北京
图1 Innoslab激光放大器结构及多段式复合掺杂Yb:YAG晶体示意图
近期，中国科学院上海光学精密机械研究所超强激光科学与技术全国重点实验室研究团队在高重频高功率超快激光器研究方面取得进展，相关成果以“High-power Innoslab amplifier with a multi-segmented composite Yb:YAG crystal”为题发表于High Power Laser Science and Engineering。
高重频、高功率超快激光是当前国际激光技术发展的重要方向，在先进制造、强场物理、高次谐波产生、精密测量以及半导体加工等领域具有广阔的应用前景。随着激光输出功率不断提高，激光放大器内部增益晶体所承受的热负荷也迅速增加。传统均匀掺杂Yb:YAG晶体内部受限于较大的温度梯度和热应力，不仅降低了放大效率和光束质量，还会增加晶体发生热损伤甚至热断裂的风险。
本研究提出并演示了一种基于多段式复合掺杂Yb:YAG晶体结构的高功率Innoslab超快激光器。分别对传统2%均匀掺杂Yb:YAG晶体和新设计的2%+3%+2%多段式复合掺杂Yb:YAG晶体进行了实验比较。与传统晶体不同，多段式复合掺杂晶体通过提高中间区域掺杂浓度，使泵浦光束沿传播方向能够更加均匀地被吸收，从而有效降低晶体内部温度梯度，为获得高输出功率奠定了基础。高功率Innoslab激光放大器结构如下图所示。
图2 高功率Innoslab激光器的输出性能及稳定性
实验结果表明，在630W泵浦功率、20W种子光注入条件下，采用传统均匀掺杂晶体时输出功率达到211W，而采用多段式复合掺杂晶体后，输出功率进一步提升至245W，光光转换效率由33.4%提高至38.9%。与此同时，小信号增益由1.9提高到3.4，即使在低功率种子光条件下，系统依然能够获得较高的放大输出，充分体现了多段式复合掺杂晶体的优势。得益于晶体内部更加均匀的温度场分布，基于多段式复合掺杂晶体的高功率Innoslab激光器具有优良的光束质量M²=1.21×1.25，并且该激光器具有良好的长期稳定性，其1小时连续工作下的输出功率稳定性为0.11%(RMS)，30分钟下X、Y方向的指向稳定性分别为7.33μrad和7.76μrad。与传统的均匀掺杂Yb:YAG晶体相比，多段式复合掺杂晶体在输出功率、放大效率、光束质量和稳定性方面均表现出明显的优势。未来，该技术有望扩展至平均功率更高的超快激光系统，为先进的科学研究和应用提供高效且可靠的激光光源。
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