连续激光二极管端泵Tm:YAG晶体棒热效应

根据激光二极管端面泵浦激光晶体工作特点的分析,建立了激光二极管端面泵浦Tm∶YAG晶体棒热模型,利用热传导理论,用有限元分析法对晶体棒的温度场、热应力场和端面形变量进行了数值计算。分析了激光能量分布不同的激光光束(圆形高斯光斑、椭圆形高斯光斑、圆形平顶光斑、方形平顶光斑)、泵浦光斑半径、Tm ^(3+)掺杂浓度对激光棒内部温度场分布及端面形变量的影响,并绘制三维分布图。结果表明,在稳定状态下,若激光二极管泵浦功率为30 W、泵浦光斑半径为400μm时,掺杂浓度为3.5at.%的Tm∶YAG晶体棒泵浦面的最高温升为124.55℃,其泵浦面的最大应力为246 MPa,沿晶体z轴最大应力为209 MPa,泵浦面最大热形变量为0.888μm。该研究为实现Tm∶YAG激光器的设计提供了理论指导。

紧凑高效型百瓦级2μm棒状Tm:YAG激光器

报道了一种结构紧凑、高效率、高功率的2μm棒状Tm∶YAG激光器。通过优化设计三向激光二极管(LD)侧面泵浦激光模块,提高了晶体棒内泵浦光的功率密度。激光谐振腔采用平平腔结构,包含单个激光模块,几何腔长为88 mm,整台激光器结构简单、紧凑且体积小。激光模块通过一个水冷机进行冷却,在冷却温度为12℃条件下,获得了最高功率为119 W、波长为2.02μm的激光输出,光-光转换效率为19.6%,斜率效率达32.7%。该激光器可在最大输出功率下连续稳定运转2 h,功率波动小于1%,晶体端面及光学元件表面不结霜。实验测得x和y方向的光束质量因子分别为21.01和21.68。这种紧凑、可靠、高效的百瓦级2μm激光器对于医疗和科学研究等应用具有重要意义。

超精密磨削YAG晶体的脆塑转变临界深度预测

钇铝石榴石(YAG)晶体是制造固体激光器的重要材料,超精密磨削是加工YAG晶体等硬脆材料零件的重要方法,研究硬脆材料加工表面的微观变形、脆塑转变机理对超精密磨削加工具有重要的指导作用。为了实现YAG晶体低损伤磨削加工,获得高质量表面,基于弹塑性接触理论和压痕断裂力学,通过分析单磨粒划擦作用下材料表面的变形过程,考虑材料的弹性回复、微观下力学性能的尺寸效应,建立了脆塑转变临界深度的预测模型,并计算得到YAG晶体的脆塑转变临界深度为66.7 nm。在此基础上,通过不同粒度砂轮超精密磨削YAG晶体试验对建立的脆塑转变临界深度预测模型进行验证,并计算不同粒度砂轮在相应工艺条件下的磨粒切深。结果表明,磨粒切深高于脆塑转变临界深度时,YAG晶体磨削表面材料以脆性方式被去除,磨削表面损伤严重;磨粒切深低于脆塑转变临界深度时,磨削表面材料以塑性方式被去除,能够获得高质量磨削表面,加工表面粗糙度达到1 nm。建立的脆塑转变临界深度预测模型能够为YAG晶体的低损伤超精密磨削加工提供理论指导。

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。

Tm∶YAG晶体的生长及吸收特性

采用提拉法生长出三种掺Tm3 + 浓度的Tm∶YAG晶体。运用ICP AES测定Tm3 + 离子在Tm∶YAG晶体中的分凝系数约为 1。室温下测定了Tm∶YAG晶体在 190～ 90 0nm之间的吸收光谱及 10 0 0～ 4 5 0 0cm-1范围内退火前后的红外吸收谱。测试结果表明 ,退火后 336 5cm-1处OH-1离子的吸收峰完全消失。说明在空气气氛下对Tm∶YAG晶体进行退火处理改善了晶体的性能。

提拉法Tm:YAG晶体的生长缺陷研究

采用提拉法(CZ)生长了质量优异的Tm:YAG晶体.部分晶片在1000℃的空气气氛中退火25h.借助光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM),结合化学腐蚀法,对Tm:YAG晶体退火前后(111)面的缺陷特征进行了研究. Tm:YAG晶体(111)面的位错腐蚀坑呈三角形. 在偏光显微镜下观察了退火前后Tm:YAG晶体(111)面的应力双折射.同时应用高分辨X射线衍射法测定了晶体的完整性.实验结果表明,长时间空气气氛下高温退火有效降低了晶体中总的位错密度,提高了晶体质量.

Cr,Tm,Ho∶YAG激光器的理论模拟

为了使CTH∶YAG激光器的设计得到更好的优化,从晶体光谱吸收特性、离子间能量转移过程及准三能级运转方式对CTH∶YAG激光器的工作特性进行了理论分析;依据速率方程理论建立了CTH∶YAG激光器运转的理论模型.模拟能量输出与试验结果较好的吻合,验证了此理论模型描述CTH∶YAG激光器运转规律的合理性.模拟结果表明:CTH∶YAG激光器的激光脉冲输出与泵浦有较长的时间延迟且伴随较强的驰豫振荡,冷却温度对激光输出产生较大的影响.

Tm:YAG激光器晶体热效应数值模拟

对采用晶体棒端部辅热方法实现低温工作的Tm:YAG激光器,建立了晶体棒热效应理论模型,采用有限差分法对晶体棒温度场、应力场及光学畸变进行模拟计算.模拟结果表明:辅热设计可显著减小晶体最大应力,减小应力损坏;端部辅热使得温度和应力分布复杂,引起折射率分布多变,但变化值小,说明端部辅热对光线在晶体内的传播影响微小;辅热区域结构紧凑,且对激光器封装产生的影响较小.

Cr,Tm,Ho∶YAG中Tm→Ho的能量转移

本文采用Boltzmann分布近似 ,计算了不同温度下Tm→Ho的净能量转移 ;计算了实验中不同温度下Ho3 + 离子的荧光发射强度在整个Tm—Ho体系荧光发射中的比例。我们的实验和计算表明 ,对Tm—Ho准三能级体系采用Boltzmann分布近似 。

2．1μm波长Cr，Tm，Ho∶YAG激光器的进展

根据国内外的文献资料对２．１μｍ波长Ｃｒ，Ｔｍ。

Cr,Tm,Ho:YAG激光器温度特性的数值分析

为了分析CTH:YAG激光器在受激跃迁时的温度特性,从速率方程中腔内光子数密度出发,考虑CTH:YAG的准三能级特性以及Tm-Ho准热平衡体系的影响,定义了相对振荡效能参量。采用数值模拟的方法,分析了相对振荡效能的温度特性,得到了其温度变化曲线。结果表明,CTH:YAG的相对振荡效能是温度的非线性减函数,且存在截止温度使腔内振荡无法产生;截止温度与Tm-Ho准热平衡体系的储能成正比,相对振荡效能也随Tm-Ho准热平衡体系的储能的增大而增大。这一结果为CTH:YAG激光器受激跃迁的温度特性提供了理论依据,对改善其工作特性和优化输出结果具有指导性意义。

多路高功率Cr,Tm,Ho:YAG激光器技术

文中介绍了四路Cr,Tm,Ho∶YAG激光器在设定时序下轮流工作,顺序耦合进一根320μm的低OH-石英光纤输出,可以成倍地提高Cr,Tm,Ho∶YAG激光治疗机的输出功率,从而能够适应不同的治疗目的和需要。在三路情况下,当单脉冲最大注入能量为100 J,重频30Hz时,激光器直接输出功率50.17W,光纤末端输出功率35.65W,耦合效率为71%。

重频Cr,Tm,Ho∶YAG激光器输出特性的实验研究

根据对 2 .1 μm波长Cr ,Tm ,Ho∶YAG激光器输出特性的实验研究 ,详细分析了腔长、输出镜透过率、全反镜曲率半径和水温等因素对激光器输出的影响。在镀银腔情况下 ,重频 5Hz时 ,激光阈值为 4 7J,斜效率为 1 .3% ,输入能量为 1 4 4J时 ,最大输出为 7.9W。重频 1 0Hz时 ,激光阈值为 4 5J,斜效率为 1 .1 % ,输入能量为 1 2 1J时 ,最大输出为 9.7W。

Cr，Tm，Ho：YAG激光器输出的实验研究

为了研究Cr,Tm,Ho∶YAG激光器输出脉冲能量和晶体温度的关系,利用有限元的方法计算了不同制冷温度和抽运功率情况下晶体内温度的分布,从而分析温度分布对激光实验输出的影响。控制制冷液温度在15℃、重频5Hz时,获得最大能量为217m J的脉冲输出,斜效率约为1.4%;而重频10Hz时,最大单脉冲输出仅为56m J,斜效率约为0.9%。结果表明,制冷温度和频率的增加都将大大增加激光的抽运阈值,同时降低输出效率。

Tm^（3＋）YAG晶体生长

本文研究Ｔｍ￣（３＋）：ＹＡＧ晶体生长、晶格常数、晶体形貌和有关生长的局域相图。晶体对高温辐射的吸收影响晶体中的温度分布。在低Ｔｍ￣（３＋）浓度区，晶格常数随Ｔｍ￣（３＋）浓度增大而减小。用晶体生长的方法，给出了Ｙ＿３Ａｌ＿５Ｏ＿（１２）－Ｔｍ＿３Ａｌ＿５Ｏ＿（１２）体系的局域相图。引上法晶体生长和熔化的相互作用起因于组分过冷，Ｔｍ￣（３＋）：ＹＡＧ生长时组分过冷不明显，仍能表现出固有的形貌。

2.1μm激光晶体Cr,Tm,Ho∶YAG的生长、光谱和激光性能

采用提拉法成功生长出了优质的Cr,Tm,Ho∶YAG晶体,并对其光谱及激光性能进行了研究。测量了晶体在350~2700 nm波段内的吸收光谱。用450 nm激光激发,测量了晶体的稳态和瞬态荧光光谱,拟合得到2.1μm激光上能级的寿命为10.65 ms。用F-L公式计算了晶体在2.1μm处的发射截面为6.92×10^(-20)cm^2,并与其他Ho^(3+)掺杂的激光晶体进行了对比。采用氙灯泵浦Cr,Tm,Ho∶YAG晶体棒,实现2.1μm的脉冲输出。在3 Hz和10 Hz时的激光阈值分别为33.11 J和33.88 J,斜效率均为4.5%,比市售成熟的激光棒的激光输出效率更高。

Tm:YAG激光器及其应用前景

文中叙述了Tm：YAG激光器和Cr，Tm：YAG激光器受激发射的理论，激光性能及其发展历史。把Tm：YAG激光器和Tm，Ho：YAG激光器作了全面比较。指出二极管泵浦的Tm：YAG激光器在各种运转条件下都是高效率的，在相干激光雷达和外科医学方面有广泛的应用前景。

掺Cr^(3+),Tm^(3+),Ho^(3+)离子的YAG晶体的光谱性能

作者测试了Ｃｒ３＋，Ｔｍ３＋和Ｈｏ３＋离子在ＹＡＧ晶体中的吸收谱、荧光谱及荧光衰减寿命。计算了Ｃｒ３＋向Ｔｍ３＋和Ｈｏ３＋及Ｔｍ３＋向Ｈｏ３＋的能量转移效率。表明在（Ｃｒ，Ｔｍ，Ｈｏ）：ＹＡＧ晶体中由于加入Ｃｒ３＋，Ｔｍ３＋离子，使Ｈｏ３＋离子被敏化，荧光强度增大。（Ｃｒ，Ｔｍ。

室温6.11mJ脉冲LD单端抽运Tm:YAG调Q激光器

由于2μm波段激光处于大气的窗口上,并且对人眼安全,因而在测风领域具有潜在的应用价值。该波段的激光器可以作为相干多普勒测风雷达和差分吸收雷达的光源。为了进行相干多普勒测风雷达光源的研究,报道了一种脉冲激光二级管(LD)单端抽运Tm:YAG调Q激光器。在实验中,采用L型平凹腔结构,利用声光Q开关实现大能量的激光输出。该激光器输出的激光中心波长为2 014.9 nm,在重复频率为100Hz情况下,调Q后获得最大单脉冲能量为6.11mJ,激光脉冲宽度为324.7ns,斜率效率为13.56%的激光输出。输出的脉冲激光的光束质量M2在x方向上为1.31,y方向上为1.35。

Tb^(3+)在YAG中的发光及Tb^(3+)与Tm^(3 +)间的能量传递

采用溶胶 -凝胶方法合成了系列化合物 (Y1 -x- yTbxTmy) 3Al5O1 2 ,研究了Tb3+在该化合物中的发光及其浓度对发光性质的影响 ,以及Tb3+与Tm3+间的能量传递现象。