熱透鏡效應控制：翠綠寶石激光器高性能輸出的關鍵

一、研究背景

翠綠寶石晶體（Alexandrite，Cr3+:BeAl2O4）是一種在近紅外波段性能優(yōu)良的寬帶可調(diào)諧激光放大和增益的介質。翠綠寶石晶體存在兩個寬帶吸收譜和兩個窄帶吸收譜。在室溫時，翠綠寶石激光器的波長調(diào)諧范圍為701~858 nm，通過單次或多次非線性頻率變換即可獲得紫外和深紫外激光，在科學研究及工業(yè)等領域都具有重要的應用價值。

抽運光能量被翠綠寶石晶體吸收后，除了產(chǎn)生振蕩激光外還有相當一部分能量會轉變?yōu)榫w的熱能。當抽運光功率、晶體周圍冷卻環(huán)境相對穩(wěn)定時，晶體內(nèi)部會形成相對穩(wěn)定的溫度梯度分布。此時不僅晶體端面會發(fā)生熱形變，晶體內(nèi)部折射率也會發(fā)生改變。這都將會引起晶體的熱聚焦，即熱透鏡效應（簡稱熱效應）。翠綠寶石晶體的熱效應會嚴重影響輸出激光效率、諧振腔的穩(wěn)定性及輸出激光束質量等。中國科學院微電子研究所激光光子團隊基于翠綠寶石晶體作為激光增益介質，使用高功率光纖耦合輸出紅光LD作為泵浦源，兩鏡直腔為對象，重點理論及實驗研究翠綠寶石激光器中的熱透鏡效應，旨在發(fā)現(xiàn)有效減少熱效應影響的方法，實現(xiàn)高性能的翠綠寶石全固態(tài)激光輸出。

二、創(chuàng)新工作

翠綠寶石晶體的熱效應很大程度上會限制翠綠寶石激光器在激光加工、激光醫(yī)療及激光探測等領域的應用。研究團隊建立了翠綠寶石晶體的熱傳導模型，通過合理設定邊界條件并求解相應的熱傳導方程，對造成熱效應的三個因素（溫度梯度、端面形變、應力雙折射）進行了分析，并計算了相應因素下熱焦距?1 、?2、?3的理論值，得出在綜合熱焦距中這三個因素影響的比重是?1>?2> ?3。

基于翠綠寶石晶體熱焦距測量光路，利用諧振腔的臨界穩(wěn)定條件，對晶體的熱焦距進行測量，發(fā)現(xiàn)實際熱焦距隨著Pin的增加而不斷減少，且實驗測得的熱焦距與理論計算值基本一致，證明通過諧振腔的臨界穩(wěn)定狀態(tài)測量F-P腔的熱焦距是可行的。該測量方法具有簡單易行的優(yōu)點，并且可以通過多次測量求平均值，把誤差縮小到可接受的范圍內(nèi)，測量方法具有較強的實用性。

圖1 翠綠寶石晶體熱焦距測量光路示意圖

最后，在實驗測量翠綠寶石晶體熱焦距之后，基于基模激光直徑隨熱焦距及泵浦功率的變化情況，詳細研究了在熱效應的復雜影響下三種不同腔長時輸入-輸出曲線中的凹陷現(xiàn)象。在L1較小的F-P諧振腔中，諧振腔處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時，熱焦距f大于后腔長L2；諧振腔處于臨界穩(wěn)定工作狀態(tài)時，熱焦距f等于后腔長L2。由于熱焦距會隨抽運功率的增加而不斷減少，所以，在L1較小時只要保證L2小于最大抽運功率時的熱焦距fmin，就可以實現(xiàn)翠綠寶石激光器在整個抽運功率范圍內(nèi)穩(wěn)定輸出，且輸出功率隨抽運功率的增加不斷增大。

圖2 不同L2時Pout與Pin的變化曲線圖

三、總結

通過對翠綠寶石激光熱效應的研究，可有效減少其對激光性能的影響，獲得穩(wěn)定的激光輸出。后續(xù)將繼續(xù)優(yōu)化研究成果，并以此為基礎，通過非線性頻率變換等技術，進一步獲得實用化的紫外及深紫外激光輸出。

參考文獻： 中國光學期刊網(wǎng)

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