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平面波导结构YAG/Nd:YAG/YAG激光陶瓷研究进展

已有 3683 次阅读 2016-7-6 14:03 |个人分类:透明陶瓷|系统分类:科研笔记

激光二极管泵浦是实现高效率激光输出的关键,然而为保证高光束质量,必须改进增益介质本身的几何形状。因为激光发射过程中会产生大量废热,这些热量如果不及时散发出去会对增益介质产生扰动,影响光束质量。采用平面波导材料作为增益介质的激光器,同时具有块状固体激光器功率高和光纤激光器能量转换效率高的优点。键合技术是实现平面波导激光增益介质的常见技术途径,但大纵横比的平面波导材料仍存在芯层厚度难控制和键合强度低等问题。

陶瓷平面波导结构是激光陶瓷板条的自然进化,是一种高纵横比的三明治结构,由高折射率的波导层和周围低折射率包层组成,具有对泵浦吸收效率高,纵横比大,比表面积大等特点。平面波导结构激光陶瓷不仅可及时传导激光发射中产生的废热,避免热透镜效应,还能增加增益介质中的光密度,从而实现低阈值、高功率的激光输出。流延成型技术是一种精度高、膜厚度和组分可控性强的陶瓷成型工艺。采用流延成型和陶瓷烧结技术可以克服单晶键合技术的缺陷,实现平面波导结构激光陶瓷的一体化制备。中国科学院上海硅酸盐研究所透明光功能陶瓷课题组在国际上首次采用流延成型和陶瓷烧结技术成功制备了高质量的平面波导结构YAG/Nd:YAG/YAG透明陶瓷(见图1),相关结果发表在Opt. Mater. Express2014, 4: 1042-1049)。

1(a)陶瓷流延膜表面FESEM形貌;(b)流延膜实物照片;(c)平面波导结构YAG/Nd:YAG/YAG透明陶瓷的实物照片和直线透过率曲线;(d)波导层Nd3+的分布图

中国科学院上海硅酸盐研究所研制的YAG/Nd:YAG/YAG陶瓷平面波导作为激光放大器的增益介质经中国工程物理研究院应用电子学研究所高清松研究员团队验证,获得了100 Hz重复频率下327 mJ单脉冲能量的激光输出。这是国际范围内采用非水基流延成型制备的该种陶瓷平面波导达到的最大单脉冲能量输出。相关研究成果作为Cover Story发表在Chin. Opt. Lett. (2016,14: 051404),并被美国光学学会(OSA)官网做了题为“YAG/Nd:YAG/YAG ceramic planar waveguide laser amplifierwith 327-mJ output at 100-Hz repetition rate”的专题报道。(相关报道链接:https://www.osapublishing.org/china/news/spot-yagcpwla.inc.cfm#chinese)。

2单通YAG/Nd:YAG/YAG陶瓷平面波导激光放大器系统示意图

2是单通YAG/Nd:YAG/YAG陶瓷平面波导激光放大器系统示意图。整个激光器系统包括三个主要部分:种子源,种子光耦合系统,以及放大器。种子源为双棒串接的Nd:YAG振荡器。放大器增益介质尺寸为1 mm×10 mm×60 mm1 mm厚度上为YAG/Nd:YAG/YAG陶瓷波导结构,并且两端各有5 mm的非掺杂YAG端帽。抽运源经过慢轴缩束快轴聚焦后,以特定的角度倾斜抽运平面波导介质。种子光从波导一端注入,放大光从另一端输出。高清松研究员认为,该平面波导结构陶瓷激光放大器不仅具有输出能量高、效率高的优点,而且它的体积非常小能够实现激光器系统的小型化、轻量化,是未来数年高能全固态激光器的主要发展方向之一。




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1 都世民

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