近日，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)院健康所江海河課題組發(fā)表在國(guó)際期刊 Frontiers in Physics 的研究論文“2.79- m high peak power LiNbO₃ acousto-optic Q-switched Er,Cr:YSGG laser with thermal lensing effect compensation”，被國(guó)際工程領(lǐng)域著名科技機(jī)構(gòu)“Advances In Engineering”（簡(jiǎn)稱AIE）遴選為關(guān)鍵科學(xué)文章(a key scientific article)，并以“Enhancing Mid-Infrared Er, Cr: YSGG Laser Pulse Performance via LiNbO₃ Acousto-Optic Q-Switching and Thermal Lensing Compensation”為題進(jìn)行了專題報(bào)道。  

　　3-12 m波長(zhǎng)范圍的中紅外激光器在醫(yī)療、材料加工、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。對(duì)高效、高功率中紅外光源的追求引導(dǎo)著人們對(duì)各種激光材料和結(jié)構(gòu)的探索，其中，2.79 m波長(zhǎng)的Er, Cr: YSGG激光晶體，由于其具有高效率和適用于較為經(jīng)濟(jì)的閃光燈泵浦，已被認(rèn)為是一種很有前景的活性介質(zhì)。Cr³⁺離子的摻入提高了能量傳遞效率，使其成為高重復(fù)頻率、高脈沖能量應(yīng)用最具有吸引力的選擇。此外，聲光(AO)調(diào)Q技術(shù)可以精確控制激光脈沖的起始，該技術(shù)因其結(jié)構(gòu)緊湊、插入損耗低和重復(fù)率高而備受青睞。然而，由于激光介質(zhì)內(nèi)熱積累引起的熱透鏡效應(yīng)，造成激光束畸變并降低輸出激光的效率和穩(wěn)定性，給高重復(fù)頻率條件下保持激光高質(zhì)量輸出帶來(lái)重大挑戰(zhàn)。  

　　江海河研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)Er, Cr: YSGG激光系統(tǒng)，該系統(tǒng)在一個(gè)獨(dú)特設(shè)計(jì)的平-凸諧振腔中集成了一個(gè)自制的LiNbO₃聲光Q開(kāi)關(guān)。所使用的聲光介質(zhì)是一種新型結(jié)構(gòu)的LiNbO₃晶體，其在3 m波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有較高的透射率，較低的聲光衰減系數(shù)(1 dB/cm@1 GHz)和較高的損傷閾值(>200 MW/cm²)。綜合考慮到介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)、激光棒的橫截面面積和溫度梯度等因素，精心設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)裝置，以提高激光器的輸出性能，降低高重復(fù)頻率下聲光Q開(kāi)關(guān)的損壞風(fēng)險(xiǎn)，研制出高性能的2.79 m Er, Cr: YSGG激光器。  

　　在理論和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究人員提出了一種補(bǔ)償熱透鏡效應(yīng)的平-凸諧振腔設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的平-凸諧振腔補(bǔ)償了熱透鏡效應(yīng)，顯著提高了激光器的性能。在自由運(yùn)轉(zhuǎn)模式下，激光器在60 Hz下實(shí)現(xiàn)了160 mJ的最大脈沖能量；與平-平諧振腔相比，脈沖能量增加了一倍。在聲光Q開(kāi)關(guān)模式下，激光器在60 Hz的最大輸出調(diào)Q脈沖能量達(dá)到8.5 mJ，最小脈沖持續(xù)時(shí)間為60.8 ns，相應(yīng)的峰值功率約為140 kW。與傳統(tǒng)的平-平諧振腔相比，相應(yīng)的脈沖能量增加了1.6倍，峰值功率增加了2.3倍。改進(jìn)后的諧振腔設(shè)計(jì)不僅增強(qiáng)了脈沖能量和峰值功率，而且有助于在高重復(fù)頻率下提高輸出光束質(zhì)量和穩(wěn)定性。  

　　該創(chuàng)新性的方法顯著提高了激光器的輸出性能，使其成為中紅外波段中需要高峰值功率和窄脈沖持續(xù)時(shí)間的應(yīng)用的有希望的候選者。該研究為激光物理和工程提供了有益的見(jiàn)解，也為實(shí)際應(yīng)用提供了一種新的開(kāi)發(fā)更高效、更強(qiáng)激光系統(tǒng)的途徑。

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圖1. 基于LiNbO₃聲光Q開(kāi)關(guān)的2.79 m Er, Cr: YSGG激光系統(tǒng)原理圖

圖2. 脈沖能量和脈沖寬度的特性曲線隨泵能量的變化