦级蓝光输出,然而其准三能级物理特性严重限制其更高功率输出。研究了 Nd3+ 离子4F3/2→4I13/2态1.3μm谱线腔内三倍频产生高平均功率蓝光激光,获得4.3 W蓝光激光输出,重复频率 3.5kHz,脉冲宽度150±10 ns,光束质量M2 因子约为5±1。研究表明:Nd∶YAG晶体1.3μm多谱线振荡是制约实验结果的重要因素,若克服多谱线振荡问题,有望获得10 W级蓝光激光输出。

Cr^(4+)∶YAG被动调Q4倍频全固态紫外激光器的研究

设计了LD泵浦Cr4 + ∶YAG被动调Q的全固态Nd∶YAG脉冲红外激光器。腔外首先经过焦距为10 0mm的聚焦透镜 ,将 10 6 4nm的红外激光耦合到长为 9mm的KTP 2倍频晶体中 ,得到平均功率为 2 9mW的脉冲绿光。然后将 5 32nm的脉冲绿光经过焦距为 30mm的聚焦透镜 ,耦合到长为 4mm的BBO 4倍频晶体上 ,获得了峰值功率为 7.3W ,平均功率为 1.1mW ,重复频率为 12 .5kHz,脉冲宽度为 12ns的 2 6 6nm紫外激光 ,其绿光 紫外光的转换效率为 3.8%,红外光 紫外光的转换效率为 0 .7%。

激光晶体的现状及发展趋势

在分析激光晶体的研究现状的基础上,指出其未来应用及主要发展趋势:面向先进制造技术、激光武器等应用的(1μm波段)高功率、大能量激光晶体;面向人眼安全、遥感、光通讯、医疗等应用的红外激光晶体;面向全色显示、光刻等应用的蓝绿紫和可见光激光晶体;LD泵浦超快激光增益和放大介质材料．

厚硅片的高速激光切片研究

基于激光切片原理的分析,给出了厚硅片的高速激光切片方法,采用平凸腔补偿工作物质的热透镜效应,利用Nd∶YAG棒本身的自孔径选模作用,获得了光束质量因子M2等于4.19的50 W 1.064μm激光输出。选取合适的扩束倍数、重复频率和出气孔直径,当切割0.75 mm厚的硅片时,切片速度达400 mm/min;当切割两层叠放的0.75 mm厚的硅片时,切片速度达到100 mm/min。切片的切口光滑,切缝较窄,重复精度高,切片质量好,达到用传统方法难以达到的切片效果。

全固态355nm连续紫外激光器的优化设计

通过优化腔型设计,实现了LD端面抽运Nd:YVO4腔内三次谐波转换全固态连续355 nm紫外激光器高效率输出。选用平-凹腔结构并考虑到Nd:YVO4晶体的热透镜效应、模式匹配、倍频晶体位相匹配等因素对输出功率的影响,对谐振腔长进行了详细的分析计算。在激光谐振腔内,1 064 nm的基频波经KTP晶体倍频产生532 nm激光,二者再经LBO晶体和频获得了355 nm紫外激光。当LD抽运功率为3 W时,355 nm连续紫外激光输出功率达6.4 mW。与折叠腔进行比较,发现在小功率抽运情况下,直腔结构紧凑、易于调节、输出功率较大。

1.1 W内腔和频连续波橙黄光Nd∶YVO_4激光器(英文)

研制了一种由激光二极管阵列端面泵浦的Nd∶YVO4晶体腔内双波长和频连续波大功率橙黄光激光器。利用I类临界相位匹配LBO,由1 064 nm和1 342 nm内腔和频获得了593 nm橙黄激光。在12 W注入泵浦功率下,获得了1.1 W的TEM00模和低噪声橙黄激光输出,光光转换效率为9.2%,M2因子<1.2,4 h功率不稳定度<±2%。该输出功率是目前腔内和频593 nmNd∶YVO4激光器中最高的。

LD抽运高功率连续1319nm Nd:YAG激光器的研究

报道了一台LD侧面泵浦的 13 19nmNd :YAG激光器 ,理论分析了激光器的振荡阈值和最佳透过率 ,并在腔长 15cm ,泵浦电流 2 3A ,耦合输出镜透过率为 8%的条件下 ,获得 13 19nm最大连续输出 85W。

全固态激光器中掺Nd^(3+)离子激光晶体热效应的研究

激光晶体吸收激光二极管的泵浦光能量 ,产生激光振荡的同时有相当一部分泵浦光能量会转变为激光晶体的热量并耗散在晶体内 ,产生的热效应严重影响到激光器的性能和品质。通过对于激光晶体端面泵浦方式的分析 ,利用半解析热分析方法得出了晶体内部温度场和热形变场的计算方法 ,并对几种典型的掺Nd3 + 离子晶体的温度场和端面热形变场及其产生差异的原因进行了定量分析。研究方法和得出结果可以应用到内有热源、具有轴对称形式的模型中 。

全固态589nm激光器及其钠导星激发亮度

研制了一台LD侧面泵浦和腔内和频结构的小型全固态589nm激光器,报道了利用该激光器激发钠导星亮度的实验研究结果。通过数值模拟分析并设计了谐振腔腔长、晶体位置等,使其具有体积小、转换效率高等特点。研制了一套时域匹配电源用于补偿两路激光脉冲的时间差。对分束镜双侧进行特殊镀膜,获得了相应的线偏振光并提高了转换效率和热稳定性。采用插入标准具、特殊镀膜等技术抑制了1 338nm谱线的振荡。最后设计了相应的发射望远镜和接收系统用于钠激光导星的观测。测试结果表明,该激光器的输出功率大于8 W,重复频率为5kHz,线宽小于3.5GHz,对应808nm泵浦功率的转换效率达到2%。在长春市内天光背景下,冬季实验激发的导星亮度可达10.0等。

多波长半导体激光阵列端泵Nd∶YAG脉冲激光器

研制了无温控多波长激光二极管阵列端面泵浦Nd∶YAG电光调Q激光器。采用4 000 W多波长准连续激光二极管阵列作为泵浦源,快轴准直镜与透镜导管作为泵浦耦合系统,端面泵浦6 mm×60 mm的Nd∶YAG晶体,并采用RTP晶体进行电光调Q实验。在重复频率5 Hz、室温(25℃)时,激光器获得了最大输出能量74.4 m J、脉宽15 ns的1 064 nm脉冲激光输出,光光转换效率达到11%。在25~55℃的工作温度下,对多波长LDA的光谱特征与激光器的输出特性作了测试,激光器输出能量随着工作温度的上升而先迅速下降再逐步保持稳定,当重复频率分别为5 Hz和10 Hz时,激光器对应的最低输出能量分别为48 m J与37 m J。

高重频双端泵浦全固态Nd∶YVO_4声光调Q激光器

采用国产大功率光纤束模块,双端面泵浦两块Nd∶YVO4激光晶体,采用高衍射效率声光调Q技术,在注入总功率50W,最高重频100kHz的条件下,获得平均输出功率为18.21W的1064nm激光输出。脉冲宽度为62ns,相应光光转换效率为36.4%。在最低重频10kHz时,具有最大单脉冲能量1.3mJ,相应脉冲宽度为16.4ns,峰值功率达到了80kW。

LD端面泵浦腔内倍频Yb：YAG绿光激光器

报道了一种激光二极管(LD)端面泵浦10at%掺杂Yb:YAG激光晶体(4×4×1mm)和Ⅰ类临界相位匹配LBO的腔内倍频全固态绿光激光器.为了克服"绿光问题",采用了两个激光二极管偏振耦合系统.在双路泵浦功率为1.2W时,获得最高功率为40mW525nm的连续基模激光输出.在腔内插入Cr4+:YAG饱和吸收体被动调Q,在泵浦功率为1.2W时,可以获得平均功率为5.2mW,脉冲重复频率为2.44kHz,脉冲宽度为51.5ns,峰值功率为41.7W的515nm脉冲激光输出.输出波长发生变化,而且515nm脉冲激光输出的阈值仅为728mW.

半导体激光端泵腔内倍频Nd:YVO_4/LBO连续波8W绿光激光器(英文)

利用两个半导体激光二极管 ,双端泵浦Nd∶YVO4 晶体 ,LBO采用I类非临界相位匹配、腔内倍频 在 2 8.9W的泵浦功率下 ,获得了 8W连续波 0 .5 32 μm绿光输出 ,其光—光转换效率为 2 7.7%

LD端面泵浦全固态绿光激光器耦合系统研究

目的 为了研究泵浦光与基模光的模式匹配问题。方法 利用矩阵光学方法,推导了高斯光束经耦合系统聚焦后束腰宽度和像距的计算公式。结果 计算出了焦点位置与晶体端面的距离。结论 以此计算结果为依据,实现了8 0W的532nm绿光激光输出。

LD脉冲泵浦被动调Q窄脉冲大能量全固态激光器

利用Nd:YAG/Cr4+:YAG键合微片激光晶体研制了被动调Q大能量窄脉冲的全固态激光器,激光器采用脉冲激光二极管泵浦方式,设计了本振级和两级放大结构,分析了激光器系统的自激振荡和其抑制方法,在激光器本振级获得稳定脉冲激光输出的基础上,当两级放大器泵浦电流分别为83A和85A时,获得了最大单脉冲输出能量为120mJ,脉冲宽度为1.28 ns的1 064 nm激光输出,激光通过倍频后可得到65mJ的532nm绿光输出,其窄脉宽和高光束质量特性可为飞秒激光器啁啾放大提供良好的泵浦源。