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高功率中红外全固态激光在国防、工业以及医疗等领域有重要的应用价值。利用LD泵浦Nd:YAG晶体可以获得高功率基频1064 nm波长的近红外激光,再通过光参量效应可将1064 nm激光扩展到中红外波段。目前,高功率高效率全固态基频激光及其中红外光参量激光的产生已成为全固态激光技术研究的热点和难点。为此,本论文重点研究了利用多棒串接方式获得高功率高效率1064 nm激光以及通过双共振和单共振光参量效应获得高功率高效率中红外波段激光的关键技术,获得了以下创新性成果:
1.对中红外光参量振荡器所需的泵浦光源即1064 nm激光进行了研究。与他人合作利用组内研制的高效率准连续激光头采用多棒串接技术方案,通过理论分析和实验研究进行了激光器参数优化设计,获得了1906 W的准连续1064nm激光输出,光光转换效率达到50.8%;又进一步研究了调Q脉冲串MOPA系统,产生脉冲串激光的平均功率925 W,脉冲串重复频率1.08 kHz,Q脉冲重复频率55.6 kH,Q脉冲宽度~120 ns。在此基础上,重点研究了适用于中红外光参量激光产生的高平均功率、高峰值功率、高光束质量、高偏振度的1064 nm激光泵源。
2.中红外2μm双共振光参量激光器方面,利用高功率、高偏振度1064 nm激光作为泵浦源,采用双棒串接和双Q开关正交放置技术提高了泵浦源的光束质量和峰值功率,通过腔内泵浦KTP晶体实现了29 W的高功率2μm激光输出,为目前国际上所报道的最高功率,输出功率稳定性优于1.4%。
3.中红外2μm单共振光参量激光器方面,利用高功率1064 nm激光作为泵浦源,设计了利用2μm偏振片实现单共振激光输出的复合腔光参量振荡器,通过对复合腔结构的优化设计,获得了2.2 W的2μm偏振激光输出,此复合腔设计方案为国际首次。
4.中红外2.7μm单共振光参量激光器方面,使用调Q的线偏振全固态Nd:YAG激光器作为泵浦源,通过腔内泵浦单块KTP晶体实现了稳定的高功率2.7μm激光输出。在Q脉冲重复频率为5.4 kHz时,得到了9W的2.7μm激光输出,为目前国际上所报道的最高功率。
5.此外,高功率532 nm全固态绿激光器方面,与他人合作通过对激光腔的优化设计,采用LBO晶体腔内倍频获得532 nm准连续绿光输出平均功率达218W,光束质量M2≈20,综合指标为国际先进水平。