高效紧凑室温Yb:YAG板条全固态激光技术研究

报道了高效紧凑室温Yb:YAG板条全固态激光研究进展。建立了室温Yb板条激光动力学模型,分析了泵浦激光通量和注入激光亮度与光光效率的关系,以及板条边缘效应抑制方法。实验获得了输出功率22.3 kW、光光效率36%和光束质量优于2.4倍衍射极限的激光输出,为更高功率的Yb板条激光关键技术研究及开发小型化、轻量化、实用化的高功率激光器奠定了基础。     

1.8mJ高倍率Nd:YAG板条皮秒激光放大器

设计了一种高倍率的固体皮秒脉冲激光放大器,采用Nd:YAG板条作为激光增益介质。借助板条结构的角度选通结构,搭建了板条五通放大系统,实现了对注入皮秒脉冲激光的高倍率放大。种子源工作在脉冲模式,放大器泵浦源在连续模式工作。皮秒光纤激光器可以在不同的重复频率下工作,脉冲宽度为13.4 ps。种子光经过隔离和耦合系统之后,注入板条的单脉冲能量为25 nJ。当种子源工作重复频率为24.46 MHz时,板条放大器输出平均功率377 W,单脉冲能量15.5 μJ;当种子源工作重复频率为49.8 kHz时,板条放大器输出平均功率89 W,单脉冲能量1.8 mJ,峰值功率为134 MW,放大倍率达到7.2×104。     

室温下零声子线抽运Yb…YAG板条放大器的理论研究

对室温下零声子线(抽运波长为969 nm)抽运Yb…YAG激光器进行了理论研究,建立了969 nm抽运Yb…YAG的速率方程。在相同热负载状态下,通过数值模拟分别得到969 nm和941 nm抽运时Yb…YAG板条放大器的光-光转换效率和输出激光强度。模拟结果表明:941 nm和969 nm抽运的光-光转换效率基本相同;抽运波长为969 nm的抽运强度比941 nm提高了20%以上。     

低温Yb:YAG放大器增益与热畸变特性实验研究

为了研究低温条件下Yb:YAG放大器的增益和热特性,搭建了一套液氮冷却的低温放大器,开展了实验研究。测量了不同泵浦强度下的小信号增益以及低温和常温下的介质热致波前畸变。结果表明:低温条件下,可以用更少的泵浦能量得到高于常温的增益;常温下泵浦电流200A、脉冲宽度1200μs的小信号增益为1.59;低温下泵浦电流200A、脉冲宽度400μs的小信号增益为1.82,光光效率显著提高。自发辐射放大(ASE)问题在低温下更加显著,采用短脉冲泵浦有利于降低ASE的影响。低温的热管理效果较常温有显著提高,可以在更高的平均功率下运行。     

水冷10 Hz Yb:YAG激光放大器热管理

为了控制重频放大器的热致波前畸变,设计并加工了均匀冷却的背面水冷激活镜激光放大器,对放大器的热畸变特性开展了实验研究,实验发现在泵浦功率密度较高即重复频率达到10 Hz,平均功率密度达到200 W/cm2时,放大器的热畸变既影响远场分布又对近场产生显著的调制。近场的调制会给放大器带来较大的损伤风险。为了消除热畸变对近场的调制,首先对泵浦强度分布进行了匀化,然后对介质进行了边缘热平衡控制,消除了热畸变引起的近场调制。通过对上述因素的控制,采用水冷激活镜构型的四程放大器实现了在10 Hz频率下良好运行。在没有进行主动补偿的情况下,实现了远场焦斑优于5倍衍射极限的输出。     

高功率激光放大器动力学的理论研究

详细分析了弛豫作用在高功率激光器中对反转粒子数的影响,在经典速率方程理论的基础上,推导了包含弛豫作用的一般性速率方程,讨论了弛豫效应与放大器总体性能之间的关系,并给出具体放大器的计算实例,对于优化放大器的设计具有实际意义。     

被动调Q双波长Yb:YAG板条激光的偏振控制

采用激光二极管(LD)来泵浦Yb:YAG板条晶体被动调Q双波长激光器,开展可控激光输出偏振态的实验研究。实验搭建紧凑的V型谐振腔,通过调节输出镜(OC)的倾角可以实现激光输出从0°水平线偏振到90°垂直线偏振的切换。通过实验设计可以得出最终的输出偏振态取决于腔内的附加相位差,当腔内附加相位差为π时,输出偏振由水平偏振向垂直偏振切换。实验结果表明：当OC倾角的变化量约为3.6 mrad时,线偏振态从水平偏振切换至垂直偏振,水平线偏振的消光比最优为28.98 dB,垂直线偏振的消光比最优为25.96 dB;在泵浦功率为18.42 W时,获得了1.66 W的平衡双波长激光输出,对应的脉冲宽度为42.6 ns。     

双波长Yb∶YAG连续激光理论及实验研究

报道了Yb∶YAG双波长激光振荡阈值的理论结果,实验获得了连续双波长激光输出.实验中,采用紧凑的平凹腔结构、940nm光纤耦合LD端面泵浦方式,Yb∶YAG晶体作为激光晶体,采用10%、15%和20%的输出耦合镜,分别实现了单波长和双波长激光输出,在最高泵浦功率为20 W时,输出耦合率分别为10%、20%,最高获得3.94W的1 050nm激光和3.40 W的1 030nm激光,对应的光光转换效率分别为19.7%和17.0%;当输出耦合率为15%、泵浦功率为11.7 W时,获得0.79 W的双波长激光,对应的光光转换效率为6.8%,功率比为1∶1.3,通过光栅光谱仪测量得到双波长谱线中心分别为1 030.31nm和1 047.50nm;当1 030nm激光功率为3.0 W时,30min内输出功率RMS稳定性优于0.18%.该实验结果与理论分析相吻合,可应用于设计稳定可靠的掺Yb双波长激光器.     

高功率钛宝石激光放大器理论研究

从麦克斯韦方程出发，建立了宽带高功率激光放大系统的理论模型，同时用数值方法对宽带和窄带高功率激光放大器进行了计算，讨论了增益变窄效应在放大系统中对放大脉冲的影响，从理论上提出并验证了消除由放大介质发射截面不对称对脉冲造成的畸变的方法。论文对正确设计高功率激光驱动器也具有一定指导价值。     

高功率激光放大器片腔洁净度实验研究

在氙灯放电泵浦过程中,放大器片腔内材料在高强度氙灯光辐照下,存在显著的热解过程,产生大量的微米级悬浮粒子。在两种实验条件下对粒子数进行了测量：一是放大器氙灯泵浦结束之后悬浮粒子的自然消散过程;二是氙灯泵浦结束之后利用大气流量的超纯氮气冲洗片腔之后的粒子数测量。研究结果表明,正常情况下,氙灯泵浦结束后片腔洁净度达到了10~50万级气溶胶的水平(在粒子直径Φ 0.5 μm的水平上)。利用大气流量的超纯N2气冲洗片腔能够在短时间内显著地提高片腔的洁净度。     

高功率激光放大器片腔洁净度实验研究

 在氙灯放电泵浦过程中,放大器片腔内材料在高强度氙灯光辐照下,存在显著的热解过程,产生大量的微米级悬浮粒子。在两种实验条件下对粒子数进行了测量：一是放大器氙灯泵浦结束之后悬浮粒子的自然消散过程;二是氙灯泵浦结束之后利用大气流量的超纯氮气冲洗片腔之后的粒子数测量。研究结果表明,正常情况下,氙灯泵浦结束后片腔洁净度达到了10~50万级气溶胶的水平(在粒子直径Φ 0.5 μm的水平上)。利用大气流量的超纯N₂气冲洗片腔能够在短时间内显著地提高片腔的洁净度。     

高功率激光放大器片腔洁净度实验研究

在氙灯放电泵浦过程中,放大器片腔内材料在高强度氙灯光辐照下,存在显著的热解过程,产生大量的微米级悬浮粒子。在两种实验条件下对粒子数进行了测量:一是放大器氙灯泵浦结束之后悬浮粒子的自然消散过程;二是氙灯泵浦结束之后利用大气流量的超纯氮气冲洗片腔之后的粒子数测量。研究结果表明,正常情况下,氙灯泵浦结束后片腔洁净度达到了10~50万级气溶胶的水平(在粒子直径Φ 0.5 μm的水平上)。利用大气流量的超纯N2气冲洗片腔能够在短时间内显著地提高片腔的洁净度。     

二极管泵浦Nd:YAG板条双通放大器技术研究

对二极管泵浦NdYAG板条双通放大器进行了理论设计和数值计算.在注入能量1 mJ,小信号增益为0.23 cm-1时理论计算结果为双通放大器输出能量为229.8 mJ.实验在10 Hz时获得单脉冲输出能量216 mJ;400 Hz时获得单脉冲输出能量203.4 mJ,光束质量因子小于5,激光脉宽为16.9 ns.实验结果与理论计算基本吻合.用相位共轭镜取代0°全反镜,超高斯镜取代振荡级输出镜,并采用镜面均匀的光学器件可以改善光束质量及光斑均匀性.     

板条激光放大器中寄生振荡的研究

寄生振荡的存在使得放大器在信号光到达之前消耗了大量的反转粒子数,降低了放大器的激光增益和储能效率,严重地影响了激光放大器的性能,尤其对高功率激光放大器。在理论分析和实验研究的基础上,以Nd∶YAG晶体板条为例,用8条半导体激光阵列对晶体进行双侧抽运,研究了高功率激光放大器的寄生振荡现象,分析了板条晶体寄生振荡产生的原因,并详细比较了晶体在不同的抽运功率和表面处理下的放大效果,得到了2倍的单程放大,当输入能量为140 mJ时,获得了278 mJ的激光输出。     

高功率激光放大器脉冲的整形设计

针对惯性约束聚变实验对激光驱动器脉冲波形的要求,将优化控制模型理论运用于计算激光放大器输入脉冲的预补偿波形,得到了与实验基本一致的结果。同时给出了我国新一代高功率激光器“神光 Ⅲ”装置主放大器级输入脉冲波形的设计要求。     

高功率激光放大器脉冲的整形设计

 针对惯性约束聚变实验对激光驱动器脉冲波形的要求,将优化控制模型理论运用于计算激光放大器输入脉冲的预补偿波形,得到了与实验基本一致的结果。同时给出了我国新一代高功率激光器“神光 Ⅲ”装置主放大器级输入脉冲波形的设计要求。     

脉冲储能型重复频率Yb:YAG片状激光放大器ASE效应研究

探讨了脉冲储能型重复频率片状Yb:YAG激光放大器抽运过程中的自发辐射放大（ASE）效应和能量提取过程.在Yb³⁺离子抽运动力学的基础上,建立了抽运过程中的自发辐射放大模型,计算了Yb:YAG晶体中三维含时储能密度分布和全片可提取能量.讨论了不同介质尺寸、掺杂浓度及厚度、介质温度参数下,自发辐射放大对储能的影响.给出了较为优化的设计,将有助于基于Yb激光材料的大能量二极管抽运的固体激光器设计. 关键词： 脉冲储能 Yb:YAG激光放大器 自发辐射放大（ASE）     

高功率双掺杂浓度板条激光技术研究

开展了高功率双掺杂浓度板条激光技术的理论与实验研究,通过分段掺杂有效降低了板条长度方向上的吸收抽运功率密度的不均匀性,显著提高了单个激光板条的平均储能密度,总储能提高了39%。当二极管总抽运功率为15kW时,3kW的种子光源通过双掺杂板条可提取5.16kW的功率,这个数值相比单掺杂板条增加了36%,且光光转换效率为34.4%,与理论预期基本相符。