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(zhì)。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(xué)研究及工業(yè)等領(lǐng)域都具有重要的應(yīng)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(zhuǎn)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(yīng)（簡稱熱效應(yīng)）。翠綠寶石晶體的熱效應(yīng)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(zhì)量等。中國科學(xué)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(zhì)，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(yīng)，旨在發(fā)現(xiàn)有效減少熱效應(yīng)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(yīng)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(lǐng)域的應(yīng)用。研究團隊建立了翠綠寶石晶體的熱傳導(dǎo)模型，通過合理設(shè)定邊界條件并求解相應(yīng)的熱傳導(dǎo)方程，對造成熱效應(yīng)的三個因素（溫度梯度、端面形變、應(yīng)力雙折射）進行了分析，并計算了相應(yīng)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(yīng)的復(fù)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(jié)

通過對翠綠寶石激光熱效應(yīng)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(chǔ)，通過非線性頻率變換等技術(shù)，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(xué)期刊網(wǎng)

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