全固态激光器热助推泵浦和综合泵浦技术研究

热效应是影响固体激光器高功率、高效率、高光束质量运转的主要瓶颈。热助推泵浦技术可将量子缺陷降到最低并消除量子效率损耗，是一种可根本性解决热效应的方案。综合泵浦技术可使现有固体激光器在不用提高掺杂浓度和晶体长度的基础上，实现高光光转换效率和低热运转，使得传统相互制约的输出功率和光束质量两方面得到共同改善。.本项目采用全固态可调谐钛宝石激光器作为泵浦源，选用Nd:YAG、Nd:YVO4和掺Nd双包层光纤作为激光介质，研究热助推泵浦和综合泵浦的物理机制，充分掌握热助推泵浦和综合泵浦下晶体参数（浓度、长度、受激发射截面等）、泵浦光特性（线宽、脉宽、功率密度等）对泵浦吸收、激光辐射和热沉积的影响，根据光－光转换效率（Pout/Pin）和激光－吸收功率效率（Pout/Pabs）建立激光系统的评价体系，确定综合泵浦的理论模型和泵浦功率的最佳配比，实现固体激光器高功率、高效率、高光束质量运转。

共振泵浦技术能够降低量子缺陷率，提高量子效率，从而有效减轻固体激光器中的热效应并提高其效率。为解决共振泵浦方式下泵浦吸收较差导致光-光效率较低的问题，项目详细研究了激光晶体的掺杂浓度、长度和温度等参数对泵浦光吸收和激光效率的影响，以寻找获得高光-光效率的途径。从速率方程出发，对共振泵浦激光器的输出特性和产热进行了理论分析，模拟了吸收系数和上转换速率随晶体掺杂浓度的变化对激光器效率的影响。利用自行搭建的可调谐钛宝石激光器、914nm Nd:YVO4激光器以及购置的808nm、880nm LD作为泵浦源，对880nm共振泵浦Nd:YVO4激光器、885nm共振泵浦Nd:YAG激光器、880nm共振泵浦掺钕光纤激光器和914nm基态高斯塔克能级热助推泵浦Nd:YVO4激光器分别进行了实验研究。880nm共振泵浦Nd:YVO4 1064nm和1342nm激光输出相对吸收斜率效率分别达75.3%和64%，优化晶体参数后880nm LD单端共振泵浦Nd:YVO4，入射泵浦功率27.3W时1064nm和1342nm激光输出功率分别为15.6W和9.9W，光-光效率分别为57.1%和36.3%，相同激光输出功率下产热相对808nm传统泵浦分别降低41%和31%；885nm共振泵浦Nd:YAG 1064nm和1319nm激光输出相对吸收的斜率效率分别达68.5%和42%，光-光效率分别为52.9%和28.6%；880nm共振泵浦掺钕光纤1060nm激光输出相对吸收斜率效率60%；914nm共振泵浦Nd:YVO4 1064nm和1342nm激光输出相对吸收斜率效率分别达82%和65.4%，优化晶体参数后1064nm激光相对入射泵浦功率的光-光效率达50.2%；以上斜率效率和光-光效率均达到国际先进水平。上述成果对于共振泵浦技术，特别是产热量极低的基态高斯塔克能级热助推泵浦技术的实用化，将起到重要的推动作用。在共振泵浦技术基础上，开创性地提出固体激光器的综合泵浦方式，根据具体限制条件调整共振泵浦光和传统泵浦光的配比，使系统的输出和产热达到一个最佳平衡点。建立了综合泵浦激光系统的理论模型和评价体系，讨论了具体限制条件下最佳泵浦配比的确定方法；搭建了880nm+808nm综合泵浦的Nd:YVO4激光器，实验结果验证了评价体系的合理性，对于固体激光器热管理技术的发展具有重要推动作用。