高轉(zhuǎn)換效率的Cr4+-Y3Al5O12被動調(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、穩(wěn)定性好，在激光點火、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)的被動調(diào)Q激光器和Yb∶Y3Al5O12強化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晶體會出現(xiàn)比較明顯的熱效應(yīng)，由于它是典型的準(zhǔn)三能級結(jié)構(gòu)，溫度的升高會使Yb∶YAG晶體下能級的粒子數(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)性能好的材料進行散熱或采用低溫冷卻系統(tǒng)對激光器進行控溫使激光器的結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，這與被動調(diào)Q固體激光器集成化、小型化的趨勢及前景不符。
　　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）對激光有很強的吸收，因此，Cr, Yb∶YAG不能有效地吸收和利用泵浦光。同時，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，同時發(fā)揮被動調(diào)Q作用，可增大增益介質(zhì)對泵浦光的吸收效率，提高反轉(zhuǎn)粒子數(shù)。
　　本文在室溫下實現(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強化Cr4+，Yb3+∶

6、Y3Al5O12自調(diào)Q微片激光器。
　　采用中心波長為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、初始透過率為95％的Cr4+∶YAG晶體作為被動調(diào)Q開關(guān)，研究了Cr4+∶Y3Al5O12被動調(diào)Q Yb∶Y3Al5O12微片激光器的性能。在輸出耦合鏡(OC)透過率Toc為40％的條件下，當(dāng)吸收泵浦功率為3.5W時，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44％的激光輸出。通過實驗詳細(xì)地研究和分析了輸出耦合鏡透過率和泵浦功率大小對激光器性能的影響，證明了使用高泵浦強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初始透過率為94％的Cr, Yb∶YAG晶體作為增益介質(zhì)和被動調(diào)Q開關(guān)，研究了Yb∶Y3Al5O12強化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，輸出激光的能量是11.7 mJ，光-光轉(zhuǎn)換效率是24.3％。通過實驗系統(tǒng)地研究和分析了泵浦脈沖寬度、泵浦功率和泵浦重復(fù)頻率對激光性能的作用和影響，研究結(jié)果說明采用準(zhǔn)連