科学岛团队在低热效应端泵渐变掺杂Nd:YAG晶体和高亮度激光器研究上取得新进展

【导语】近期，中国科学院合肥物质科学研究院的科研团队在激光技术领域取得了突破性进展。他们通过合作研究，成功优化了渐变掺杂Nd:YAG晶体的浓度分布，显著提升了激光器的输出功率、转换效率和光束质量。这一创新性的解决方案不仅改善了高功率端面泵浦激光器的热效应，还为棒状晶体高亮度激光装备的工程应用奠定了坚实基础。相关研究成果已发表于国际权威期刊上，标志着我国在激光技术领域的又一次重要飞跃。

近期，中国科学院合肥物质院健康所医用激光技术实验室与合肥物质院安光所激光技术中心合作，在端泵渐变掺杂Nd:YAG晶体热效应研究和激光输出性能提升方面取得重要进展：通过进一步优化渐变掺杂晶体的浓度分布，成功实现了近衍射极限光束质量下的更高峰值功率激光输出，为高功率端面泵浦激光器热效应的改善和转换效率的提升提供了创新性的解决方案。相关成果发表于国际光学领域权威期刊Optics & Laser Technology和(hé)Infrared Physics & Technology上。

增益介质的热效应始终是制约激光技术发展的关键瓶颈。传统均匀掺杂晶体因泵浦光轴向衰减吸收，在高功率泵浦下会产生显著的温度梯度和热应力等热效应，限制了应力断裂极限下的泵浦功率和激光器性能的提升。渐变掺杂晶体为解决这一问题提供了新思路，通过轴向连续提高激活离子的浓度，能够显著增加吸收长度，有效改善传统均匀掺杂晶体的热效应。本研究聚焦端泵渐变掺杂Nd:YAG晶体的热效应及其抑制，通过建立渐变掺杂晶体的数值模型，理论分析了掺杂浓度分布对晶体温度场及应力-应变场的影响，为新型渐变掺杂晶体的优化设计和生长提供了指导。

本研究理论分析和实验验证了优化设计的渐变掺杂（0 at.% + 0.17~0.38 at.%）Nd:YAG晶体的激光性能。通过更加平缓的浓度分布，进一步平滑均匀了纵向泵浦光的吸收分布，减少了温度梯度，热透镜焦距增大了42%；降(jiàng)低(dī)了(le)热(rè)应(yīng)力(lì)和(hé)端(duān)面(miàn)变(biàn)形(xíng)，显(xiǎn)著(zhe)提(tí)高(gāo)了(le)应(yīng)力(lì)断(duàn)裂(liè)极(jí)限(xiàn)的(de)泵(bèng)浦(pǔ)功(gōng)率(lǜ)。研(yán)究(jiū)团(tuán)队(duì)首(shǒu)先(xiān)在(zài)连(lián)续(xù)泵(bèng)浦(pǔ)条(tiáo)件(jiàn)下(xià)，对(duì)该(gāi)单(dān)端(duān)泵(bèng)浦(pǔ)单(dān)棒(bàng)Nd:YAG晶(jīng)体(tǐ)热(rè)效(xiào)应(yīng)的(de)改(gǎi)善(shàn)和(hé)激(jī)光(guāng)性(xìng)能(néng)的(de)提(tí)升(shēng)进(jìn)行(xíng)了(le)研(yán)究(jiū)，当(dāng)808 nm半(bàn)导(dǎo)体(tǐ)激(jī)光(guāng)泵(bèng)浦(pǔ)功(gōng)率(lǜ)提(tí)高(gāo)到(dào)110 W时(shí)，仍(réng)能(néng)保(bǎo)持(chí)较(jiào)好(hǎo)的(de)输(shū)出(chū)功(gōng)率(lǜ)增(zēng)长(zhǎng)；在(zài)60 W泵(bèng)浦(pǔ)功(gōng)率(lǜ)下(xià)，获(huò)得(de)了(le)最(zuì)大(dà)51.9%的(de)光(guāng)-光(guāng)效(xiào)率(lǜ)，最(zuì)大(dà)斜(xié)效(xiào)率(lǜ)为(wèi)57.4%。在(zài)此(cǐ)基(jī)础(chǔ)上(shàng)，研(yán)究(jiū)团(tuán)队(duì)利(lì)用(yòng)该(gāi)晶(jīng)体(tǐ)进(jìn)一(yī)步(bù)研(yán)制(zhì)了(le)高(gāo)亮(liàng)度(dù)的(de)电(diàn)光(guāng)调(diào)Q激(jī)光(guāng)器(qì)，设(shè)计(jì)了(le)平(píng)-凸(tū)腔(qiāng)热透镜效应补偿方案，并选择与掺杂浓度相匹配的0.6-mm泵浦光斑半径，有效控制腔内增益强度和模体积，显著改善了热效应并提升了激光输出性能。在2 kHz重复频率下，获得了12 W的1064 nm电光调Q激光输出，相应的峰值功率为882 kW，水平和垂直方向上的光束质量分别为1.240和1.251，亮度达到了5.02×1013 W/(cm2·Sr)，创下了单端泵浦单棒Nd:YAG激光器亮度的新纪录。

研究表明优化设计的低热效应、低掺杂的新型渐变掺杂晶体在高功率运转时具有优异的激光性能，实(shí)现(xiàn)了(le)输(shū)出(chū)功(gōng)率(lǜ)、转(zhuǎn)换(huàn)效(xiào)率和光束质量的协同优化，为渐变掺杂晶体的进一步优化设计、端泵激光器热效应的改善和转换效率的提高提供了方向，也为棒状晶体高亮度激光装备的工程应用奠定了基础。

图1 渐变掺杂晶体轴向截面的数值模拟结果图：（a）0.39 ~ 0.80 at.%晶体；（b）0.17 ~ 0.38 at.%晶(jīng)体(tǐ)；（c）0 at.% + 0.17 ~ 0.38 at.%晶(jīng)体(tǐ)

图(tú)2 不(bù)同(tóng)浓(nóng)度(dù)晶(jīng)体(tǐ)的(de)自(zì)由(yóu)运(yùn)转(zhuǎn)输(shū)出(chū)功(gōng)率(lǜ)

图(tú)注(zhù)：内(nèi)嵌(qiàn)图(tú)为(wèi)端(duān)帽(mào)键合(hé)的(de)渐(jiàn)变(biàn)掺(càn)杂(zá)（0 at.% + 0.17 ~ 0.38 at.%）Nd:YAG晶(jīng)体的转换效率随泵浦功率的变化

图3 不同浓度晶体的调Q激光输出功率随着泵浦功率的变化

图注：未标注的光斑尺寸为0.6 mm

图4 最大输出功率下，渐变掺杂（0 at.% + 0.17 ~ 0.38 at.%）Nd:YAG晶体的激光输出特性：（a）脉冲持续时间；（b）相应的脉冲(chōng)序(xù)列(liè)；（c）光(guāng)束(shù)质(zhì)量(liàng)和(hé)光束轮廓；（d）30 min的(de)输(shū)出(chū)功(gōng)率(lǜ)稳(wěn)定(dìng)性(xìng)