Author Affiliations
Abstract
1 School of Electronic and Optical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China
2 Institute of Applied Electronics, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 430079, China
3 Graduate School of China Academy of Engineering Physics, Beijing 100193, China
A high-power CW Yb:YAG slab laser amplifier with no adaptive optics correction has been experimentally established. At room temperature, the amplifier emits a power of 22 kW with an average beam quality (β) of less than 3 in 0.5 min. To our knowledge, this is the brightest slab laser without closed-loop adaptive optics demonstrated to date. In addition, an extracted power of 17 kW with an optical extraction efficiency of 33%, corresponding to a residual optical path difference of less than 0.5 µm, is achieved with the single Yb:YAG slab gain module. The slab gain module has the potential to be scalable to higher powers while maintaining good beam quality. This makes a high-power solid-state laser system simpler and more robust.
laser amplifier Yb:YAG slab laser surface quality pumping uniformity Chinese Optics Letters
2024, 22(3): 031402
1 北京雷生强式科技有限责任公司, 北京 100015
2 固体激光技术重点实验室, 北京 100015
设计制作了直径10英寸Yb:YAG激光晶体生长热场, 改进了单晶炉称重与旋转系统结构, 采用感应加热熔体提拉法结合上称重自动控径技术, 成功生长出了直径252 mm、等径长近260 mm的完整Yb:YAG晶体, 晶坯外观完整, 无开裂。在5 mW绿光激光和20 mW He-Ne激光照射下检测, 晶坯整体无散射。经检测性抛光后, 晶坯选材扇区内光学均匀性较好, 应力分布均匀。选择口径为152 mm×11.5 mm、长为260 mm的板条区域进行测试, 透过波前畸变为0.29λ/inch@633 nm, 表明晶坯具有良好的光学质量, 可以选切加工宽度达到150 mm的大尺寸晶体板条元件。
掺镱钇铝石榴石 激光晶体 提拉法 板条 波前畸变 Yb:YAG laser crystal Czochralski method slab wavefront distortion
1 1.中国科学院 合肥物质科学研究院, 安徽光学精密机械研究所, 光子器件与材料安徽省重点实验室, 合肥 230031
2 2.中国科学技术大学 研究生院科学岛分院, 合肥 230026
3 3.先进激光技术安徽省实验室, 合肥 230037
4 4.中国科学技术大学 核探测与核电子学国家重点实验室, 合肥 230026
为满足固体激光器的应用需求, 研究人员不断改进YAG激光晶体生长技术, 其中控制 YAG中的缺陷结构对于晶体的生长尤为重要。本工作对提拉法两种工艺制备的晶体样品进行了缺陷研究, 特别是晶体散射点的起源。正电子湮没技术是一种对材料微观结构十分灵敏且有效的核物理技术分析表征手段, 对空位缺陷、微孔等极为敏感。根据正电子湮没寿命谱与多普勒展宽谱的分析结果, 无论工艺、有无散射点, 样品的正电子寿命及多普勒展宽线性参数均存在差异。这说明晶体主要缺陷是YAG结构中的本征缺陷, 散射点可能是空位团聚引起的纳米微孔, 研究表明该技术可以灵敏地表征YAG晶体散射点。正电子湮没实验反映的晶体单晶质量差异与X射线衍射、单晶摇摆曲线、光透过率以及位错密度结果吻合。在研究晶体的物理性能和缺陷与材料微结构的关系上正电子湮没技术具有独特的技术优势, 同时正电子湮没技术可以在微观尺度上有效反映晶体质量。
晶体缺陷 正电子湮没 Yb:YAG晶体 提拉法 crystal defects positron annihilation Yb:YAG crystal Czochralski method
1 1.中国科学院 上海硅酸盐研究所, 中国科学院透明光功能无机材料重点实验室, 上海 201899
2 2.中国电子科技集团公司 第二十六研究所, 重庆 400060
单晶光纤即具有光纤形态的单晶材料, 是功能晶体材料一维化发展的重要体现。单晶光纤兼具单晶材料优异的光学性能和激光光纤散热效率高、光束质量高等特点, 有望解决传统玻璃材质激光光纤非线性效应强、热导率低等瓶颈问题, 实现激光峰值功率、脉冲能量等性能的突破。本工作采用自主研制的激光加热基座(Laser-heated Pedestal Growth, LHPG)单晶光纤炉制备了两组Ф0.2 mm×710 mm的Yb3+掺杂Y3Al5O12(Yb:YAG)单晶光纤, 并对其进行了表征。制备的单晶光纤长径比大于3500, 直径波动小于5%, 且表现出一定的柔韧性; X射线摇摆曲线测试结果显示Yb:YAG单晶光纤的结晶质量与所用源棒相比有所提升; EDS线扫描结果证明单晶光纤中的Yb3+沿轴向呈现均匀分布。实验结果表明: 准一维化的单晶光纤具有良好的结晶质量与光学均匀性, 有望成为一种性能优异的高功率激光增益材料。
1 1.江苏大学 材料科学与工程学院, 镇江212013
2 2.中国科学院 上海硅酸盐研究所, 透明光功能无机材料重点实验室, 上海 201899
3 3.华北光电技术研究所 固体激光科学与技术实验室, 北京100015
4 4.中国科学院大学 材料与光电研究中心, 北京 100049
Yb:YAG透明陶瓷由于具有宽的吸收带和发射带、高增益、低的热负载、长的荧光寿命、高的量子效率等优点而成为有应用前景的高功率固体激光器用增益介质。本研究优化了粉体的性能并制备了高透明的Yb:YAG陶瓷。以碳酸氢铵为沉淀剂, 分别以纯水或乙醇/水混合物为溶剂, 采用共沉淀法合成了5at%Yb:YAG纳米粉体。在1250 ℃下煅烧4 h得到的所有粉体均为纯YAG相。与纯水溶剂制备的粉体相比, 醇水溶剂制备的粉体具有更小的平均晶粒尺寸和更低的团聚程度。以醇水溶剂制备的粉体为原料, 采用真空烧结法在不添加烧结助剂的情况下成功制备了5at%Yb:YAG透明陶瓷, 并对1500~1825 ℃烧结20 h和1800 ℃烧结10~50 h所得陶瓷的微观结构和直线透过率进行了探究。除在1825 ℃下烧结20 h所得的陶瓷外, 其余的5at%Yb:YAG陶瓷都具有均匀的微观结构。在1800 ℃下烧结50 h制备的5at%Yb:YAG陶瓷具有最高的光学质量, 在1100和400 nm处的直线透过率分别为78.6%和76.7%(样品厚度为2.2 mm)。该Yb:YAG透明陶瓷在937 nm处的吸收截面为5.03×10-21 cm2, 在1031 nm处的发射截面为13.48×10-21cm2。
Yb:YAG透明陶瓷 醇水共沉淀法 真空烧结 微观结构 光学性能 Yb:YAG transparent ceramic alcohol-water co-precipitation vacuum sintering microstructure optical property
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 安徽省光子器件与 材料重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
针对目前普遍存在的难以准确测定晶体组分的问题, 提出一种以 YAG 晶体为标样、采用 X 射线荧光光谱分析法准确测定晶体组分的方法。测试样品分别为纯 YAG 晶体、生长原料掺杂浓度 1.2 at% 和 2.0 at% Yb:YAG 晶体, 采用 X 射线荧光光谱分析法, 对不同浓度的 Yb:YAG 晶体的组分进行了无损、快速、准确的测定。以纯 YAG 晶体作为标准样品, 标定主成分的含量, 大幅提高了检测结果的准确度, 主成分 Y3+ 和 Al3+ 的测试误差小于 1%、掺杂 Yb3+ 的 测试误差小于 5%。通过晶体放肩初始部位 Yb3+ 的浓度测定结果, 计算出 Yb3+ 在两种待测晶体中的分凝系数分别为 1.025 和 1.045, 接近于 1, 有利于实现 Yb:YAG 晶体的高浓度掺杂以及优质晶体 生长。2.0 at% Yb:YAG 晶体的首尾掺杂浓度差小于 5%, 说明晶体等径部分掺杂浓度均匀性高。
材料 提拉法 Yb:YAG 晶体 X 射线荧光光谱法 分凝系数 material Czochralski method Yb:YAG crystal X-ray fluorescence spectrometry segregation coefficient
1 中国科学院 上海硅酸盐研究所, 透明光功能无机材料重点实验室, 上海 201899
2 蚌埠学院 理学院, 硅基新材料工程技术研究中心, 蚌埠 233030
3 中国科学院大学 材料与光电研究中心, 北京 100049
以高纯Y2O3, α-Al2O3, Yb2O3粉体作为原料, 采用固相反应和真空烧结法(1750 ℃, 30 h)制备了高光学质量的Yb:YAG透明陶瓷。5.0at% Yb:YAG陶瓷中Yb 3+的实测浓度为6.41×10 20 cm -3, 晶胞密度为4.65 g/cm 3。本工作重点研究了Yb:YAG陶瓷的显微结构、光谱特性和激光性能参数。场发射扫描电镜(FESEM)结果表明, Yb:YAG陶瓷的结构均匀致密、晶界干净平直, 平均晶粒尺寸为(19±3) μm。该陶瓷样品(厚度为4.0 mm)在400 nm处的直线透过率为82.5%, 在1100 nm处的透过率为85.2%。泵浦波长940 nm处的泵浦饱和光强最小, 激光波长1030 nm处的泵浦阈值功率最低, 940 nm泵浦1030 nm激光的品质因子为1.02×10 -22 cm·s。通过计算增益截面表明Yb:YAG陶瓷宽带可调谐, 是理想的激光增益材料。
Yb:YAG陶瓷 反应烧结 光谱特性 激光性能参数 Yb:YAG ceramics reactive sintering spectral properties laser performance parameters
1 中国科学院 理化技术研究所 中国科学院固体激光重点实验室，北京 100190；中国科学院大学，北京 100190
2 中国科学院 理化技术研究所 中国科学院固体激光重点实验室，北京 100190
对多种全固态激光中的光谱合成技术进行了探讨和研究，包括光纤激光、Yb:YAG板条激光和半导体激光。对于光纤激光，探讨了基于单个多层介质膜（MLD）光栅、一对MLD光栅、多个体布拉格光栅三种衍射光学元件的光谱合成技术中色散造成的光束质量退化问题，指出子束光谱线型的二阶矩全宽决定了光束质量的退化量，但所允许的光谱宽度又依赖于具体的技术选择途径。进而比较了三种光谱合成方案的优缺点。对于固体激光，实验演示了基于Yb:YAG晶体的板条激光实现光谱合成的原理可行性。通过设计一个基于MLD光栅的振荡器内的光谱合成装置，实现了7束子激光最高241 W的光谱合成输出，合成后光束质量β因子约4.1，表明大功率Yb:YAG板条激光具有通过光谱合束技术实现功率进一步提升的潜力。对于半导体激光，提出并设计了大模场外腔半导体激光+快轴光谱合成的技术。实验演示了9个1 mm宽LD芯片沿快轴方向的光谱合成，用β因子评价合成后的光束质量，在慢轴方向β≈6.3，在快轴方向β≈1.6，表明快轴光谱合成造成的光束质量退化是完全可控的。
光谱合成 光束质量 板条激光 半导体激光 光谱线形 Yb:YAG spectral beam combing beam quality slab laser Yb:YAG laser diode spectral lineshape 强激光与粒子束
2020, 32(12): 121008
Author Affiliations
Abstract
1 Central Laser Facility, STFC Rutherford Appleton Laboratory, DidcotOX11 0QX, UK
2 Heriot-Watt University, School of Engineering and Physical Sciences, EH14 4AS, UK
We report on the successful demonstration of a 150 J nanosecond pulsed cryogenic gas cooled, diode-pumped multi-slab Yb:YAG laser operating at 1 Hz. To the best of our knowledge, this is the highest energy ever recorded for a diode-pumped laser system.
cryogenic gas cooling diode-pumped solid-state laser multi-slab amplifier Yb:YAG High Power Laser Science and Engineering
2020, 8(2): 02000e20
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
对室温下零声子线(抽运波长为969 nm)抽运Yb…YAG激光器进行了理论研究,建立了969 nm抽运Yb…YAG的速率方程。在相同热负载状态下,通过数值模拟分别得到969 nm和941 nm抽运时Yb…YAG板条放大器的光-光转换效率和输出激光强度。模拟结果表明:941 nm和969 nm抽运的光-光转换效率基本相同;抽运波长为969 nm的抽运强度比941 nm提高了20%以上。
激光器 Yb…YAG 零声子线抽运 吸收截面 受激发射截面 光-光转换效率
