全固态激光中的光谱合成技术

对多种全固态激光中的光谱合成技术进行了探讨和研究，包括光纤激光、Yb:YAG板条激光和半导体激光。对于光纤激光，探讨了基于单个多层介质膜（MLD）光栅、一对MLD光栅、多个体布拉格光栅三种衍射光学元件的光谱合成技术中色散造成的光束质量退化问题，指出子束光谱线型的二阶矩全宽决定了光束质量的退化量，但所允许的光谱宽度又依赖于具体的技术选择途径。进而比较了三种光谱合成方案的优缺点。对于固体激光，实验演示了基于Yb:YAG晶体的板条激光实现光谱合成的原理可行性。通过设计一个基于MLD光栅的振荡器内的光谱合成装置，实现了7束子激光最高241 W的光谱合成输出，合成后光束质量β因子约4.1，表明大功率Yb:YAG板条激光具有通过光谱合束技术实现功率进一步提升的潜力。对于半导体激光，提出并设计了大模场外腔半导体激光+快轴光谱合成的技术。实验演示了9个1 mm宽LD芯片沿快轴方向的光谱合成，用β因子评价合成后的光束质量，在慢轴方向β≈6.3，在快轴方向β≈1.6，表明快轴光谱合成造成的光束质量退化是完全可控的。     

百瓦级近衍射极限VCSEL泵浦激光器

报道了高功率、高光束质量的垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)侧泵的Nd:YAG激光振荡器。从VCSEL泵浦源的主动冷却的热沉结构出发,设计了5个227 W的VCSEL线阵,并且通过优化侧面泵浦大口径激光棒的结构,研制成了具备480 W输出能力的棒状激光模块,相应的光-光效率为49.7%。在此基础上,设计了一种高功率、高光束质量的VCSEL侧面泵浦棒状Nd:YAG激光振荡器。腔内插入望远镜光学元件,并通过优化各光学元件的参数使其工作在热近非稳区域,以达到增大基横模体积和抑制高阶横模目的。最终,获得114 W的输出功率,相应的平均光束质量因子M2为1.42。由于VCSEL具备优秀的波长-温度稳定性,这种高功率、高光束质量的VCSEL泵浦的固体激光器在工业、空间等领域,具有极为广阔的应用前景。     

A 658-W VCSEL-pumped rod laser module with 52.6% optical efficiency

A high-efficiency and high-power vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) side-pumped rod Nd:YAG laser with temperature adaptability are demonstrated. The VCSEL side-pumped laser module is designed and optimized. Five VCSEL arrays are symmetrically located around the laser rod and a large size diffused reflection chamber is designed to ensure a uniform pump distribution. Furthermore, the absorbed pump power distribution of the rod is simulated to verify the uniformity of the pump absorption. Finally, a proof-of-principle experiment is performed in short linear cavity laser with single laser module. A continuous-wave output power of 658 W at 1064 nm is obtained, the corresponding optical-to-optical efficiency is 52.6%, and the power variations are ±0.7% over 400 s and ±3.1% over the temperature range from 16 ℃ to 26 ℃. To the best of our knowledge, this is the highest output power and the highest optical-to-optical efficiency ever reported for VCSEL pumped solid-state lasers. By inserting a telescopic module into the cavity and optimizing the TEM₀₀ mode volume, the average beam quality is measured to be M²=1.34 under an output power of 102 W. The experimental results reveal that such a high power rod laser module with temperature stability is appropriate or field applications.     

大模场一维高阶厄米-高斯激光束产生

厄米-高斯光束在诸多前沿科学领域都有着重要的应用.不同于目前普遍采用的晶体端面离轴泵浦方式,本文提出了一种利用板条激光器产生厄米-高斯激光束的方法.采用半导体激光阵列大面正交泵浦板条激光介质,具有大模场特性.根据预先设计的谐振腔模场,在板条厚度和宽度方向分别采用尺寸可调的光阑限模.由于高阶模式对谐振腔腔镜不对准的灵敏度弱于低阶模式,可通过耦合输出镜倾斜量的控制,实现不同阶数模式腔内损耗的差异化调控,从而产生各阶次的高纯度厄米-高斯光束.利用Nd:YAG板条激光器,获得了0—9阶一维厄米-高斯光束,其光强分布与理论值的相关系数ρ高于0.95,光束质量因子M²与理论值符合良好.最高阶HG₀₉模式的输出功率为244 mW.在此基础上,进一步利用柱透镜对组成的像散模式转换器,实现了各阶厄米-高斯光束向对应拉盖尔-高斯光束的转换.结合板条放大器结构,基于本方案产生的厄米-高斯光束具备功率定标放大的前景.