高功率Yb∶YAG陶瓷板条激光放大器的理论设计与实验研究

李密; 周唐建; 徐浏; 高清松; 章健; 邬映臣; 汪丹; 胡浩; 唐淳; 于益; 吴振海; 李建民; 石勇; 赵娜

doi:doi:10.3788/AOS201838.0114001

光学学报, 2018, 38 (1): 0114001, 网络出版: 2018-08-31

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Theoretical Design and Experimental Research on High Power Yb∶YAG Ceramic Slab Laser Amplifier

论文大纲

李密 ^1,2,3,*周唐建 ^1,2徐浏 ^1,2高清松 ^1,2章健 ⁴邬映臣 ^1,2汪丹 ^1,2胡浩 ^1,2唐淳 ^1,2于益 ^1,2吴振海 ^1,2李建民 ^1,2石勇 ^1,2赵娜 ^1,2

作者单位

¹ 中国工程物理研究院应用电子学研究所, 四川绵阳 621999

² 中国工程物理研究院高能激光科学与技术重点实验室, 四川绵阳 621999

³ 中国工程物理研究院研究生院, 北京 100088

⁴ 中国科学院上海硅酸盐研究所, 上海 200050

激光器 Yb∶YAG; 自吸收陶瓷板条激光放大器 lasers Yb∶YAG; self-absorption ceramic slab laser amplifier

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摘要

理论设计和制作了Yb∶YAG陶瓷板条,通过铟砷化镓(InGaAs)二极管抽运、1030 nm种子激光注入以及双程放大,在室温下实现了高功率的1030 nm激光输出。种子激光注入功率为1.18 kW和总抽运功率为19.98 kW时,获得了5.97 kW的放大激光功率,光-光转换效率约为24.0%,斜率效率为27.9%。测量了Yb∶YAG陶瓷板条的透射波前,模拟了不同耦合效率和温度时的输出功率。实验结果表明,室温下Yb∶YAG在高亮度抽运和高亮度种子光注入时可以实现高功率的激光输出。

Abstract

A Yb∶YAG ceramic slab is designed theoretically and fabricated, and the high power laser output is achieved at 1030 nm under room-temperature with InGaAs diode pumping, 1030 nm seed laser injecting and double-pass amplifying. The amplified laser power is 5.97 kW when the total pumping power is 19.98 kW and the injected power of the seed laser is 1.18 kW. The optical-to-optical conversion efficiency is 24.0% and the slope efficiency is 27.9%. The transmission wavefront of the Yb∶YAG ceramic slab is measured and the output powers with different coupling efficiencies and working temperatures are simulated. The experimental results show that the high power laser output can be achieved in Yb∶YAG under room-temperature with high intensity pumping and high intensity seed laser injecting.

1 引言

诺格公司和达信公司分别于2009年和2010年实现了100 kW的高功率激光输出,此后,科研工作者们对高功率固体激光器的电光效率更加关注。高功率固体激光器最常用的两种激活离子分别为钕离子(Nd³⁺)和镱离子(Yb³⁺)^[1]。Nd³⁺为四能级激光系统,在808 nm抽运、1064 nm激光输出时的量子亏损约为24%; Yb³⁺为准三能级激光系统,在941 nm抽运、1030 nm激光输出时的量子亏损约为9%;因此Yb³⁺激光器可获得更高的光-光转换效率^[2-3]。同时,Yb³⁺量子亏损的减小还可以有效减小激光器的热负载比^[4],因此Yb³⁺激光材料可以承受更高的抽运功率密度,实现更高功率的激光输出,具有很大的发展潜力。

Marmo等^[5]研制了传导冷却端面抽运的Nd∶YAG板条激光放大器,单模块输出功率约为4 kW,并于2009年率先实现了100 kW激光输出。中国工程物理研究院应用电子学研究所也一直致力于高功率板条激光技术的研究,2012年,该课题组使用30 mm宽度的单掺Nd∶YAG晶体板条,实现了4 kW的激光输出功率;2013年,李密等^[6]利用30 mm宽度的单掺Nd∶YAG晶体板条并通过平凹腔振荡获得了输出功率超过3 kW的激光输出,于2016年使用30 mm宽度的双浓度掺杂Nd∶YAG晶体板条实现了超过5 kW的激光输出^[7],并于2017年使用30 mm宽度的双浓度掺杂Nd∶YAG陶瓷板条实现超过7 kW的激光输出和39%的光-光转换效率^[8]。

基于以上研究,开展了室温下的Yb∶YAG陶瓷板条激光器的实验研究,设计并制作了Yb∶YAG陶瓷板条激光器,完成了Yb∶YAG陶瓷荧光光谱和光学传输损耗的测量。在铟镓砷(InGaAs)二极管抽运、1030 nm种子激光注入并双程放大的条件下,种子激光注入功率为1.18 kW和总抽运功率为19.98 kW时获得了5.97 kW的1030 nm激光输出,光-光转换效率为24.0%,斜率效率为27.9%。

2 Yb∶YAG陶瓷板条设计

图1为300 K时Yb∶YAG的能级结构图^[9],图2为室温下Yb∶YAG陶瓷与Yb∶YAG晶体的荧光光谱。由图2可见,Yb∶YAG陶瓷和Yb∶YAG晶体的荧光光谱基本一致,荧光谱线中心均在1030.2 nm,Yb∶YAG陶瓷在1030 nm附近的荧光光谱略窄一些。

图 1. 300 K时Yb∶YAG的能级结构图

Fig. 1. Energy level structure of Yb∶YAG at 300 K

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图 2. 室温下Yb∶YAG陶瓷与Yb∶YAG晶体的荧光光谱

Fig. 2. Fluorescence spectra of Yb∶YAG ceramic and Yb∶YAG crystal at room temperature

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吸收截面的测量准确度受材料内部散射损耗的影响,而发射截面测量的准确度会受到更多因素的干扰,因此很难准确地测量Yb∶YAG陶瓷的吸收截面和发射截面。由于Yb∶YAG陶瓷与Yb∶YAG晶体的光谱差异很小,因此利用Yb∶YAG晶体的参数进行数值计算。

定义²F₅_/₂能级的粒子数密度为n_u,²F₇_/₂能级的粒子数密度为n_l,则Yb³⁺的粒子数密度可以表示为n=n_u+n_l,各子能级的玻尔兹曼因子如图1所示。根据Yb∶YAG的能级结构,²F₅_/₂能级的粒子数因941 nm波长的受激吸收而增加,也会因941 nm波长的受激发射而减小,抽运光对²F₅_/₂能级的粒子数密度变化速率的影响可表示为

\begin{matrix} \frac{d n_{u}}{dt} = \frac{σ_{a} n_{l} f_{l}^{1} I_{p}}{h v_{p}} - \frac{σ_{a} n_{u} f_{u}^{2} I_{p}}{h v_{p}}, (1) \end{matrix}

式中σ_a为抽运光吸收截面, $\begin{matrix} f_{l}^{1} \end{matrix}$ 为基态子能级的玻尔兹曼小数, $\begin{matrix} f_{u}^{2} \end{matrix}$ 为10624 cm^-¹子能级的玻尔兹曼小数,如图1所示。I_p为抽运光光强,h为普朗克常数,v_p为抽运光频率,hv_p为单个抽运光子的能量。

根据吸收系数的定义,将(1)式简化并求得Yb∶YAG对抽运光的吸收系数为

\begin{matrix} α = σ_{a} (n_{l} f_{l}^{1} - n_{u} f_{u}^{2}) 。 (2) \end{matrix}

在室温(约为300 K)下, $\begin{matrix} f_{l}^{1} \end{matrix}$ =0.875, $\begin{matrix} f_{u}^{2} \end{matrix}$ =0.185,取n_u=0.15n,n_l=0.85n,根据(2)式可以求得Yb∶YAG对941 nm抽运光的吸收系数为

\begin{matrix} α = 0.716 σ_{a} n 。 (3) \end{matrix}

设定Yb∶YAG陶瓷板条掺杂区的总长度为13 cm,设计方法参照文献[ 6]中所述的端面抽运双浓度掺杂Nd∶YAG板条的基本设计方法。具体设计方法为:1)设定Yb∶YAG对抽运光的吸收比例不低于95%;2)板条内掺杂区与非掺杂区的交界面以及两种掺杂区交界面的热沉积功率密度一致。

将一种双浓度掺杂设计为:两个低掺杂区的长度为5 cm,对应的吸收系数α₁=0.186 cm^-1;中间高掺杂区的长度为3 cm,对应的吸收系数α₂=0.372 cm^-¹。

在300 K时,Yb∶YAG对941 nm波长抽运光的吸收截面σ_a=7.85×10^-²¹c $\begin{matrix} {m^{2}}^{[10]} \end{matrix}$ ,根据(3)式和高、低掺杂区各自对应的吸收系数,求得高掺杂区和低掺杂区的掺杂浓度(原子数分数)分别为0.48%和0.24%。根据上述设计参数,同时考虑到Yb∶YAG陶瓷在烧结过程中的收缩率,首先制作出合适大小的模具(略大于陶瓷毛坯的尺寸),将不同掺杂浓度的粉体分别填充进模具的不同位置并挤压成型。通过预烧结得到塑坯,再将塑坯放入真空烧结炉进行正式烧结,通过退火获得需要的Yb∶YAG陶瓷毛坯,最终通过精密光学加工将其制作成Yb∶YAG陶瓷板条。

制作好Yb∶YAG陶瓷毛坯后,测量了陶瓷内部的传输损耗,由于Yb∶YAG对1030 nm的激光存在自吸收,故不能用1030 nm激光测量内部损耗。将Yb∶YAG陶瓷毛坯的两端抛光但不镀膜,将一束口径大小为5 mm×2 mm的1064 nm探测光垂直入射到Yb∶YAG陶瓷毛坯表面。若探测光垂直入射时Yb∶YAG陶瓷光滑表面与空气之间的透过率为T,陶瓷的总长度为L,陶瓷内部的传输损耗系数为δ,则探测光的总透过率可以表示为^[11]

\begin{matrix} T_{total} = \frac{T^{2} \exp (- δL)}{1 - {(1 - T)}^{2} \exp (- 2 δL)} 。 (4) \end{matrix}

根据Yb∶YAG陶瓷的折射率可以求得T=0.916,陶瓷毛坯的总长度约为160 mm。实验中测得1064 nm探测光的功率由入射前的1.35 W减小到出射时的1.09 W。根据 (4) 式可以求得制作的Yb∶YAG陶瓷毛坯内部的平均传输损耗系数δ约为0.0028 cm^-¹。

通过精密光学加工将Yb∶YAG陶瓷毛坯加工为外尺寸为150.0 mm×15.0 mm×2.0 mm的Yb∶YAG板条,端面切角为45°;再对Yb∶YAG板条端面镀1030 nm增透膜、Yb∶YAG大面镀倏逝膜;最后将Yb∶YAG陶瓷板条大面与铜微通道冷却器焊接在一起以实现高效均匀散热。

3 Yb∶YAG陶瓷板条激光放大研究

图3为Yb∶YAG陶瓷板条双程激光放大器示意图。InGaAs二极管阵列从板条两端进行抽运,抽运光的口径大小为14.0 mm×2.0 mm;1.18 kW种子激光两次通过Yb∶YAG陶瓷板条,种子激光口径大小为12.5 mm×2.0 mm,入射角分别为45.0°和28.8°。图中M₁~M₄均为平面反射镜(镀1030 nm高反射膜),球透镜F₁和F₂(镀1030 nm增透膜)的焦距均为340 mm,F₁、F₂与M₁~M₃构成像传递系统。抽运光从板条大面入射、在板条端面被反射后沿着板条长度方向近似按照直线传输(在厚度方向的发散角约为10°),并逐渐被吸收。种子光按照zig-zag光路传输,以45°入射时的光程约为160 mm,以28.8°入射时的光程约为170 mm。

图 3. Yb∶YAG陶瓷板条双程激光放大器示意图

Fig. 3. Schematic of double-pass laser amplifier with Yb∶YAG ceramic slab

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掺杂浓度为1% 的Yb∶YAG对1030 nm波长透明(即612 cm^-1和10327 cm^-1两个子能级的粒子数相等)时,需要吸收的抽运功率密度为1.74 kW·cm^-3,再结合Yb∶YAG陶瓷板条的掺杂浓度和掺杂区的体积,从理论上计算出当Yb∶YAG陶瓷板条对1030 nm种子激光透明时需要吸收的抽运光功率为1.87 kW。实验中测得二极管的抽运耦合效率为85%,Yb∶YAG陶瓷板条对抽运光的吸收效率约为89%(此时二极管的工作电流较低,抽运光的中心波长约为932 nm),推算可得二极管总抽运功率达到2.47 kW时可使Yb∶YAG陶瓷板条对1030 nm的种子激光变得透明。

图4为实验中的种子光光谱,该种子光光谱有两个峰,其中一个峰位于1029.6 nm,另一个峰位于1031.4 nm,这两个峰相对于Yb∶YAG荧光光谱的峰值1030.2 nm均有一定偏离。

图 4. 种子激光光谱

Fig. 4. Spectrum of seed laser

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图5为Yb∶YAG陶瓷板条激光放大器的输出功率曲线,由图中蓝色虚线可以看出,双程放大器的输出功率为1.18 kW时对应的总抽运功率约为3.06 kW。双程激光放大光路的传输损耗约为10%,当Yb∶YAG陶瓷板条对1030 nm种子激光正好透明时双程激光放大器的输出功率约为1.06 kW,而由图5可以看出,拟合得到该状态下的总抽运功率约为2.52 kW,可见Yb∶YAG陶瓷板条正好透明时需要的总抽运功率的理论计算结果与实验测量结果吻合。

由图5可知,总抽运功率为19.98 kW时可获得功率为5.97 kW的1030 nm激光输出,光-光转换效率约为24.0%,斜率效率约为27.9%,激光输出功率与抽运功率具有较好的线性关系。

图 5. Yb∶YAG陶瓷板条激光放大器的输出功率曲线

Fig. 5. Output power curve of Yb∶YAG ceramic slab laser amplifier

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通过数值模拟计算Yb∶YAG陶瓷板条双程放大器的输出功率。用I₁(z)和I₂(z)分别表示板条中正向和反向传输的激光光强,用I₃(z)和I₄(z)分别表示板条中正向和反向传输的抽运光强,用α(z)和g(z)分别表示抽运光的吸收系数和激光的增益系数,激光束在板条内的传输损耗系数δ≈0.0028 cm^-1,根据激光放大和抽运光吸收规律可得

\begin{matrix} \{\begin{matrix} \frac{d I_{1} (z)}{I_{1} (z) dz} = g (z) - δ \begin{matrix} , \end{matrix} \begin{matrix}  \end{matrix} \frac{d I_{2} (z)}{I_{2} (z) dz} = δ - g (z) \\ \frac{d I_{3} (z)}{I_{3} (z) dz} = - α (z) \begin{matrix} , \end{matrix} \frac{d I_{4} (z)}{I_{4} (z) dz} = + α (z) \end{matrix} 。 (5) \end{matrix}

(5)式中I₁(z)和I₂(z)的增益系数以及I₃(z)和I₄(z)的吸收系数相差一个负号是由传输方向相反导致的。根据Yb∶YAG准三能级结构推导出的激光增益系数与抽运光吸收系数分别为

\begin{matrix} \begin{matrix} g = σ_{e} n [(f_{u}^{1} + f_{l}^{3}) \frac{f_{l}^{1} (I_{3} + I_{4}) / I_{sp} + f_{l}^{3} (I_{1} + I_{2}) / I_{sl}}{1 + (f_{l}^{1} + f_{u}^{2}) (I_{3} + I_{4}) / I_{sp} + (f_{l}^{3} + f_{u}^{1}) (I_{1} + I_{2}) / I_{sl}} - f_{l}^{3}], (6) \\ α = σ_{a} n [f_{l}^{1} - (f_{l}^{1} + f_{u}^{2}) \frac{f_{l}^{1} (I_{3} + I_{4}) / I_{sp} + f_{l}^{3} (I_{1} + I_{2}) / I_{sl}}{1 + (f_{l}^{1} + f_{u}^{2}) (I_{3} + I_{4}) / I_{sp} + (f_{l}^{3} + f_{u}^{1}) (I_{1} + I_{2}) / I_{sl}}], (7) \end{matrix} \end{matrix}

式中σ_e为受激发射截面,I_sp和I_sl分别为Yb∶YAG饱和抽运光强和饱和激光光强,σ_a与抽运波长有关,抽运功率为19.98 kW时抽运光的中心波长约为936 nm。此时二极管的工作电流尚未达到预期值,因此波长未达到941 nm。由于二极管与Yb∶YAG陶瓷板条共用冷却循环水,提高冷却水温度虽然能使抽运光中心波长向941 nm方向靠近,但同时也会增加Yb∶YAG下能级的热粒子数。实验中Yb∶YAG的工作温度约为360 K,根据玻尔兹曼因子的定义求得(6)、(7)式中的各因子为 $\begin{matrix} f_{u}^{1} \end{matrix}$ =0.712, $\begin{matrix} f_{u}^{2} \end{matrix}$ =0.217, $\begin{matrix} f_{l}^{1} \end{matrix}$ =0.810, $\begin{matrix} f_{l}^{3} \end{matrix}$ =0.070。

Yb∶YAG对抽运光的吸收截面和激光的发射截面均与温度有关,已知Yb∶YAG对941 nm抽运光的吸收截面和1030 nm激光的发射截面随Yb∶YAG温度的变化规律分别为^[10,12]

\begin{matrix} \begin{matrix} \begin{matrix} σ_{a} (T) = & [0.207 + 0.637 \exp \frac{- (T - 273)}{288}] \times \\ 10^{- 20} c m^{2}, (8) \end{matrix} \\ \begin{matrix} σ_{e} (T) = & [0.953 + 33.608 \exp (- \frac{T}{92.8})] \times \\ 10^{- 20} c m^{2} 。 (9) \end{matrix} \end{matrix} \end{matrix}

在T=360 K时,根据 (8)、(9)式求得σ_a≈6.78×10^-21 cm²,σ_e≈ 1.65×10^-20 cm²。由于抽运光中心波长未达到941 nm,因此其有效吸收截面小于(8)式的计算结果,根据Yb∶YAG的吸收光谱拟合出360 K时Yb∶YAG对936 nm抽运光的吸收截面约为5.90×10^-21 cm²。

Yb∶YAG饱和抽运光强和饱和激光光强的定义分别为

\begin{matrix} \begin{matrix} I_{sp} = h v_{p} / (σ_{a} τ), (10) \\ I_{sl} = h v_{l} / (σ_{e} τ), (11) \end{matrix} \end{matrix}

式中τ为激光上能级荧光寿命。

根据 (5)~(10)式,并结合各项实验参数和边界条件,数值模拟了不同抽运耦合效率和不同工作温度下Yb∶YAG陶瓷板条激光放大器的输出功率,如图6所示。图6中红色圆圈表示实际工作温度(360 K)和实际抽运耦合效率为85%时理论计算得到的放大器输出功率,计算结果比实验结果大0.42 kW。理论计算结果大于实验结果的主要原因是理论计算时没有考虑自发辐射放大效应对Yb∶YAG激光上能级粒子数的消耗;此外,注入的种子光光谱与Yb∶YAG陶瓷板条的荧光光谱未实现精确匹配(图4),实际受激发射截面小于理论计算时采用的数据。

图 6. 不同抽运耦合效率和温度下Yb∶YAG 板条放大器的输出功率

Fig. 6. Output power of Yb∶YAG slab amplifier at different coupling efficiencies and temperatures

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实验测量和理论计算结果均表明板条对抽运光的吸收效率仅为84%,该结果与两个因素有关:1)激光器的提取效率不高,有较多的粒子残留在上能级;2)Yb∶YAG的吸收截面随着温度的升高而减小,而掺杂浓度是按室温条件设计的,因此Yb³⁺的掺杂浓度偏低。

由于注入种子光的光束质量M²约为15,测量得到的放大后的激光光束质量并不能很好地反映Yb∶YAG陶瓷板条工作时光束质量的优劣,因此通过测量Yb∶YAG陶瓷板条的透射波前来表征光束质量。图7是632.8 nm激光作为探测光单次通过Yb∶YAG陶瓷板条时的透射波前,由图7可知,总抽运功率为19.98 kW时,板条12 mm宽度范围的透射波前畸变的峰谷值(PV)约为3.3 μm。

图 7. Yb∶YAG陶瓷板条的透射波前

Fig. 7. Transmission wavefront of Yb∶YAG ceramic slab

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4 结论

设计和制作了Yb∶YAG陶瓷板条,初步开展了室温下的Yb∶YAG陶瓷板条激光放大器实验研究,获得了5.97 kW的高功率输出,光-光转换效率为24.0%,斜率效率为27.9%。测量了Yb∶YAG陶瓷板条的透射波前畸变,开展了Yb∶YAG陶瓷板条激光放大器输出功率的理论计算,为进一步开展高功率和高效率的Yb∶YAG陶瓷板条激光放大器研究建立了基础。

基于此次实验结果,下一步将开展以下的研究工作:通过对抽运耦合系统和冷却器进行优化设计来控制Yb∶YAG陶瓷板条的透射波前畸变;通过提高二极管的抽运耦合效率和种子激光的注入光强、降低Yb∶YAG陶瓷板条激光放大器的工作温度、优化掺杂设计以及抑制板条内ASE效应等技术途径,提高Yb∶YAG陶瓷板条激光放大器的输出功率和光-光转换效率。

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1 引言

2 Yb∶YAG陶瓷板条设计

图 1. 300 K时Yb∶YAG的能级结构图

Fig. 1. Energy level structure of Yb∶YAG at 300 K

图 2. 室温下Yb∶YAG陶瓷与Yb∶YAG晶体的荧光光谱

Fig. 2. Fluorescence spectra of Yb∶YAG ceramic and Yb∶YAG crystal at room temperature

3 Yb∶YAG陶瓷板条激光放大研究

图 3. Yb∶YAG陶瓷板条双程激光放大器示意图

Fig. 3. Schematic of double-pass laser amplifier with Yb∶YAG ceramic slab

图 4. 种子激光光谱

Fig. 4. Spectrum of seed laser

图 5. Yb∶YAG陶瓷板条激光放大器的输出功率曲线

Fig. 5. Output power curve of Yb∶YAG ceramic slab laser amplifier

图 6. 不同抽运耦合效率和温度下Yb∶YAG 板条放大器的输出功率

Fig. 6. Output power of Yb∶YAG slab amplifier at different coupling efficiencies and temperatures

图 7. Yb∶YAG陶瓷板条的透射波前

Fig. 7. Transmission wavefront of Yb∶YAG ceramic slab

4 结论

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高功率Yb∶YAG陶瓷板条激光放大器的理论设计与实验研究 下载： 1184次

1 引言

2 Yb∶YAG陶瓷板条设计

图 1. 300 K时Yb∶YAG的能级结构图

Fig. 1. Energy level structure of Yb∶YAG at 300 K

图 2. 室温下Yb∶YAG陶瓷与Yb∶YAG晶体的荧光光谱

Fig. 2. Fluorescence spectra of Yb∶YAG ceramic and Yb∶YAG crystal at room temperature

3 Yb∶YAG陶瓷板条激光放大研究

图 3. Yb∶YAG陶瓷板条双程激光放大器示意图

Fig. 3. Schematic of double-pass laser amplifier with Yb∶YAG ceramic slab

图 4. 种子激光光谱

Fig. 4. Spectrum of seed laser

图 5. Yb∶YAG陶瓷板条激光放大器的输出功率曲线

Fig. 5. Output power curve of Yb∶YAG ceramic slab laser amplifier

图 6. 不同抽运耦合效率和温度下Yb∶YAG 板条放大器的输出功率

Fig. 6. Output power of Yb∶YAG slab amplifier at different coupling efficiencies and temperatures

图 7. Yb∶YAG陶瓷板条的透射波前

Fig. 7. Transmission wavefront of Yb∶YAG ceramic slab

4 结论

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