安光所团队在~2微米Tm:YAP激光性能提升方面取得进展
时间：2024-08-26 作者：董昆鹏
近期，中国科学院合肥物质院安徽光机所孙敦陆研究员课题组，在2µm（微米）Tm:YAP激光性能提升方面取得新进展，团队采用单端泵浦四种不同类型的Tm:YAP晶体棒，并在键合凹端面Tm:YAP晶体棒中实现了最优的激光性能输出，相关成果以《采用热键合与凹端面提升LD端面泵浦Tm:YAP的激光性能》为题发表在在光学领域国际知名期刊Optics Express上。
~ 2µm波段的近红外激光器在外科医学、激光雷达和科学研究等领域发挥着重要作用。利用商用795 nm（纳米）激光器可将Tm3+掺杂的晶体直接泵浦至激光上能级，并且基于3F4→3H6能级跃迁产生~ 2 µm激光。对于Tm:YAP而言，端面泵浦是获得高功率连续激光的有效方式。但在高泵浦功率下，晶体棒内部的热分布不均匀和严重的热透镜效应限制了激光输出功率和光束质量的提升。目前，已有很多种方法来减轻或补偿晶体热效应，包括：采用双端泵浦，调整谐振腔结构，采用热键合及加入额外的腔内元件。
而本工作首次将热键合与凹端面加工的方式运用到Tm:YAP晶体棒上，并制备了平平面Tm:YAP晶体，平平面YAP/Tm:YAP/YAP键合晶体，凹端面 Tm:YAP晶体和凹端面 YAP/Tm:YAP/YAP键合晶体四种不同类型的晶体棒。利用单端泵浦的方式对比了各晶体棒的激光性能。实验结果表明：1）采用YAP基质晶体作为键合端帽有利于提高散热能力，且凹端面加工有效补偿热透镜效应。2）与平平面Tm:YAP晶体棒相比，凹端面 YAP/Tm:YAP/YAP键合晶体棒将最大输出功率从36.56 W提高到42.5 W，且激光斜效率和光光转换效率均提升了约4%。3）在较高泵浦功率和长时间工作下，平平面Tm:YAP晶体棒会出现裂纹破损，而热键合与凹端面加工的YAP/Tm:YAP/YAP 晶体棒却没有出现开裂迹象。4）相较于其他晶体棒，凹端面 YAP/Tm:YAP/YAP键合晶体棒获得了最小的M2因子，表明其输出的激光光束质量较好。
综上所述，热键合与凹端面相结合可以有效提高Tm:YAP激光器的散热能力，改善热透镜效应，有利于获得高性能的近红外激光输出。
该研究工作得到了国家自然科学基金、安徽省自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金等项目的资助。
论文链接：https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-32-17-29526&id=554145
端面泵浦四种晶体棒的实验装置图
端面泵浦四种晶体棒的激光实验数据
四种晶体棒在最佳条件下的激光性能对比