高轉(zhuǎn)換效率的Cr4+-Y3Al5O12被動(dòng)調(diào)Q Yb-Y3Al5O12微片激光器性能研究.pdf

1、激光二極管(laser diode，LD)泵浦的被動(dòng)調(diào)Q固體激光器輸出的脈沖激光峰值功率高、脈沖序列短、重復(fù)頻率高、光束質(zhì)量高，而且體積小、壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性好，在激光點(diǎn)火、材料加工、激光醫(yī)學(xué)等方面具有巨大的發(fā)展前景。本文首先介紹了高轉(zhuǎn)換效率的LD泵浦的被動(dòng)調(diào)Q固體激光器的研究背景和發(fā)展前景，接著概述了LD泵浦的被動(dòng)調(diào)Q固體激光器的工作原理及組成部分，依次介紹了激光二極管、Cr4+∶Y3Al5O12(Cr4+∶YAG)晶體和Yb3+∶Y3A

2、l5O12(Yb3+∶YAG)晶體。接著，總結(jié)和回顧了摻Y(jié)b3+離子材料作為激光增益物質(zhì)的被動(dòng)調(diào)Q激光器和Yb∶Y3Al5O12強(qiáng)化Cr, Yb∶Y3Al5O12自調(diào)Q激光器的的研究歷史。
　　隨著泵浦功率的增加，Yb∶YAG晶體會(huì)出現(xiàn)比較明顯的熱效應(yīng)，由于它是典型的準(zhǔn)三能級(jí)結(jié)構(gòu)，溫度的升高會(huì)使Yb∶YAG晶體下能級(jí)的粒子數(shù)目急劇增加，從而限制激光器的光-光轉(zhuǎn)換效率的提升。
　　增大泵浦功率密度或降低增益介質(zhì)的溫度可有效提升

3、激光器的光-光轉(zhuǎn)換效率。W.Z.Zhuang用鉆石表面冷卻的方法獲得了25％的光-光轉(zhuǎn)換效率，這是無(wú)鉆石冷卻條件下的轉(zhuǎn)換效率的3倍。采用鉆石或藍(lán)寶石等熱傳導(dǎo)性能好的材料進(jìn)行散熱或采用低溫冷卻系統(tǒng)對(duì)激光器進(jìn)行控溫使激光器的結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，這與被動(dòng)調(diào)Q固體激光器集成化、小型化的趨勢(shì)及前景不符。
　　在Yb∶YAG晶體中共摻Cr4+離子后，Cr, Yb∶YAG晶體的熒光壽命隨Cr4+離子的摻雜濃度的增大而減小。并且，由于Cr4+∶YA

4、G晶體在800nm～1300nm具有較寬的吸收光譜，Cr, Yb∶YAG晶體中的Cr4+離子在Yb3+離子的吸收帶（940 nm附近）對(duì)激光有很強(qiáng)的吸收，因此，Cr, Yb∶YAG不能有效地吸收和利用泵浦光。同時(shí)，在共摻Cr4+離子后，Cr, Yb∶YAG晶體缺陷增多，激光諧振腔的損耗變大，激光器的閾值較高，轉(zhuǎn)換效率較低。如果進(jìn)一步增加Cr4+離子的濃度，激光器的輸出效率更低，甚至不能產(chǎn)生激光。采用Yb∶YAG強(qiáng)化Cr, Yb∶YAG的

5、方法，Yb∶YAG吸收大部分的泵浦光，Cr, Yb∶YAG晶體吸收殘余的泵浦光，同時(shí)發(fā)揮被動(dòng)調(diào)Q作用，可增大增益介質(zhì)對(duì)泵浦光的吸收效率，提高反轉(zhuǎn)粒子數(shù)。
　　本文在室溫下實(shí)現(xiàn)了極高轉(zhuǎn)換效率的940 nm高亮度單管LD泵浦的Cr4+∶Y3Al5O12被動(dòng)調(diào)Q Yb∶Y3Al5O12微片激光器及高轉(zhuǎn)換效率的940 nm準(zhǔn)連續(xù)(Quasi-continuous-wave，QCW) LD泵浦的Yb∶Y3Al5O12強(qiáng)化Cr4+，Yb3+∶

6、Y3Al5O12自調(diào)Q微片激光器。
　　采用中心波長(zhǎng)為940 nm的高亮度單管激光二極管作為泵浦源，采用厚度為1.2 mm、Yb3+摻雜濃度為10 at.％的Yb∶YAG晶體作為增益介質(zhì)和厚度為1.5mm、初始透過(guò)率為95％的Cr4+∶YAG晶體作為被動(dòng)調(diào)Q開(kāi)關(guān)，研究了Cr4+∶Y3Al5O12被動(dòng)調(diào)Q Yb∶Y3Al5O12微片激光器的性能。在輸出耦合鏡(OC)透過(guò)率Toc為40％的條件下，當(dāng)吸收泵浦功率為3.5W時(shí)，獲得了最大

7、平均輸出功率是1.53 W，斜率效率是51％，光-光轉(zhuǎn)換效率高達(dá)44％的激光輸出。通過(guò)實(shí)驗(yàn)詳細(xì)地研究和分析了輸出耦合鏡透過(guò)率和泵浦功率大小對(duì)激光器性能的影響，證明了使用高泵浦強(qiáng)度的激光二極管作為泵浦源為室溫下獲得高峰值功率、高轉(zhuǎn)換效率的被動(dòng)調(diào)Q固體激光器提供了一種全新并且行之有效的思路。
　　首次采用波長(zhǎng)為940 nm的準(zhǔn)連續(xù)激光二極管作為泵浦源，采用厚度為1.2mm、Yb3+摻雜濃度為10 at.％的Yb∶YAG作為增益介質(zhì)，采

8、用厚度為0.5 mm、Yb3+摻雜濃度為10 at.％、Cr4+∶YAG初始透過(guò)率為94％的Cr, Yb∶YAG晶體作為增益介質(zhì)和被動(dòng)調(diào)Q開(kāi)關(guān)，研究了Yb∶Y3Al5O12強(qiáng)化Cr4+，Yb3+∶Y3Al5O12自調(diào)Q微片激光器的激光特性。當(dāng)輸入泵浦能量為48.2 mJ時(shí)，輸出激光的能量是11.7 mJ，光-光轉(zhuǎn)換效率是24.3％。通過(guò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)地研究和分析了泵浦脈沖寬度、泵浦功率和泵浦重復(fù)頻率對(duì)激光性能的作用和影響，研究結(jié)果說(shuō)明采用準(zhǔn)連