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。

1116 nm单频脉冲Nd∶YAG激光器

针对共振荧光测风雷达的探测需求,设计和研制了种子注入的Nd∶YAG电光调Q单频1116 nm脉冲激光器,采用带偏置电压反馈的扫描-触发谐振探测技术,建立了1116 nm单纵模振荡,并对中心频率稳定性进行分析。最终实现输出1116 nm激光单脉冲能量6.48 mJ,重复频率60 Hz,输出线宽为33.2 MHZ,脉冲宽度为75.7 ns。通过波长计测量输出光波长,波长稳定在1116.2979 nm附近。利用外差拍频,测定120 min中心频率稳定性(均方根)为818.3 kHz。该激光器输出光通过三倍频可变换至372 nm,作为铁共振荧光多普勒测风激光雷达的发射光源,频率抖动量对应的风速测量误差小于1 m/s。

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。

Defining the optimal gradient doped Yb^(3+):YAG disk for room and low temperature diode pumped solid-state laser operations

We propose a general methodology to define the optimum doping ion volume distribution required for an efficient solid-state laser amplifier. This approach is illustrated in the context of two experimental diode pumped Yb:YAG amplifiers operating at 300 and 160 K. Processing of such tailored gain media is now possible through horizontal direct crystallization.

高功率266 nm全固态单频连续波激光器研究进展

高功率单频连续波266 nm激光在大容量信息存储、高分辨光谱监测及高精度紫外光刻等领域具有重要应用价值,近年来已成为国内外紫外激光领域的研究热点之一。文中首先综合比较了用于产生高功率266 nm紫外激光的非线性光学晶体基本性能,并根据主要的激光器频率锁定方法,重点分析了H?nsch-Couillaud(H-C)频率锁定和Pound-Drever-Hall(PDH)频率锁定方法的优缺点以及连续波单频266 nm激光器发展现状,介绍了本课题组最新研究成果,即基于H-C频率锁定方法实现了功率1.1 W的单频连续波266 nm紫外激光稳定输出。最后,针对进一步提升全固态单频连续波266 nm激光器性能亟需解决的问题和可能解决路径进行了简要分析和展望。

高功率连续波单频589 nm金刚石钠导星激光器研究(特邀)

面向天文观测等领域对高功率单频589 nm钠导星激光器的应用需求,通过金刚石拉曼谐振及腔内倍频技术结合1018 nm掺镱光纤激光技术,实现了最高功率16.5 W的连续波单频589 nm钠导星激光器研制。建立外腔拉曼振荡及腔内倍频理论,详细分析谐振腔输出耦合率和倍频晶体相位匹配条件对输出激光功率的影响。激光光谱宽度为16 MHz,光束质量因子为1.05,光光转化效率为20%。

基于无源双环复合子腔滤波器的可调谐单纵模掺铥光纤激光器

提出并实现了一种基于均匀光纤布拉格光栅(Uniform fiber Bragg grating,UFBG)和双环复合子腔滤波器的可调谐单纵模掺铥光纤激光器。3 dB带宽为0.18 nm的UFBG作为波长选择器件,与可进行模式选择的双环复合子腔滤波器相结合,实现了单纵模激光输出。测得激光器的输出波长为2048.69 nm,光信噪比为71.82 dB。60 min内的最大波长和功率波动分别为0.03 nm和0.76 dB。此外,激光器的相对强度噪声在>0.5 MHz时,低于-127.81 dB/Hz;采用基于3×3耦合器的非平衡迈克尔逊干涉仪装置测得0.001 s时激光线宽为7.7196 kHz。通过调整微位移平台改变作用在均匀光栅上的应力,单纵模激光实现了5.1 nm范围可调谐输出。

环形腔单频激光振荡及功率放大系统研究

设计研制了波长为1064 nm的半导体激光器泵浦单频Nd∶YAG激光振荡及功率放大系统。仿真分析了激光晶体的端面温度分布,采用低掺杂浓度激光晶体和端面键合方式有效改善了晶体棒的端面热效应。激光振荡级采用环形腔内插入法拉第旋光器、偏振片、半波片和声光Q开关的方式,在重复频率25 Hz下获得了能量2.18 mJ、脉冲宽度63.2 ns的单向单频脉冲激光输出。经过一级放大后,最终获得了能量15.85 mJ、脉冲宽度62.7 ns的单频脉冲激光输出。

单掺铥固体激光器热效应研究进展与理论分析

随着中红外2μm波段固体激光器在工业、医学、军事和科学研究等领域中的不断扩展,其研究的重要性越来越明显。单掺铥固体激光器的输出波长恰好处于2μm附近,因此成为人们研究的热点方向,但单掺铥晶体由于发射截面小,上转换、重吸收效应严重等原因导致其热效应明显,严重影响了激光器的输出性能,使激光器的发展受到严重限制。因此研究激光晶体中的热效应对激光器性能的提升具有重要意义。本文综述了自研究热效应以来国内外基于各种基质的单掺铥固体激光器的热效应的研究成果,同时对固体激光器热透镜效应的热传导理论以及对热透镜效应的发生环境和形成条件有影响的因素进行阐述和分析。最后针对分析过程中所涉及的热功率密度,光强等参数进行讨论,为热透镜效应的热焦距计算和测量奠定了良好的理论基础。

固相反应法制备高浓度掺杂Nd:YAG激光透明陶瓷及其性能

用固相反应和真空烧结技术,成功制备了高质量的4.0%(摩尔分数)Nd:YAG透明陶瓷,并对样品的显微结构、光学透过率、光谱性能和激光性能进行了表征。结果表明:样品的平均晶粒尺寸约为10μm;样品(厚度为2.8mm)在1064nm处的透过率高达79.5%;主吸收峰位于807nm处,峰值吸收系数为13.9cm–1,激光波长1064nm处的吸收系数为0.2cm–1;主荧光发射峰位于1064nm处,荧光寿命为102μs。用激光二极管(808nm)端面泵浦Nd:YAG陶瓷样品(泵浦源最大输出功率为1000mW),获得了波长为1064nm的连续激光输出,输出功率17mW(最大泵浦吸收功率为998mW),斜率效率为6.1%,激光阈值约733mW。

二极管侧泵浦高效率连续波10W单横模激光器

对二极管激光器侧泵浦 Nd:YAG板条连续波激光器进行了优化设计 ,用光线追迹的方法计算增益介质内的增益分布 ,优化增益介质的大小 ,通过谐振腔的设计 ,使泵浦体积与激光的 TEM0 0模的模体积匹配 ;建立了高效可靠的连续波 Nd:YAG激光器 ,用 4 0 W的线阵激光器作泵浦源 ,单横模输出功率达 1 1 .8W,光 -光效率近 30 % ,激光功率起伏小于 1 .2 %

单掺Nd^3+双波长全固态激光器研究进展

全固态双波长激光器是指单一激光器同时输出两个波段激光,具有结构紧凑、可小型化、工作寿命长、可大能量输出和易于操作的优点,被广泛应用于检测血液中一氧化碳浓度、治疗毛细血管扩张、干涉彩虹全息、倍频产生绿光、和频产生黄光及差频产生太赫兹波等方面。本文对比了多种单掺Nd^3+激光晶体的特性,分析了其产生多波长激光的机理和方法,概述了基于单掺Nd^3+双波长全固态激光器的研究现状,并展望了这类激光器的发展和应用前景。

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 。

LD泵浦的全固态激光器的单频实现方法

由于“绿光问题”的存在,使得全固态腔内倍频激光器的应用备受限制。本文详细分析了用单纵模法实现全固态腔内倍频激光器单频输出的各种方法和实验装置。

LD泵浦Nd:YAG微片激光器的单纵模运转

继去年我们在国内首先实现了LD泵浦Nd:YAG微片激光器的室温连续单横模运转之后,最近又观测到了稳定的单纵模输出。当泵浦电流从700mA增加到900mA,或当上下左右平移微片时,无论是脉冲工作,还是连续运转,均能输出单纵模,波长为1.064μm且无跳模。

全固态高功率单频激光器

我们的研究工作从减少增益介质无用热、有效的散热方法、减轻非线性晶体热效应和有效的选模技术四个方面概述了高功率单频激光器研究中需解决的技术问题,并比较了各种技术的优缺点。

LD端面泵浦固体激光器理论在测量Nd:YVO_4晶体有效受激发射截面中的应用

对四种掺杂浓度的Ｎｄ：ＹＶＯ４晶体进行了激光性质的研究和对比．从ＬＤ端面泵浦固体激光器的理论出发，结合实验数据计算了相应晶体的有效受激发射截面σｅ．结果表明，随Ｎｄ３＋ 浓度的提高．Ｎｄ：ＹＶＯ４晶体的有效受激发射截面σｅ逐渐增大，上能级寿命τｅ不断减小，两者的乘积在２ａｔ．％附近达到最大值．

激光二极管端面抽运梯度浓度掺杂介质激光器热效应的有限元法分析

基于能量均分方法,根据经典热传导和热弹性理论,建立了激光二极管端面抽运梯度浓度掺杂棒状激光介质的数值模型,考虑到梯度浓度掺杂激光介质端面与空气的对流换热和激光介质材料的热力学参数的温度相关性,运用有限元法,得出了单一浓度掺杂、2阶阶变梯度浓度掺杂、5阶阶变梯度浓度掺杂和理想梯度浓度掺杂四种掺杂结构激光介质内吸收系数、抽运光吸收功率、温度、热应力和应变的空间分布。结果表明,采用梯度浓度掺杂结构可以大大提高激光介质内抽运光吸收分布的均匀性,5阶阶变梯度浓度掺杂激光介质的最高温度、最大主拉应力和最大主应变分别为单一浓度掺杂激光介质的42.6%、31.9%和28.1%,可见明显减小了热效应的影响。理论分析结果可为激光二极管抽运梯度浓度掺杂激光器的合理优化设计提供数据理论支撑。

LD泵浦全固态激光器的低噪声运转实现方法

由于噪声的存在,制约着全固态内腔倍频激光器在一些领域的应用。本文阐述了噪声问题的本质,总结了有关噪声问题的理论研究,并详细分析了通过改变激光器偏振态和迫使激光器单频运转以获得低噪声输出的各种方法以及实验装置。

LD泵浦的声光调Q腔内倍频固体激光器

应用国产的 80 8nm激光二极管 (LD)研制了声光调Q的Nd :YVO4 -KTP腔内倍频的准连续、单脉冲激光器 ,得到了TEM0 0 模、频率为 2 0kHz的准连续稳定的 532nm的绿光输出 ,阈值泵浦功率为 30 0mW。在连续 2W的泵浦功率下 ,准连续绿光输出为 12 0mW ,脉冲宽度为 4 0ns ,单脉冲能量为 50 μJ。通过对声光Q开关的驱动电源改造 ,得到了单脉冲激光输出。在分析计算的基础上 ,建立了 2W、80 8nmLD的冷却模型 ,构造了冷却模块 。