基於熱致折射率波導板條技術的2.79微米雷射器研究

中文摘要

2.79μm雷射在組織中的穿透深度為微米量級，是對組織進行精密、快速切割的理想光源，但當前2.79μm雷射器輸出功率和效率都很低，不能很好地滿足套用需求。項目針對摻鉺YSGG晶體熱效應嚴重，制約2.79μm雷射器的高平均功率運轉這一關鍵問題，首次提出採用熱致折射率Er:YSGG晶體波導板條技術，通過板條晶體改善熱控管理，並利用晶體熱效應所導致的拋物線折射率分布，對雷射振盪進行引導和選模。該方案結合了傳統平板波導雷射器和板條雷射器的優點，散熱效果好、波導選模，又不需要傳統多層平板波導和板條的複雜加工技術，方案簡單、易於實現。預期可以建立熱致折射率Er:YSGG平板波導導波、選模理論，闡明熱致折射率平板波導的模式競爭機制，建立Er:YSGG晶體雷射器高平均功率、高光束質量運轉方法，實現較高功率的2.79μm雷射輸出。研究成果在生物醫學和光電對抗領域具有較大的套用價值。

結題摘要

2.79 μm雷射在組織中的穿透深度為微米量級，是對組織進行精密、快速切割的理想光源，但當前2.79 μm雷射器輸出功率和效率都很低，不能很好地滿足套用需求。項目針對Er:YSGG晶體熱效應嚴重，制約2.79 μm雷射器的高平均功率運轉這一關鍵問題，首次開展了Er:YSGG熱致折射率平板波導雷射器理論分析和實驗研究。分析了有界拋物線平板波導Er:YSGG第零階和第一階導波修正值，計算了Er:YSGG熱致折射率平板波導導波狀態，對Er:YSGG板條雷射器的熱分布進行了數值計算，並對Er:YSGG板條雷射器進行了實驗研究。研究結果表明：適當設計板條泵浦區參數，可以使雷射器工作在需要的模式狀態；採用雙側泵浦Er:YSGG板條雷射器獲得了1.84 W的連續雷射輸出，為目前已報導的側面泵浦Er:YSGG板條雷射器的最高功率；並採用熱致折射率理論解釋了雙側泵浦Er:YSGG板條雷射器在非穩定諧振腔條件下穩定輸出2.79 μm連續雷射的機制。為探索減小Er:YSGG晶體熱效應影響的方法，開展了對鍵合晶體Er:YSGG/YSGG雷射器的理論分析和實驗研究。採用有限元方法，模擬計算了未摻雜晶體長度對鍵合晶體最高溫升的影響以及鍵合晶體中的溫度分布，分析了鍵合晶體Er:YSGG/YSGG相比於Er:YSGG在減小熱透鏡影響的優勢，並實驗研究了鍵合晶體的雷射性能。研究結果表明：未摻雜YSGG晶體的長度具有一定的導熱效應，通過鍵合一定長度的未摻雜晶體，可有效減小Er:YSGG晶體的最高溫升。利用鍵合技術可有效改善晶體熱效應的影響。利用Er:YSGG晶體實現了最高504 mW的連續2.79 μm雷射輸出，與目前已有報導的端面泵浦Er:YSGG晶體最高輸出功率相同。利用鍵合晶體Er:YSGG/YSGG實現了最高904 mW的連續2.79 μm雷射輸出，為目前已有報導的端面泵浦Er:YSGG晶體的最高輸出功率。為了實現高功率準連續2.79 μm雷射輸出，開展了準連續半導體雷射器側面泵浦Er:YSGG雷射器實驗研究。研究結果表明：利用準連續半導體雷射器側面泵浦Er:YSGG晶體可實現單脈衝能量為9.8 mJ的2.79 μm雷射輸出，對應的峰值功率為9.8 W。但由於熱效應的影響，Er:YSGG晶體不適用於進行高重複頻率2.79 μm雷射輸出。

基於熱致折射率波導板條技術的2.79微米雷射器研究

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