高储能激光放大模块技术

作为泵浦固体激光器(DPL)激光系统的核心部件，能否开发出泵浦均匀且储能密度高的激光放大模块对于进一步研制高平均功率、高光束质量的二极管泵浦固体激光器具有非常重要的意义。     

Yb:CNGG有源反射镜的多程放大特性研究

高效、高平均功率固体纳秒脉冲激光器在光电对抗、激光雷达、材料改性、激光加工等诸多领域发挥着越来越重要的作用,然而目前大多数纳秒级高平均功率激光器采用Yb:YAG或掺Nd材料作为增益介质,材料的高饱和通量或低储能密度会导致激光器放大链路复杂,体积庞大。研究比较了一种更适合作为高平均功率、高脉冲能量激光器增益介质的无序石榴石晶体Yb:CNGG,研究了有源反射镜结构中Yb:CNGG的多程增益特性,分析了放大过程并建立了多程放大模型,在一定的泵浦条件下优化了晶体参数以实现更好的储能。开展了双程放大实验,在15 kW/cm²的泵浦功率密度下得到了1.53倍的增益。对比Yb:CNGG晶体与Yb:YAG晶体的多程放大能力,在相同的晶体参数和泵浦条件下,在入射能量1 mJ时Yb:CNGG可实现2.11 J的脉冲能量输出,优于Yb:YAG晶体1.41 J的能量输出。     

二极管泵浦高功率薄片激光器关键技术

固体激光器向高平均功率发展存在的最大问题是沉积在激光介质里的废热。废热的消除将导致热透镜、机械应力和退偏等效应，并由此造成光束质量的退化，激光功率的降低，甚至可能造成介质的断裂。采用薄片激光器设计可以允许介质具有高的泵浦功率密度而不产生显著的温度梯度，当泵浦区尺寸远大于薄片厚度时，热流可认为是沿厚度方向的一维分布。合理设计泵浦耦合结构，可以使薄片径向温度分布近似均匀，从而大大降低介质的热透镜效应和热致应力双折射。因此薄片激光器可以定标放大到很高的平均功率。     

高功率二极管端泵浦板条模块波前畸变实验研究

二极管激光器阵列端泵浦Nd:YAG板条具有热效应低、波前畸变小的特点,温度场和应力场的不均匀是引起板条增益介质波前畸变的主要原因。对端泵浦传导冷却Nd:YAG板条增益模块的泵浦和冷却均匀性进行了优化设计,获得了板条激光增益模块静态波前畸变最大偏差（PV）值为0.22 m。该模块用于双通放大器实验装置中,测试了板条增益模块有无注入功率条件下的波前畸变,测得无注入功率波前畸变PV值为3.49 m,能量提取后波前畸变PV值为3.41 m。在注入功率3120 W时,获得输出激光功率4660 W,光束质量为3.88倍衍射极限,该模块光光效率为27%。     

450W二极管泵浦Nd：YAG薄片激光器

二极管泵浦高平均功率固体激光器在工业、科研和军事等领域具有非常广泛的应用。光学泵浦将在固体激光介质里产生废热并引起介质温度升高。激光器的连续运转要求实时冷却以消除废热。由于固体激光介质的热导率通常较低，因此在激光介质内部和冷却表面之间将产生显著的温度梯度，这就导致了折射率梯度、机械应力和退偏等效应，进而降低光束质量，减小输出功率，甚至造成介质的断裂。这些效应是固体激光器向高平均功率定标的最大挑战。采用薄片激光介质是解决这一问题的有效手段之一。     

长波段半导体激光泵浦光纤激光器实现2 kW功率输出

半导体激光（LD）泵浦的高功率光纤激光器具有效率高、体积小、重量轻、稳定性好等优点,在工业加工等诸多领域都有着广泛的应用。为了提高泵浦光吸收率,传统光纤激光器常用915 nm和976 nm波段的LD作为激光的泵浦源。在该类LD泵浦的光纤激光器中,由于量子亏损和泵浦吸收系数相对较高,光纤激光器的热致模式不稳定（TMI）阈值相对较低。为了提高量子效率和潜在的TMI阈值,提出采用大于1 010 nm波段的LD直接泵浦光纤激光器,产生高量子效率激光。搭建了振荡放大一体化的全光纤激光器,采用总泵浦功率为2.56 kW的1 010 nm波段LD泵浦,首次获得输出功率2.05 kW、光束质量M2约1.7的激光。后续将通过进一步增大泵浦功率、优化光纤特性以实现更高功率、更优光束质量的光纤激光输出。     

国产纺锤形渐变掺镱光纤实现6 kW宽谱激光输出

高功率高光束质量光纤激光器在工业加工等领域有着广泛的应用,然而光纤中的非线性效应和模式不稳定效应限制着高光束质量光纤激光器的功率提升,采用新型结构大模场增益光纤在同时抑制非线性效应和模式不稳定效应方面具有较大潜力。报道了基于单位自研的纺锤形渐变掺镱光纤激光成功实现6 kW功率、高光束质量激光输出。激光器采用主振荡功率放大结构,放大级采用双向981 nm泵浦纺锤形渐变掺镱光纤,在总泵浦功率为7.68 kW时,输出功率达到6.02 kW,光束质量M2因子约为1.9。通过进一步优化纺锤形掺镱光纤制作工艺及结构参数,有望实现更高功率、近单模光束质量的光纤激光输出。     

用于种子注入的微型二极管泵浦激光器

设计了一种用于种子注入的微型二极管泵浦激光器,并从LD泵浦固体激光器优化设计原则出发,对种子激光器的增益介质、耦合系统、谐振腔进行了优化设计.实验研究表明,该激光器运转稳定,输出光束质量高,光束发散角小,输出功率可达80 mW,可满足种子激光的要求.     

大口径掺钛蓝宝石晶体放大的实验研究

 分析了口径为80 mm的钛宝石晶体内的增益特性,对大口径钛宝石晶体中的泵浦光能量密度和泵浦光口径进行了优化设计。对于80 mm×17 mm的晶体,最佳工作光束口径为55 mm,泵浦能量为50 J;对于80 mm×30 mm的晶体,最佳工作光束口径为60 mm,泵浦能量为90 J,且其横向小信号增益远小于80 mm×17 mm晶体的。对影响大口径钛宝石晶体放大的横向放大自发辐射（ASE）和寄生振荡采用折射率匹配的包边技术进行了抑制。实验表明,该方法把允许横向增益从13提高到了2 100。实验系统为100 J绿光台面泵浦激光器,100 TW主放大器采用四程空间构型放大光路。80 mm×17 mm钛宝石晶体c轴水平放置,泵浦光和主激光均为水平偏振。当以泵浦光能量为49 J对主放大器进行双端泵浦,注入信号光能量为1.2 J,光束口径60 mm时,获得了14.2 J的放大光输出和286 TW的最高峰值功率。     

抽运光对激光束空间分布影响程度的估算方法研究

为便于评价两种光场空间分布之间的偏离程度，引入一个数学参数δ进行研究。将该参数应用到谐振腔内分析了抽运光空间分布对基模振荡光光束质量的影响。这种影响主要表现为：若抽运光在激光介质中引起非均匀的增益分布，基模振荡光将偏离高斯分布。利用δ参数对这种影响的程度进行了定量估算。定量研究表明：δ参数可以直观地反映泵浦光分布对激光器光束质量的影响程度，而且在激光器的设计中δ参数的大小可衡量泵浦光分布的优劣。对于端面泵浦二极管泵浦固体激光器（DPL），稳恒运转下最理想的抽运光分布形式是高斯型抽运光，其半径等于谐振腔的基模高斯振荡光半径。     

石墨烯在全固态激光器中的应用

正1.引言全固态激光器(all solid state lasers)是指用激光二极管(laser diode,LD)代替闪光灯泵浦固体激光增益介质的激光器,也称为激光二极管泵浦的固体激光器(laser diode pumped solid state lasers,LDPSSL或DPL)。它集两种激光器的优势于一体,具有转换效率高、输出能量大、峰值功率高、工作介质覆盖的波段广及运转方式多样等优点,与被动可饱和吸收体相结合,可以实现脉冲激光运转,已成为新的优质脉冲激光光源。     

二极管泵浦Nd:YAG圆片激光技术研究

介绍了热容激光技术的发展历史及现状,介绍了固体激光器热容方式工作的基本原理,报道了二极管泵浦NdYAG圆片激光器热容方式工作的实验结果.用热像仪测量了激光器工作时增益介质通光面上的温度分布特性;采用干涉测量的方法测量了工作中的增益介质的与光束传输方向相垂直的方向上的折射率分布特性;结果表明片状固体增益介质热容方式工作对振荡光束波前畸变影响很小.给出了与光束传输方向相垂直的截面上增益介质的荧光分布.得到输出平均功率达47.5 W,此时的光-光转换效率为17%.     

高功率二极管泵浦激光模块技术研究

 开展了二极管泵浦棒状Nd:YAG激光模块技术研究，在数值模拟激光模块增益分布的基础上对耦合结构进行了优化，初步研制出了高增益振荡级激光模块及高储能放大激光模块。实验结果表明，振荡级激光模块泵浦均匀且增益较高，TEM₀₀模输出情况下单脉冲能量为11.8mJ, 光-光效率为 15%；放大模块在500Hz重复频率下获得了单脉冲400mJ的储能。     

高功率全光纤光载微波信号功率放大器

为获得可应用于光载微波雷达系统的高功率双频激光源,用1 064nm窄线宽Nd∶YAG单块非平面环形腔激光器作为单频种子源,其输出分为两路,一路直接耦合入光纤,另一路经声光移频,与未移频的光束合束后获得中心频差为150 MHz、功率为20mW的双频激光.利用以半导体激光泵浦和掺Yb3+石英光纤为增益介质的3级主振荡功率放大系统对双频固体激光器输出的双频激光进行放大,获得50.3W的双频放大输出,光束质量因子为1.30,第三级主放大斜效率为74%.双频成分的幅度比、频差在放大过程中得到保持,拍频调制深度及信噪比等特性也未有恶化.双频光纤功率放大器在频差稳定和高功率输出等方面均有良好的表现.     

647W灯泵浦大功率连续Nd:YAG激光器

 报道了一台灯泵浦大功率连续Nd:YAG激光器。对影响大功率固体激光器模块输出功率和光束质量的主要因素进行了理论分析，并提出提高激光器效率的措施：对聚光腔的形状、结构和材料以及冷却方式，泵浦灯的参数和材料，激光晶体的参数和镀膜进行优化设计，采用径向固定的谐振腔镜。该灯泵浦YAG晶体棒总体电光转换效率为4%，光束质量为22mm·mrad，输出功率647W。     

高平均功率固体激光功率和光束质量关系研究进展

 固体激光的一个重大发展方向和目标是实现“三高”(高平均功率、高光束质量和高效率)激光同时输出,结合相关研究工作和进展,着重论述了固体激光输出功率和光束质量的关系,给出了功率升高、光束质量非线性下降是当前“三高”固体激光研究的一个基本科学技术问题。围绕这一基本问题,评述了一些重要技术途径和手段,并探讨了实现高平均功率高光束质量固体激光输出的可能有效途径。     

电子束泵浦KrF激光器进行超短脉冲的单束放大实验研究

 电子束泵浦KrF激光器口径大、泵浦率高，可直接用于进行超短脉冲激光的放大。用天光一号电子束泵浦KrF激光器进行超短脉冲激光放大，将超短脉冲激光放大到2~3J、1.2ps, 激光功率达到2TW。测量了石英窗镜中的非线性吸收系数和超短脉冲激光脉宽的变化。     

种子注入的短脉冲激光器特性研究

 从LD泵浦固体激光器优化设计原则出发，设计了一种微型二极管泵浦激光器，并对种子激光器的结构和参数进行了优化。该激光器运转稳定，输出光束质量高，光束发散角小，光-光转化效率为17-4%，斜率效率可达24%，输出功率可达80mW。将此种子激光注入到调Q激光器中，改善了调Q激光器的输出特性，使得激光脉冲的建立时间缩短了40ns，输出的横模场分布得到了明显改善。     

高功率二极管泵浦激光模块的热致球差

 为获得高功率高光束质量的激光器,对激光器中的热致球差进行了研究。介绍了高功率二极管泵浦Nd:YAG棒激光模块热致球差的测量和补偿方法。使用S-H波前探测器测量了激光模块的三阶球差,设计了补偿系统对激光模块的球差进行了补偿,并对补偿前后的各阶像差进行了分析。在主振功放(MOPA)系统中使用球差补偿系统,工作电流110 A时,光束质量平方因子从9.2提高到6.4。实验结果表明球差补偿系统能消除激光模块的的三阶球差,而且不会引起其它像差的增大,提高了激光器光束质量。     

无展宽器的高重复率钛宝石啁啾飞秒脉冲再生放大器的研究

通过优化放大腔结构参数和采用高光束质量的泵浦激光,依靠放大器腔内各个元件的色散展宽种子脉冲, 用钛宝石作为增益介质, 在低泵浦能量下, 实现了高光束质量,高稳定的中等能量的高重复率飞秒脉冲再生放大. 将钛宝石晶体离焦放置,有效的避免了光学损伤. 在1.1 mJ的绿光泵浦下, 获得了2 ps, 120 μJ, 重复频率为1 KHz, 光谱带宽7.8 nm的放大脉冲, 用石英棱镜对压缩可得到130 fs的激光脉冲.