激光二极管端面泵浦Yb:YAG圆棒热效应研究

基于激光二极管端面泵浦Yb∶YAG棒工作特点的分析,提出了端面绝热、周边恒温的激光晶体热分析模型,采用了一种新的热传导方程求解方法,得到了超高斯光束端面泵浦Yb∶YAG棒温度场的一般解析表达式。同时分析了不同阶次、不同光斑半径、不同功率超高斯光束以及晶体参数改变时对于Yb∶YAG棒温度场分布的影响。研究结果表明,若准直聚焦到Yb∶YAG棒泵浦面42.5W的光束具有4阶超高斯强度分布时,掺Yb3+质量分数为10.0at.%、长度为2.5mm、半径为2mm的Yb∶YAG棒的泵浦面获得74.20℃的最高温升。新的热传导方程求解方法在研究激光棒温度场分布方面具有计算量小、精度高等特点。研究结果对减小激光晶体的热效应,提高全固态Yb∶YAG激光器性能提供了理论依据。     

104 W内腔倍频全固态Nd:YAG绿光激光器

报道了一台高功率内腔倍频全固态Nd:YAG绿光激光器,针对KTP晶体热效应和激光热稳定腔,采取了对KTP晶体进行低温冷却的优化措施,以便减少KTP晶体的热效应导致的相位失配,同时兼顾了Nd:YAG棒的热致双折射效应和KTP晶体热透镜效应,设计了热稳定谐振腔;实验中采用80个20 W激光二极管阵列侧面抽运Nd:YAG棒和Ⅱ类相位匹配KTP晶体(在27℃时相位匹配角为φ=23.6°;θ=90°,尺寸为7 mm×7 mm×10 mm)内腔倍频技术,谐振腔腔长为530 mm,KTP晶体的冷却温度为4.3 ℃,抽运电流为18.3 A时,实现平均功率达104 W、脉冲宽度为130 ns的532 nm激光输出;其重复频率为20.7 kHz.光-光转换效率为10.2%.     

板条Nd:YAG晶体的合成盘抛光技术

针对高功率板条激光器核心工作器件——板条Nd:YAG晶体的超精密加工开展研究,分析了具有特殊构型的板条Nd:YAG晶体元件的加工性能及工艺难点,提出了一种新的基于合成盘抛光的板条Nd:YAG晶体加工工艺,并对规格为100mm×30mm×3mm的板条Nd:YAG晶体进行了加工实验。实验结果表明,合成盘抛光可以很好地控制元件的塌边现象;通过磨料的优化选择,在合成盘抛光工艺中匹配合适粒度的Al2O3磨料能够实现元件的低缺陷加工,元件下盘后的全反射面平面度达0.217λ(1λ=632.8nm),端面平面度达到0.06λ,表面粗糙度达0.55nm(RMS),端面楔角精度可达2″。     

104W内腔倍频全固态Nd∶YAG绿光激光器

报道了一台高功率内腔倍频全固态Nd∶YAG绿光激光器 ,针对KTP晶体热效应和激光热稳定腔 ,采取了对KTP晶体进行低温冷却的优化措施 ,以便减少KTP晶体的热效应导致的相位失配 ,同时兼顾了Nd∶YAG棒的热致双折射效应和KTP晶体热透镜效应 ,设计了热稳定谐振腔 ;实验中采用 80个 2 0W激光二极管阵列侧面抽运Nd∶YAG棒和Ⅱ类相位匹配KTP晶体 (在 2 7℃时相位匹配角为 =2 3.6° ;θ =90° ,尺寸为 7mm× 7mm× 10mm)内腔倍频技术 ,谐振腔腔长为 5 30mm ,KTP晶体的冷却温度为 4 .3℃ ,抽运电流为 18.3A时 ,实现平均功率达 10 4W、脉冲宽度为 130ns的 5 32nm激光输出 ;其重复频率为 2 0 .7kHz。光光转换效率为 10 .2 %。     

LD端面泵浦Cr~4∶YAG被动调Q激光器输出特性研究

对激光二极管端面泵浦Cr4+∶YAG被动调Q Nd∶YAG激光器输出特性进行了实验研究.实验研究发现,激光器输出功率及脉冲重复频率随谐振腔长度增大而增大.为解释这一实验现象,测量了泵浦光斑在激光晶体内尺寸,同时计算了激光晶体及Cr4+∶YAG晶体内的基模激光光斑半径随谐振腔长度变化.分析结果表明:激光晶体内泵浦光斑尺寸远小于激光晶体内基模光斑半径,腔模间交叠效率较低;当腔长增加时,激光晶体内的基模激光光斑减小,腔模间交叠效率增加,从而导致输出功率及脉冲重复频率随腔长增加而增加;另外,Cr4+∶YAG晶体内光斑半径也随谐振腔长度减小,引起Cr4+∶YAG晶体漂白时间缩短,导致脉冲重复频率随腔长增加而增加.     

LD端面泵浦Cr4:YAG被动调Q激光器输出特性研究

对激光二极管端面泵浦Cr⁴⁺:YAG被动调QNd:YAG激光器输出特性进行了实验研究.实验研究发现,激光器输出功率及脉冲重复频率随谐振腔长度增大而增大.为解释这一实验现象,测量了泵浦光斑在激光晶体内尺寸,同时计算了激光晶体及Cr⁴⁺:YAG晶体内的基模激光光斑半径随谐振腔长度变化.分析结果表明:激光晶体内泵浦光斑尺寸远小于激光晶体内基模光斑半径,腔模间交叠效率较低;当腔长增加时,激光晶体内的基模激光光斑减小,腔模间交叠效率增加,从而导致输出功率及脉冲重复频率随腔长增加而增加;另外,Cr⁴⁺:YAG晶体内光斑半径也随谐振腔长度减小,引起Cr⁴⁺:YAG晶体漂白时间缩短,导致脉冲重复频率随腔长增加而增加.     

Nd:YAG晶体板条低透射波前误差加工技术

针对高平均功率固体激光器对Nd:YAG晶体板条的技术需求,进行了Nd:YAG晶体板条低透射波前误差加工技术研究。详细分析了光学加工过程中引起板条端面透射波前畸变的误差来源,并提出工艺技术解决方案。实验结果表明,在板条抛光阶段通过采用合成盘硬抛光工艺以及新的工件装夹技术,能够解决传统板条加工工艺在面形及楔角精度方面可控性差的问题,更容易实现Nd:YAG晶体板条的低透射波前误差加工。对于150mm×30mm×2.5mm规格的Nd:YAG晶体板条元件,端面透射波前畸变PV值达到0.74λ。     

Nd:YAG晶体板条低透射波前误差加工技术北大核心CSCD

针对高平均功率固体激光器对Nd:YAG晶体板条的技术需求,进行了Nd:YAG晶体板条低透射波前误差加工技术研究。详细分析了光学加工过程中引起板条端面透射波前畸变的误差来源,并提出工艺技术解决方案。实验结果表明,在板条抛光阶段通过采用合成盘硬抛光工艺以及新的工件装夹技术,能够解决传统板条加工工艺在面形及楔角精度方面可控性差的问题,更容易实现Nd:YAG晶体板条的低透射波前误差加工。对于150mm×30mm×2.5mm规格的Nd:YAG晶体板条元件,端面透射波前畸变PV值达到0.74λ。     

激光物质(棒)的加工

激光器都需要有产生激光的工作物质,目前固体激光器常用的工作物质有钕玻璃、掺钕钇铝石榴石晶体和红宝石晶体。这三种激光物质的应用形式都是圆棒。钕玻璃是最易制造,价格便宜,效率较高的一种激光物质。本文将着重谈谈钕玻璃棒的加工方法以及加工中应注意的问题,最后再简略地介绍一下掺钕钇铝石榴石棒和红宝石棒的加工特点。图1是典型的激光物质(棒)的零件图。图中棒直径φ=4～12mm,棒长L=60～210mm。一般越长越粗。     

Yb∶YAG晶体的热学性质及其对激光性能的影响

对于中频感应加热提拉法 (CzochralskiMethod)生长的高掺杂浓度 (原子数分数 0 30 )Yb∶YAG晶体 ,经退火后采用差示扫描量热计法测量了晶体的比热容 ,通过激光脉冲法测量了不同掺杂浓度 (原子数分数 0 0 5～ 0 30Yb∶YAG晶体的热扩散率和热导率。实验表明 ,随着Yb3+ 离子浓度增加 ,Yb∶YAG晶体在 30 0K温度下的导热性能有明显的降低。原子数分数为 0 30的Yb∶YAG晶体的激光实验表明 ,高掺杂浓度Yb∶YAG晶体热导率的降低导致了激光阈值的增加     

敏化离子Ce3+对Er3+∶YAG的1.6μm波长激光性能的影响

测定了Ce³⁺,Er³⁺∶YAG中Ce³⁺离子的吸收截面.用从能级跃迁速率方程和激光传输方程推出的表达式计算了1.6μm波长激光的阈值能量(功率)和斜率效率.表明在Ce³⁺,Er³⁺∶YAG中,Ce³⁺对Er³⁺离子的激光性能影响与激活离子Er³⁺的浓度、晶棒大小有关.短晶棒或浓度低的晶体加入Ce³⁺可降低Er 关键词：     

高平均功率六棒串接脉冲Nd:YAG激光器

报道了一种腔内六棒串接的脉冲Nd:YAG激光器。采用44矩阵对晶体棒失调角度对谐振腔光轴的影响进行了理论分析,给出了六棒串接脉冲激光器中晶体棒失调角度的允许范围。在串接实验中,谐振腔采用对称平平腔结构,通过调整每根晶体棒的失调角度到允许范围内,实现了六棒串接脉冲Nd:YAG激光器。在输入电功率86 kW,占空比17%时,获得了平均功率3 018 W的脉冲激光输出,峰值功率17.75 kW,最高单脉冲能量为66 J,光束参数乘积为26.3 mmmrad,电光转换效率3.5%,长时间工作不稳定性小于2%。     

Yb：YAG晶体的热学性质及其对激光性能的影响

对于中频感应加热提拉法（Czochralski Method)生长的高掺杂浓度（原子数分数0.30)Yb:YAG晶体，经退火后采用差示扫描量热计法测量了晶体的比热容，通过激光脉冲法测量了不同掺杂浓度（原子数分数0.05-0.30Yb:YAG晶体的热扩散率和热导率。实验表明，随着Yb^3 离子浓度增加，Yb:YAG晶体在300K温度下的导热性能有明显的降低。原子数分数为0.30的Yb:YAG晶体的激光实验表明，高掺杂浓度Yb:YAG晶体热导率的降低导致了激光阈值的增加。     

1J高光束质量免水冷脉冲Nd:YAG激光器

研制了一种TEC制冷LD侧泵高能量、高光束质量、电光调Q全固态Nd∶YAG激光器。在主振荡器中晶体棒的尺寸为φ7 mm×100 mm,Nd原子数比例为1.1%,LD泵浦的最大峰值功率为15 kW,在重复频率为10 Hz时,获得了350 mJ输出能量,脉冲宽度为9.7 ns,光束质量因子M~2在水平和垂直方向分别为3.3和3.8。使用主振荡功率放大结构,提高了最终的输出功率。第一级放大器Nd∶YAG晶体棒尺寸为φ7.5 mm×134 mm,在输出重复频率10 Hz、泵浦电流80 A、泵浦脉冲宽度200μs时,得到最大单脉冲能量700 mJ,脉冲宽度10 ns。第二级放大器Nd∶YAG晶体棒尺寸为φ8 mm×100 mm,泵浦电流为80 A。最终我们获得了最大的单脉冲能量1 085 mJ,脉冲宽度10 ns,能量不稳定度小于3%,测量的光束质量因子M~2在水平和垂直方向分别为3.9和4.8,实现了焦耳级高光束质量Nd∶YAG激光器的小型化、无水冷化。     

Ce:YAG荧光晶体的制备及其光学性能研究

以固相反应法制备了致密的不同Ce含量的Ce:YAG陶瓷料棒,再用光学浮区法将这些Ce:YAG陶瓷料棒生长成Ce:YAG晶体。XRD结果表明,Ce:YAG陶瓷料棒主相为YAG相,同时存在部分YAP相;而光学浮区法生长的Ce:YAG晶体完全形成了YAG相,没有其他杂峰的出现,衍射峰尖锐,半峰宽窄,即光学浮区法生长的YAG晶体质量较高。Ce:YAG晶体的光学均匀性较好,在500-800nm区间,其平均透过率为90%-93%。Ce:YAG晶体的吸收光谱中心波长在456 nm具有较大的吸收系数。以波长为460 nm的单色光为光源激发Ce:YAG晶体测得其荧光光谱,其中,含1 at.%Ce的Ce:YAG晶体在黄绿光区域有较强的发光强度。     

Nd:YAG/Cr~(4+):YAG/YAG键合晶体调Q激光输出特性研究

对激光二极管端面抽运Nd:YAG/Cr~(4+):YAG/YAG键合晶体的1 064nm被动调Q激光性能进行了研究.对比分析了Cr~(4+):YAG晶体初始透过率分别为84.9%和90.6%的调Q激光输出特性,以及不同耦合输出镜透过率对调Q性能的影响.结果表明,在特定抽运功率下,各输出特性参数的优化(高输出功率,高重复频率,窄脉冲宽度)分别对应一个最佳的输出镜透过率;随着抽运功率增加,对应最佳的输出镜透过率越大.对比两种初始透过率的Cr~(4+):YAG晶体对应的激光输出特性,84.9%初始透过率的晶体获得相对较低的平均输出功率,但相应的重复频率较小,脉冲宽度窄,使得调Q激光的峰值功率明显提高.采用30%透过率的耦合输出镜和10.4 W入射抽运功率下,获得了3.2 W平均输出功率、9.7ns脉冲宽度和52kHz重复频率的激光输出,经计算可知峰值功率达6.3kW.     

敏化离子Ce~(3 )对Er~(3 )∶YAG的1.6μm波长激光性能的影响

测定了Ｃｅ３＋,Ｅｒ３＋∶ＹＡＧ中Ｃｅ３＋离子的吸收截面．用从能级跃迁速率方程和激光传输方程推出的表达式计算了１６μｍ波长激光的阈值能量（功率）和斜率效率．表明在Ｃｅ３＋,Ｅｒ３＋∶ＹＡＧ中,Ｃｅ３＋对Ｅｒ３＋离子的激光性能影响与激活离子Ｅｒ３＋的浓度、晶棒大小有关．短晶棒或浓度低的晶体加入Ｃｅ３＋可降低Ｅｒ３＋的激光阈值,增加斜率效率．而长晶棒、或Ｅｒ３＋浓度高的晶体加入Ｃｅ３＋反而增加激光阈值,减小斜率效率．     

Nd:YSAG单晶的光谱和激光性能

用提拉法生长了(1.5 at.%)Nd~(3+):Y_3Sc_2Al_3O_(12)(YSAG)激光晶体,摇摆曲线表明晶体结晶质量优良.测量了该晶体的吸收和发光光谱,表明其适合成熟的808 nm激光二极管(LD)抽运,其~4F_(3/2)→~4I_(11/2)跃迁最强发射波长为1059 nm,发射截面为1.03×10~(-19)cm~2,同时其激光上能级寿命为253μs,表明Nd:YSAG具有和Nd:YAG相近的效率,但其激光上能级寿命比Nd:YAG长约20μs.以LD抽运2 mm×2 mm×6 mm Nd:YSAG激光棒,激光阈值为0.85 W,最高输出功率为1.1 W,激光斜效率为21.1%,光-光转化效率为18.3%.综合表明Nd:YSAG单晶作为激光性能优良的全固态激光材料,更适合全固态调Q激光输出.     

2 μm Cr,Tm,Ho:YAG激光热退偏效应的数值模拟及实验研究

理论分析了Cr,Tm,Ho:YAG激光晶体的热退偏效应, 模拟计算了该晶体棒端面退偏度的分布, 并进行了偏光干涉实验验证. 结果表明, 数值模拟和实验研究结果完全一致, 热致退偏效应随抽运能量增大而增强, 退偏度分布呈十字形, 最大退偏度发生在晶体棒端面上与起偏器偏振方向成45°方位处. 以此提出了高能量Cr,Tm,Ho:YAG激光器的热退偏补偿方法, 获得了激光脉冲能量提高24%以上的实验效果.     

刻螺纹对Nd：YAG晶体棒输出功率影响的实验研究

针对Nd：YAG棒刻螺纹是否能改善激光器的输出，理论上分析了Nd：YAG晶体棒内热传导过程及影响其冷却效果的因素。给出了表面刻上螺纹后，Nd：YAG晶体棒表面积的变化结果和其对表面冷却换热方式的改变。对使用螺纹棒的激光器输出进行了实验研究，与普通棒的实验结果对比发现：用螺纹棒比用普通棒时平均功率大了23．2％，发散角小了3mrad。说明激光棒的表面刻槽可以提高冷却效果，有效地提高了激光器的输出。