高功率掺铒透明陶瓷脉冲激光器基础问题研究

This proposal is to investigate the fundamental technological issues about spectral controlling and power-scaling in 1.6-μm high power pulsed laser diode pumped erbium doped ceramic lasers. The main task is to establish a theoretical model of hundred-watt level pulsed lasers with center wavelength shift of less than 0.2-nm. And the experimental research will also be carried out. In theoretical part, through numerically solving time-dependent rate-equations and propagation equations, effects of energy transfer upconversion (ETU), amplified spontaneous emission (ETU), excited state absorption (ESA), ground-state reabsorption (GSA) and gain saturation in power-scaling will be considered and the energy extraction characteristics of the power amplification module will be analyzed. Moreover, it will be investigated that how the architecture and parameters of the laser system affect the total conversion efficiency. In experimental research, by using spectral narrowed laser diode at 1532-nm as pump source, 1.6-μm high power pulsed laser output will be obtained via MOPA configuration. The ratio of pump light injected in master oscillator, preamplifier and power amplifier will be optimized to improve the conversion efficiency.

本项目研究1.6-μm半导体泵浦掺铒陶瓷高功率脉冲激光器光谱控制和功率定标放大的基础技术问题，建立获得平均功率数百瓦量级、中心波长漂移小于0.2-nm的1.6-μm脉冲激光理论模型，并进行相关的实验研究。通过对铒掺杂脉冲激光振荡和放大过程中能量上转换（ETU）、自发辐射放大(ASE)、激发态吸收(ESA)、基态重吸收(GSA)、增益饱和等因素对系统功率提取效率和激光输出特性影响的研究，优化系统构型和设计方案。利用1.5-μm同带泵浦方式，通过MOPA结构获得1.6-μm高功率脉冲激光输出。通过合理选择振荡器中的光谱控制元件参数，以及合理分配振荡器、预放级与功放级中泵浦光功率，提高转换效率，验证并完善理论模型。

本项目研究工作针对联合基金“培育项目”的明确目标课题-16.高功率掺铒透明陶瓷脉冲激光器基础问题开展。通过研究探索了获得高平均功率、中心波长稳定的1.6微米波段脉冲激光理论模型，进行相关原理实验验证，掌握相关关键技术和设计要点。完成情况如下：.（1）研究了透明陶瓷激光材料的增益和泵浦吸收特性。针对Er:YAG陶瓷典型准三能级特性，研究了其在1.6微米波段吸收、共振泵浦中的基态漂白现象及不同掺杂浓度Er:YAG陶瓷的对激光性能的影响。连续运转时，光束质量接近衍射极限，激光斜效率达到61%，在16.7 W时仍然保持了良好的线性，表明Er:YAG透明陶瓷具有良好的光学质量。.（2）透明陶瓷脉冲激光器和放大模块的理论研究。基于Er:YAG透明陶瓷的光学特性和光谱实验数据，建立了掺铒透明陶瓷激光脉冲运转和放大模块的动力学方程，研究了基态漂白、上转换、再吸收、样品长度、输出透过率、泵浦波长等对泵浦储能、脉冲能量和宽度、输出效率等激光性能的影响，优化了激光系统构型和设计参数。针对理论和实验中显示的泵浦基态漂白特性，研究了利用放大方式进一步提高输出脉冲能量的可行性，分析了放大模块的泵浦光波长选择和泵浦构型问题。形成了系统的高功率透明陶瓷激光器的系统结果和设计原理，为高功率透明陶瓷激光器设计和搭建提供了依据。完成并提交了理论计算结果和原程序。.（3）Er:YAG透明陶瓷脉冲激光器的原理实验验证。搭建了Er:YAG陶瓷脉冲激光器，利用体布拉格光栅实现光谱选择和控制，长时间运转时中心波长稳定（<0.2nm）。低重频（100 Hz）运转时，脉冲宽度最小可达50 ns，高重频（数千Hz）运转时，脉冲宽度至百纳秒，由Er离子发射截面小所致。利用腔倒空方案实现了几千Hz重频下10 ns级脉宽的激光输出，最大平均功率约为7.7 W。利用1470nm波长半导体激光器泵浦Er:YAG陶瓷作为放大模块，研究了放大特性，在1 kHz下的放大倍数为1.5。