近日，中國科學院合肥物質科學研究院健康與醫學技術研究所江海河課題組與安徽光學精密機械研究張慶禮課題組合作，設計研制了梯度濃度摻雜的釔鋁石榴石晶體（Nd:YAG）激光系統，實現了高重復頻率電光調Q激光輸出。相比傳統均勻摻雜晶體，梯度濃度晶體顯著提高了輸出平均功率和峰值功率，并獲得了高光束質量的激光輸出。相關研究成果發表在Optics Letters上。
激光晶體產生的熱效應制約著高重復頻率電光調Q激光器的發展，尤其強烈的熱透鏡效應使諧振腔內的激光光束縮小，導致諧振腔內的峰值功率密度急劇上升，以致損壞腔內光學元件。傳統均勻摻雜的激光晶體，端泵時的熱量主要分布于端面，且晶體的吸收使泵浦光沿晶體軸向迅速衰減，從而造成泵浦和溫度分布的不均勻。而新型的濃度由低變高的梯度晶體，使泵浦光和熱量在軸向分布更加平滑。該研究將梯度濃度晶體應用于電光調Q系統中，實現了高峰值功率高光束質量的輸出。
研究團隊以梯度濃度0.39-0.80 at.%的Nd:YAG晶體為增益介質，設計出LD端面泵浦L型平凸折疊腔電光調Q激光系統，實現了重復頻率為2 kHz穩定運行。在最佳透過率為45%的條件下，梯度濃度晶體的激光最大輸出功率達到6.9W，斜效率為38.2%。相比等效平均濃度0.60 at.%的晶體，分別提高了21.1%和30.8%。實驗結果表明，梯度濃度晶體在調Q系統中呈現出優良特性，較小的熱效應和平滑的熱分布擴大了諧振腔內的光斑面積，從而增大了基模激光體積，獲得了更高功率的激光輸出且不會損壞光學元件。該激光器達到了近衍射極限的調Q激光輸出，脈沖寬度為5.9ns，峰值功率高達585MW，功率穩定性為0.55%。
該研究證明了設計的新型梯度濃度Nd:YAG電光調Q激光系統具有優勢特性、良好的光束質量和穩定性，為研制高重復頻率的電光調Q激光器及其在激光雷達和激光成像等光電探測應用提供了新的技術途徑。
論文鏈接 ：https://www.osapublishing.org/ol/fulltext.cfm?uri=ol-46-19-5016&id=460047
圖1.電光調Q實驗裝置圖
圖2.各種摻雜晶體的電光調Q激光輸出功率
圖3.（a）脈沖寬度、（b）光斑、（c）1小時功率穩定性
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