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半导体泵浦的全固态激光器在军事国防、工业制造和科学研究等领域有着越来越广泛的应用。随着应用的扩展,全固态激光器的效率、体积和稳定性等问题成为研究的难点和热点。本文主要围绕“改进激光材料设计”、“实现紧凑多功能器件”和“扩展频率范围”这三个目的,进行了新型全固态激光及变频技术研究,包括低量子亏损泵浦激光陶瓷和自激活晶体技术、高效率自倍频激光产生技术、人眼安全波长拉曼激光器技术、光泵面发射半导体激光技术等,取得了多项创新性成果:
1.低量子亏损泵浦激光陶瓷研究。针对低量子亏损泵浦(国外亦称直接泵浦)效率高、产生热量少的优点和Nd:YAG陶瓷可高掺杂特点,首次实现了低量子亏损泵浦Nd:YAG激光陶瓷,从而成为一种实现大功率、高效率、高稳定性、低成本全固态激光器的新途径。进行了885 nm低量子亏损泵浦和808 nm传统泵浦Nd:YAG陶瓷的对比实验,利用国产样品,将1064 nm激光输出斜效率由传统808 nm泵浦的23％提高到885 nm泵浦的31％,将单根激光陶瓷棒最高输出功率从10 W提高到百瓦级,光-光转换效率近60％,并对合作单位制备的Nd:YAG激光陶瓷进行了表征与评估。模拟了按指定函数掺杂的Nd:YAG陶瓷内部热量分布,并分析了纵向函数掺杂以及横向芯处掺杂等掺杂结构对热量均匀化的影响,为后续的研究工作奠定了理论基础。
2.自激活晶体的激光特性研究。针对自激活晶体激活离子浓度高、吸收系数大而激光浓度淬灭小的特点,首次提出了NAB激光晶体用于碟片激光器的研究方案,采用885 nm低量子亏损泵浦技术,结合NAB碟片端面泵浦技术和脉冲泵浦方式,将NAB晶体的1.06μm激光输出功率由文献报道的610 mW提高到近5 W,光光效率为58％。
3.自倍频晶体激光特性优化设计研究。针对自倍频激光晶体研究的难点,对当前最具应用潜力、复合功能强的Nd:YCOB和Nd:GdCOB晶体进行了自倍频特性优化设计,取得重大突破,功率由文献报道的260 mW提高到瓦级,泵光转换为绿光的效率为12.2％。提出了一种判定自倍频晶体最佳热平衡运转条件的简便而有效的方法,也可用于判定其他相位匹配型晶体的自变频过程最佳运转条件。
4.针对特殊波长需求,扩展频率范围,研制了高平均功率的连续波人眼安全波长拉曼激光器,利用1.3μm激光激发BaWO4拉曼晶体得到平均功率0.6 W的1.5μm激光输出,拉曼转换斜效率达54.5％。同时,首次测量了YVO4晶体的瞬态拉曼增益,发现其具有较高的瞬态拉曼增益系数,适于用皮秒量级的拉曼及自拉曼激光技术。
5.为了充分发挥光泵面发射半导体激光器(OPS-VeCSEL)输出功率高、光束质量好、波长可设计等优点,进行了大功率光泵面发射半导体激光器理论模拟和实验研究。建立了OPS-VeCSEL腔内倍频理论模型,并利用这一模型,比较了BBO、LBO、PPLN等非线性晶体的腔内倍频性能,模拟结果与实验结果符合较好。对合作单位长春光机所设计制备的980 nm OPS-VeCSEL器件进行了荧光特性研究。