近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院健康所江海河課題組發(fā)表在國際期刊 Frontiers in Physics 的研究論文“2.79- m high peak power LiNbO3 acousto-optic Q-switched Er,Cr:YSGG laser with thermal lensing effect compensation”，被國際工程領(lǐng)域著(zhù)名科技機構“Advances In Engineering”（簡(jiǎn)稱(chēng)AIE）遴選為關(guān)鍵科學(xué)文章(a key scientific article)，并以“Enhancing Mid-Infrared Er, Cr: YSGG Laser Pulse Performance via LiNbO3 Acousto-Optic Q-Switching and Thermal Lensing Compensation”為題進(jìn)行了專(zhuān)題報道。
3-12 m波長(cháng)范圍的中紅外激光器在醫療、材料加工、環(huán)境監測等領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用。對高效、高功率中紅外光源的追求引導著(zhù)人們對各種激光材料和結構的探索，其中，2.79 m波長(cháng)的Er, Cr: YSGG激光晶體，由于其具有高效率和適用于較為經(jīng)濟的閃光燈泵浦，已被認為是一種很有前景的活性介質(zhì)。Cr3+離子的摻入提高了能量傳遞效率，使其成為高重復頻率、高脈沖能量應用最具有吸引力的選擇。此外，聲光(AO)調Q技術(shù)可以精確控制激光脈沖的起始，該技術(shù)因其結構緊湊、插入損耗低和重復率高而備受青睞。然而，由于激光介質(zhì)內熱積累引起的熱透鏡效應，造成激光束畸變并降低輸出激光的效率和穩定性，給高重復頻率條件下保持激光高質(zhì)量輸出帶來(lái)重大挑戰。
江海河研究團隊構建了一個(gè)Er, Cr: YSGG激光系統，該系統在一個(gè)獨特設計的平-凸諧振腔中集成了一個(gè)自制的LiNbO3聲光Q開(kāi)關(guān)。所使用的聲光介質(zhì)是一種新型結構的LiNbO3晶體，其在3 m波長(cháng)范圍內具有較高的透射率，較低的聲光衰減系數(1 dB/cm@1 GHz)和較高的損傷閾值(>200 MW/cm2)。綜合考慮到介質(zhì)導熱系數、激光棒的橫截面面積和溫度梯度等因素，精心設計了實(shí)驗裝置，以提高激光器的輸出性能，降低高重復頻率下聲光Q開(kāi)關(guān)的損壞風(fēng)險，研制出高性能的2.79 m Er, Cr: YSGG激光器。
在理論和實(shí)驗的基礎上，研究人員提出了一種補償熱透鏡效應的平-凸諧振腔設計。實(shí)驗結果表明，所設計的平-凸諧振腔補償了熱透鏡效應，顯著(zhù)提高了激光器的性能。在自由運轉模式下，激光器在60 Hz下實(shí)現了160 mJ的最大脈沖能量；與平-平諧振腔相比，脈沖能量增加了一倍。在聲光Q開(kāi)關(guān)模式下，激光器在60 Hz的最大輸出調Q脈沖能量達到8.5 mJ，最小脈沖持續時(shí)間為60.8 ns，相應的峰值功率約為140 kW。與傳統的平-平諧振腔相比，相應的脈沖能量增加了1.6倍，峰值功率增加了2.3倍。改進(jìn)后的諧振腔設計不僅增強了脈沖能量和峰值功率，而且有助于在高重復頻率下提高輸出光束質(zhì)量和穩定性。
該創(chuàng )新性的方法顯著(zhù)提高了激光器的輸出性能，使其成為中紅外波段中需要高峰值功率和窄脈沖持續時(shí)間的應用的有希望的候選者。該研究為激光物理和工程提供了有益的見(jiàn)解，也為實(shí)際應用提供了一種新的開(kāi)發(fā)更高效、更強激光系統的途徑。
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相關(guān)文章原文鏈接: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fphy.2023.1201822/full
圖1. 基于LiNbO3聲光Q開(kāi)關(guān)的2.79 m Er, Cr: YSGG激光系統原理圖
圖2. 脈沖能量和脈沖寬度的特性曲線(xiàn)隨泵能量的變化
