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平面波導結構YAG/Nd:YAG/YAG激光陶瓷研究進展

已有 2537 次閱讀 2016-7-6 14:03 |個人分類:透明陶瓷|系統分類:科研筆記

激光二極管泵浦是實現高效率激光輸出的關鍵,然而為保證高光束質量,必須改進增益介質本身的幾何形狀。因為激光發射過程中會產生大量廢熱,這些熱量如果不及時散發出去會對增益介質產生擾動,影響光束質量。采用平面波導材料作為增益介質的激光器,同時具有塊狀固體激光器功率高和光纖激光器能量轉換效率高的優點。鍵合技術是實現平面波導激光增益介質的常見技術途徑,但大縱橫比的平面波導材料仍存在芯層厚度難控制和鍵合強度低等問題。

陶瓷平面波導結構是激光陶瓷板條的自然進化,是一種高縱橫比的三明治結構,由高折射率的波導層和周圍低折射率包層組成,具有對泵浦吸收效率高,縱橫比大,比表面積大等特點。平面波導結構激光陶瓷不僅可及時傳導激光發射中產生的廢熱,避免熱透鏡效應,還能增加增益介質中的光密度,從而實現低閾值、高功率的激光輸出。流延成型技術是一種精度高、膜厚度和組分可控性強的陶瓷成型工藝。采用流延成型和陶瓷燒結技術可以克服單晶鍵合技術的缺陷,實現平面波導結構激光陶瓷的一體化制備。中國科學院上海硅酸鹽研究所透明光功能陶瓷課題組在國際上首次采用流延成型和陶瓷燒結技術成功制備了高質量的平面波導結構YAG/Nd:YAG/YAG透明陶瓷(見圖1),相關結果發表在Opt. Mater. Express2014, 4: 1042-1049)。

1(a)陶瓷流延膜表面FESEM形貌;(b)流延膜實物照片;(c)平面波導結構YAG/Nd:YAG/YAG透明陶瓷的實物照片和直線透過率曲線;(d)波導層Nd3+的分布圖

中國科學院上海硅酸鹽研究所研制的YAG/Nd:YAG/YAG陶瓷平面波導作為激光放大器的增益介質經中國工程物理研究院應用電子學研究所高清松研究員團隊驗證,獲得了100 Hz重復頻率下327 mJ單脈沖能量的激光輸出。這是國際范圍內采用非水基流延成型制備的該種陶瓷平面波導達到的最大單脈沖能量輸出。相關研究成果作為Cover Story發表在Chin. Opt. Lett. (2016,14: 051404),并被美國光學學會(OSA)官網做了題為“YAG/Nd:YAG/YAG ceramic planar waveguide laser amplifierwith 327-mJ output at 100-Hz repetition rate”的專題報道。(相關報道鏈接:https://www.osapublishing.org/china/news/spot-yagcpwla.inc.cfm#chinese)。

2單通YAG/Nd:YAG/YAG陶瓷平面波導激光放大器系統示意圖

2是單通YAG/Nd:YAG/YAG陶瓷平面波導激光放大器系統示意圖。整個激光器系統包括三個主要部分:種子源,種子光耦合系統,以及放大器。種子源為雙棒串接的Nd:YAG振蕩器。放大器增益介質尺寸為1 mm×10 mm×60 mm,1 mm厚度上為YAG/Nd:YAG/YAG陶瓷波導結構,并且兩端各有5 mm的非摻雜YAG端帽。抽運源經過慢軸縮束快軸聚焦后,以特定的角度傾斜抽運平面波導介質。種子光從波導一端注入,放大光從另一端輸出。高清松研究員認為,該平面波導結構陶瓷激光放大器不僅具有輸出能量高、效率高的優點,而且它的體積非常小能夠實現激光器系統的小型化、輕量化,是未來數年高能全固態激光器的主要發展方向之一。




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