热透镜效应控制：翠绿宝石激光器高性能输出的关键

一、研究背景

翠绿宝石晶体（Alexandrite，Cr3+:BeAl2O4）是一种在近红外波段性能优良的宽带可调谐激光放大和增益的介质。翠绿宝石晶体存在两个宽带吸收谱和两个窄带吸收谱。在室温时，翠绿宝石激光器的波长调谐范围为701~858 nm，通过单次或多次非线性频率变换即可获得紫外和深紫外激光，在科学研究及工业等领域都具有重要的应用价值。

抽运光能量被翠绿宝石晶体吸收后，除了产生振荡激光外还有相当一部分能量会转变为晶体的热能。当抽运光功率、晶体周围冷却环境相对稳定时，晶体内部会形成相对稳定的温度梯度分布。此时不仅晶体端面会发生热形变，晶体内部折射率也会发生改变。这都将会引起晶体的热聚焦，即热透镜效应（简称热效应）。翠绿宝石晶体的热效应会严重影响输出激光效率、谐振腔的稳定性及输出激光束质量等。中国科学院微电子研究所激光光子团队基于翠绿宝石晶体作为激光增益介质，使用高功率光纤耦合输出红光LD作为泵浦源，两镜直腔为对象，理论及实验研究翠绿宝石激光器中的热透镜效应，旨在发现有效减少热效应影响的方法，实现高性能的翠绿宝石全固态激光输出。

二、创新工作

翠绿宝石晶体的热效应很大程度上会限制翠绿宝石激光器在激光加工、激光医疗及激光探测等领域的应用。研究团队建立了翠绿宝石晶体的热传导模型，通过合理设定边界条件并求解相应的热传导方程，对造成热效应的三个因素（温度梯度、端面形变、应力双折射）进行了分析，并计算了相应因素下热焦距ƒ1 、ƒ2、ƒ3的理论值，得出在综合热焦距中这三个因素影响的比重是ƒ1>ƒ2> ƒ3。

基于翠绿宝石晶体热焦距测量光路，利用谐振腔的临界稳定条件，对晶体的热焦距进行测量，发现实际热焦距随着Pin的增加而不断减少，且实验测得的热焦距与理论计算值基本一致，证明通过谐振腔的临界稳定状态测量F-P腔的热焦距是可行的。该测量方法具有简单易行的优点，并且可以通过多次测量求平均值，把误差缩小到可接受的范围内，测量方法具有较强的实用性。

图1 翠绿宝石晶体热焦距测量光路示意图

在实验测量翠绿宝石晶体热焦距之后，基于基模激光直径随热焦距及泵浦功率的变化情况，详细研究了在热效应的复杂影响下三种不同腔长时输入-输出曲线中的凹陷现象。在L1较小的F-P谐振腔中，谐振腔处于稳定工作状态时，热焦距f大于后腔长L2；谐振腔处于临界稳定工作状态时，热焦距f等于后腔长L2。由于热焦距会随抽运功率的增加而不断减少，所以，在L1较小时只要保证L2小于大抽运功率时的热焦距fmin，就可以实现翠绿宝石激光器在整个抽运功率范围内稳定输出，且输出功率随抽运功率的增加不断增大。

图2 不同L2时Pout与Pin的变化曲线图

三、总结

通过对翠绿宝石激光热效应的研究，可有效减少其对激光性能的影响，获得稳定的激光输出。后续将继续优化研究成果，并以此为基础，通过非线性频率变换等技术，进一步获得实用化的紫外及深紫外激光输出。

参考文献： 中国光学期刊网

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