高效率连续波运转的激光二极管端面抽运914 nm Nd:YVO4激光器

利用激光二极管(LD)抽运Nd∶YVO4晶体产生914 nm谱线振荡,再通过腔内倍频技术获得457 nm激光输出,是获得大功率蓝光激光器的一条重要的技术路线,因而实现高效率运转的914 nm激光输出则是方案的关键。报道了激光二极管端面抽运Nd∶YVO4晶体、连续波运转的大功率914 nm准三能级激光器,方案中采用掺杂原子数分数为0.1%的低掺杂Nd∶YVO4晶体,有效地降低了热效应的影响,并通过准三能级理论模型的模拟计算选择了最佳晶体长度;通过对腔镜介质膜参数的适当控制,有效地抑制了波长为1064 nm和1342 nm的高增益谱线。实验中,914 nm激光器的阈值抽运功率仅为8.5 W,在31 W的抽运功率下914 nm激光输出功率高达7.2 W,激光器的斜率效率为32%,光-光转换效率为23.2%。     

LD环形侧面抽运晶体吸收能量分布特性研究

针对激光晶体不同的表面处理方式,建立了多个半导体激光器阵列同时抽运激光晶体时吸收抽运光功率分布的数学模型,采用光线追迹的方法计算了半导体激光器环形侧面抽运高功率固体激光器中激光晶体对抽运光的吸收分布情况。重点根据不同表面处理方式的激光晶体对抽运光的吸收情况,分析了晶体表面处理对抑制ASE效应和获得高效率激光输出的影响。结果表明,晶体表面散射率的提高,能够有效地抑制ASE效应的产生,但同时会降低抽运光与激光输出的模式匹配程度,降低激光器的效率。     

20.6W激光二极管直接上能级抽运Nd:YVO4薄片激光器

使用自行搭建的24通抽运系统,实现了880nm激光器二极管直接上能级抽运的Nd:YVO4薄片激光器。采用厚度为0.3mm、掺杂原子数分数为0.5%的Nd:YVO4薄片晶体,在39.3W的抽运功率下获得了20.6 W的1064nm连续激光输出,光-光转换效率超过50%。     

激光二极管双端抽运Tm:YLF 1.9 μm激光器

报道了一种激光二极管(LD)双末端抽运Tm:YLF激光器,在1.9 μm处获得了连续波(CW)输出。1.9 μm激光可用于抽运Ho晶体获得2 μm激光。在理论上,分析了掺Tm3+激光器的运转机制和能量转换损耗,计算出Tm:YLF激光器在理论上的斜率效率达到50%。在实验上,抽运源使用工作波长为792 nm的光纤耦合激光二极管,抽运光均分为两束双端抽运Tm:YLF晶体,两块晶体串接在折叠腔内。Tm:YLF 晶体的掺杂原子数分数为4%, 尺寸为3 mm×3 mm×12 mm。测量了输出镜在不同透射率情况下激光器的输出激光波长,当输出镜透射率T=26%时,在1.9μm处获得20.1 W的连续波激光输出,相应的抽运功率为75 W,阈值抽运功率为9 W,斜率效率为34%,光-光转换效率为27%。     

列阵半导体激光侧面抽运研究

目前国内外在半导体抽运激光器中有多种侧面抽运方案,如多管四周均布,三管1200均布等方案,这些抽运方案虽成像较好,但结构复杂,成本高,抽运效率却无明显提高.本文采用双LD列阵侧面垂直径向入射抽运方案.本方案中所用准连续列阵半导体激光器长4 cm,发射线宽1 μm,垂直于结方向发散角近似400,平行于结方向发散角接近100,配合Nd∶YAG激光晶体棒选择合适几何尺寸的柱面镜,并充分利用LD列阵400的发散角,使每个LD列阵发出的抽运光以900会聚径向入射到Nd∶YAG激光晶体棒内,并沿同一径向使抽运光全反入射到晶体内.由于抽运光是沿Nd∶YAG激光晶体棒径向入射,降低了晶体棒表面反射损耗,在晶体内沿每一径向有抽运光通过,抽运光在晶体内分布比较均匀,并充满了整个晶体.同时在腔体表面镀有对808 nm抽运光高透和全反膜,增加入射抽运光透射率和回程抽运光反射率.因此整个装置结构简单,损耗小,抽运效率高.经实验测试,在高重复率电光调谐激光器中,静态激光输出转换效率25%,动态激光输出转换效率15%,输出低阶模.可以看出该列阵半导体激光侧面垂直抽运体积和模体积交叠较好,整个激光器具有结构紧凑,体积小,抽运效率高等优点.该侧面抽运方式具有良好的应用前景.(PC3)     

双端抽运双Nd∶YVO4连续绿光激光器

为了提高半导体激光器抽运的全固态激光器的输出功率与光-光转换效率,设计并使用了双端抽运双Nd∶YVO4绿光激光器.通过激光晶体温度场特性的研究以及依据光束的传输矩阵,分析了双激光晶体热透镜效应对于谐振腔稳定性的影响,设计了双端抽运双激光晶体折叠腔.在双端抽运双Nd∶YVO4绿光激光器系统中,LBO晶体采用了Ⅰ类非临界相位匹配腔内倍频方式,当抽运光功率为26.56 W时,获得了5.5 W的稳定连续绿光输出,其光-光转换效率为20.7%.结果同时表明,在谐振腔内插入双激光增益介质,不仅可以提高激光器的光-光转换效率,而且两个激光晶体热透镜效应相互作用的结果可以增强谐振腔的稳定性.     

室温下高效率连续波激光二极管端面抽运Tm:YAP激光器

报道了一种室温下高效率运行的激光二极管(LD)端面抽运Tm:YAP连续波激光器.抽运源使用波长为795 nm的光纤耦合二极管激光器,Tm:YAP晶体c轴切割,掺杂原子数分数为3%,尺寸为3 mm×3 mm×7 mm.当输出镜透过率T为10%时,获得8.12 W的1.94 μm连续波激光输出,相对应的抽运功率为26.2 W,阈值抽运功率为4.67 W,斜率效率为52.1%,光一光转换效率为31.0%.使用光栅单色仪测得激光器输出中心波长为1938.2nm,谱线半峰全宽约为2.9 nm.     

腔内倍频Nd3+:GdVO4/LBO深蓝456 nm激光器的工作特性

在激光二极管(LD)抽运腔内倍频Nd3 :GdVO4/LBO深蓝456 nm激光器中.为对比激光品体掺杂浓度对倍频输出功率的影响.利用同样尺寸为3 mm×3 mm×2 mm,稀土离子掺杂原子数分数分别为0.15和0.25的Nd3 :GdVO4品体作为对比.实验中利用同样长为20 mm的线性直腔,在使用10 mm长、按基频光为914 nm方向切割的Ⅰ类相位匹配倍频晶体LBO,在抽运功率为2.85 w时,前者获得了输出率为105 mW的深蓝456 nm激光,明显高于后者.通过对准三能级激光晶体的最佳长度分析表明,掺杂原子数分数为0.15的Nd3 :GdVO4晶体与0.25的相比,其实际长度更加接近于最佳长度.通过对倍频晶体LBO的最佳切割角和温度控制等分析表明,利用针对914 nm基频光切割的LBO晶体在912 nm激光器中.其切割角的差别可以通过温控的改变得到补偿.     

角抽运Nd∶YAG复合板条1.1μm多波长连续运转激光器

报道了一种适合中小功率输出的全固态激光器的角抽运方法,抽运光从板条激光器中板条晶体的角部入射,可获得较高的抽运效率和较好的抽运均匀性。采用单角抽运方式,进行了角抽运Nd∶YAG复合板条1.1μm多波长连续运转激光器的实验研究。激光腔采用紧凑型平平直腔结构,腔长仅为22 mm。当注入抽运功率为50.3 W时,1.1μm多波长激光连续输出功率最高达10.9 W,光光转换效率为21.7%,斜率效率为22%。当注入抽运功率为48 W时,1.1μm多波长激光连续输出功率短期不稳定性小于0.6%。     

蓝光激光二极管抽运Pr:YLF绿光激光器

报道了蓝光激光二极管抽运的掺镨氟化钇锂(Pr:YLF)固体绿光激光器。采用长度5mm、掺杂离子数分数为0.5%的Pr:YLF晶体作为激光增益介质,在中心波长444nm的蓝光激光二极管抽运下,获得波长522.4nm的连续绿光激光输出。应用不同透射率的输出耦合镜研究了激光器的输入输出特性。在吸收抽运光功率530mW,输出镜透射率为1.9%时获得最大输出功率为90.1mW,斜率效率达到65.3%。     

二极管角部抽运Nd:YAG基模激光器

为了分析角部抽运方式在中小功率激光器设计中的可行性,基于光线追迹法,计算了不同的激光介质几何结构参量和不同的二极管温度条件下角部抽运复合板条激光器的抽运效率和抽运均匀性。从模拟计算结果可知,只要选择合理的激光介质结构参量,角抽运方式能得到高的抽运效率和较好的抽运均匀性。设计了一种角部抽运Nd:YAG复合板条激光器,在45W的抽运功率下获得了12W的激光输出,光光转换效率约为26.7%,在40W抽运时光束质量Mx2=1.47,My2=1.36。理论分析和实验设计表明,角抽运方式在小功率激光器设计中是可行的。     

固体激光器晶体吸收光场的设计仿真

设计了3类8种二极管侧面泵浦结构,构建了相应的泵浦光学理论模型,采用有限元分析方法,计算了不同结构下的吸收效率和矩阵元素标准差。首先,在给定泵浦总功率、芯片间距、掺杂浓度等前提下,随着泵浦距离在0～5 mm内递增,8种泵浦结构中激光晶体的吸收效率呈降低趋势,矩阵元素标准差也逐渐减小,其中部分结构在近距离(0～0.3 mm)泵浦时矩阵元素标准差变化程度较大,在实际应用中应避免泵浦距离处于近距离区间。其次,在相同结构参量下,随着晶体掺杂浓度在0.6%～1.0%内增加,激光晶体的吸收效率提高,同时,掺杂浓度提升也是造成截面中心峰值降低或半径方向上光场凹陷的原因。因此,掺杂浓度和泵浦距离的匹配将是提升半径方向上均匀性分布的有效手段。     

激光晶体热效应的阶梯泵浦技术

针对大功率固体激光器热效应纵向分布不均匀,提出分散热效应思路。根据激光晶体的吸收系数和掺杂浓度的关系设计了阶梯泵浦技术。以LD端面泵浦Nd：YAG固体激光器为例,讨论了激光晶体的最佳分段数、每段晶体的最佳掺杂浓度和最佳长度,仿真分析了热效应的改善情况。结果表明,阶梯泵浦技术能有效降低激光晶体的温度,使泵浦光的吸收功率密度分布、热效应沿轴向分布更均匀。     

基于1S0能级的Pr3+:ZBLAN光纤上转换紫外激光的数值模拟

在Pr3 ∶ZBLAN光纤中,运用粒子数速率方程理论,研究用586 nm和335 nm连续激光双光子激发4f组态最高能级1S0,以1S0和3F4为激光上下能级实现250 nm上转换紫外激光的动力学行为,得到阈值抽运功率、激光输出功率、斜率效率和最佳光纤长度等激光参数。结果表明,阈值抽运功率随光纤长度增加而增大,斜率效率随光纤长度增加而减小,光纤较短时,无法获得较高输出功率。掺杂浓度越大则阈值抽运功率越小,斜率效率越大。在选取的特定条件下,斜率效率最高可达16.7%。     

蓝光二极管双端抽运Pr:YLF晶体320 nm紫外激光器（特邀）

设计了一种采用不同波长的蓝光二极管合光作为抽运源并采用双端抽运的方式抽运Pr:YLF晶体320 nm紫外激光器。该激光器结构采用V型折叠腔结构,使用波长分别为444 nm和469 nm、抽运功率分别为3 W和1.4 W的蓝光激光二极管作为抽运源,对12 mm长、0.3%掺杂浓度的Pr:YLF晶体进行抽运,并且使用三硼酸锂晶体作为倍频晶体来实现倍频,匹配方式为I类相位匹配。通过对谐振腔参数进行优化,当5700 mW的抽运功率注入晶体时,输出了1005 mW最大输出功率的320 nm紫外连续激光,光光转换效率约为17.6%。     

LD泵浦的1.3at.%Er3+: CaF2中红外高功率固体激光器（特邀）

3 μm波段激光是高精度外科手术的理想光源,也可作为长波中红外光参量振荡器的有效泵浦源。LD直接泵浦Er3+掺杂晶体是获得2.7~3 μm波段中红外激光的有效技术途径,具有成本低、结构紧凑简单等优点。由于Er3+ 2.8 μm激光下能级阻塞问题,一般需要高浓度掺杂,但高浓度掺杂易引起强烈的光吸收,增强了激光晶体的热效应,从而阻碍了激光功率的提升。低声子能量的氟化钙晶体特有的萤石型结构使得三价稀土离子极易形成“团簇”,将低浓度Er3+掺杂到氟化钙晶体中即可获得高效率的中红外激光增益介质。笔者课题组使用温度梯度法成功生长了低浓度掺杂1.3at.%Er3+: CaF₂激光晶体,利用LD直接泵浦获得了2.2 W的中红外激光输出,这是目前利用LD端面泵浦同类晶体中的最高中红外激光输出功率。同时,文中还对上转换泵浦方式下该晶体的2.8 μm激光特性进行了研究。实验结果表明,低浓度掺杂的1.3at.%Er3+: CaF₂晶体是一类具有产业化前景的中红外激光材料,有望推动长波中红外激光器向着结构紧凑、成本低的方向发展。     

激光器免温控泵浦源的多波长选择理论

为了实现激光器在一定温度范围内LD泵浦源免温控稳定工作,具有较高并且稳定的泵浦光吸收效率,分析了DPL激光器中LD发射谱和Nd:YAG增益介质吸收谱的特点及匹配问题,据此提出了一种激光器免温控泵浦源的多波长选择理论和方法,同时增加泵浦光吸收长度克服Nd:YAG吸收谱和LD波长失配的不利影响。优化设计了一个波长为802.35 nm@25℃、813.15 nm@25℃和810.95 nm@25℃的三波长LD泵浦方案,计算结果表明:在一定吸收长度下,多波长泵浦光吸收效率可达73.96%,并且在-15.7~65.7℃宽温度波动范围内,激光器输出能量不稳定度优于5%。同时还模拟分析了增益介质吸收长度和掺杂浓度对泵浦光吸收效率的影响。     

梯度浓度掺杂复合板条抽运分布均匀性的分析

为了提高板条介质内抽运分布的均匀性,基于LD双端抽运Nd:YAG陶瓷板条放大器设计方案,理论分析了端面抽运条件下,单一浓度掺杂和梯度浓度掺杂板条介质吸收的抽运功率密度分布情况。通过分析可知,对于单一浓度掺杂板条,会产生抽运效率与抽运吸收功率均匀性之间的相互制约问题,而采用梯度浓度掺杂板条介质,在较高的抽收效率情况下,抽运吸收功率分布更加均匀。结果表明,采用梯度浓度掺杂结构可以提高板条介质内抽运分布的均匀性。     

914 nm LD泵浦RTP电光调Q的高效率Nd:YVO4激光器

报道了一种激光二极管（LD）端面连续抽运的高重频、高光光效率电光调Q Nd:YVO4激光器。采用RbTiOPO4（RTP）晶体对作为调Q元件,通过减小热效应和模式匹配技术,实现了高效率的高重频窄脉宽1 064 nm脉冲激光输出。一方面采用低吸收系数的914 nm波长抽运Nd:YVO4晶体,使晶体内热分布均匀,从而获得高量子效率的同时减小了热效应影响。另一方面通过优化泵浦光斑半径,实现泵浦光和振荡光好的模式匹配。在重频200 kHz时,获得了最高输出功率16 W,脉宽9 ns,单脉冲能量80 J,光束质量M21.2的稳定脉冲激光,泵浦吸收功率31 W,对应的光光转化效率为51.6%。据笔者所知,这是RTP电光调Q实现的最高效率的脉冲激光器。     

高冲程薄片激光器抽运结构的设计

为了实现薄片激光器高吸收转换效率的目的,采用多次抽运吸收的方式,结合光斑离轴非对称反射抛物面和光斑对称分布非球面的抽运结构,提出了一种可以提高非球面光束分布占空比的高冲程抽运的新方法。设计了多种不同抽运冲程的结构,使用ZEMAX模拟验证了24冲程抽运时的光路分布和光斑位置图,通过比尔吸收定律理论计算了不同抽运冲程下薄片晶体对抽运光的吸收效率。结果表明,所设计的24冲程、36冲程、40冲程和80冲程的抽运结构,其中36冲程的吸收效率的性价比最高。该研究对高功率、高冲程、小体积的抽运结构设计具有指导作用。