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随着激光二极管(LD)的发展,LD泵浦的Yb:YAG晶体激光器已成为高功率高效率固体激光器研究的一个重要方向。Yb:YAG晶体与传统的Nd:YAG晶体、钕玻璃等相比,有着非常诱人的优越性。Yb3+相对于传统的激活离子如Nd3+、Er3+等,更适合二极管泵浦:量子效率高达90%;Yb3-吸收位于900～1000nm,与InGaAs激光二极管能有效耦合,且无需严格控制激光二极管的温度;Yb:YAG晶体的热效应是Nd:YAG晶体的1/3;无上转换和激发态吸收;原理上无浓度淬灭效应,因此,Yb:YAG最有可能替代Nd:YAG等传统材料,成为新一代高功率激光材料。
常温下Yb:YAG晶体是准三能级结构,自吸收严重,对泵浦功率密度要求较高,加重了对晶体和其他光学件表面薄膜的压力,提高了对膜系的要求。低温下Yb:YAG晶体自吸收减少,同时对泵浦功率密度要求降低,从而对晶体膜系要求降低;低温下Yb:YAG晶体的热导性能较常温下优异许多,也保证了散热的快速性,减少了晶体热效应所带来的影响;因此,低温下Yb:YAG晶体增益性能更加出色。本文对Yb:YAG晶体在低温下的增益性能进行研究。
1)调研了国内外Yb:YAG激光器的研究现状及进展。了解了高功率高效率固体激光器的发展趋势。
2)研究了片状Yb:YAG晶体放大器理论,讨论了不同的晶体温度,不同的晶体掺杂浓度和晶体厚度积的条件下,放大器的能量储存和能量提取,当晶体温度T=180K,晶体掺杂浓度Dp=5.at%,晶体厚度L=0.4cm,泵浦能量3J时,理论模拟放大器可获得单通双程6.6倍,双通四程34倍的信号光增益。
3)搭建了一台低温片状Yb:YAG晶体激光放大器。设计了LD模块泵浦耦合系统,将泵浦光均匀、高效的耦合到晶体内部,耦合效率达94%。分别采用无水乙醇冷却和液氮冷却对晶体进行冷却,比较了常温下(300K),无水乙醇冷却温度下(213K)和液氮冷却下(180K)放大器的输出,通过实验对比我们得到,片状Yb:YAG晶体激光放大器低温下性能大大优越于其常温下的性能。常温下(300K),放大器单通双程放大可以获得2.5倍,双通四程放大可以获得3倍的信号光增益;无水乙醇冷却至213K时,单通双程放大可以获得3.5倍,双通四程放大可以获得9倍的信号光增益。液氮冷却至180K时,单通双程放大可以获得6倍,双通四程放大可以获得23.5倍的信号光增益。且液氮冷却情况下,放大器输出稳定,无无水乙醇冷却时出现的放大器输出冲高回落现象,输出光束质量较好。
本文的研究工作证明了Yb:YAG晶体在低温下出色的增益能力,为高功率、高效率固体激光器的研制,提供了必要的依据和参考。