封面 | 热透镜效应控制：翠绿宝石激光器高性能输出的关键

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《中国激光》2023年第19期封面文章：

封面解读

封面展示了热效应影响下基于F-P谐振腔的翠绿宝石激光器。图中谐振腔两端的镜片代表激光谐振腔腔镜；中间的翠绿宝石晶体形象地类比了高功率泵浦下激光晶体的热透镜效应。通过对热效应影响下F-P腔输出功率的影响分析，可以指导激光腔参数设计，提升激光器的整体输出性能。

原文链接：彭锦，范元媛，林政吉，亓岩，颜博霞，周密，韩哲，王倩，王宇. F-P腔翠绿宝石激光器中的热效应及输出功率凹陷[J]. 中国激光, 2023, 50(19): 1901007.

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，重点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P_in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

最后，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小于最大抽运功率时的热焦距f_min，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P_out与P_in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。

课题组简介

中国科学院微电子研究所激光光子团队立足于激光技术领域，在固体激光系统关键技术方面开展了大量研究工作，在高能量光学谐振腔、高效光谱控制技术、高效激光泵浦、非线性晶体材料等方面具有自主技术，开发了包括高功率高效红、绿、蓝激光光源模组、驱动及控制系统和散热系统在内的高性能激光引擎，相关研究成果获得北京市科学技术二等奖、中国科学院科技成果转化一等奖。对高效光谱控制技术、高效谐波变换、高集成度自由曲面光学设计、热效应控制、流场设计等核心技术环节有丰富的技术积累，承担并完成了多项国家科技重大专项（02专项）、国家重点研发计划、科技部攻关项目、国家自然基金重大仪器专项等项目的研究工作。

作者简介

亓岩，博士，中国科学院微电子研究所正高级工程师，光电研发中心副主任，博士生导师。主要从事激光技术与应用的研究工作，主要研究方向为集成电路装备用特种激光光源、大功率固体激光器件、半导体激光技术应用及全色激光显示技术等。在高能量光学谐振腔、高效激光泵浦技术、非线性频率变换、光谱控制、热效应控制等方面具有丰富的技术积累，承担并完成了多项国家863项目、国家重点研发计划项目、国家自然基金重大仪器专项、国家科技攻关等项目的研究工作，相关研究成果获得北京市科学技术二等奖、中国科学院科技成果转化一等奖，先后在国内外核心期刊发表学术论文30余篇。

范元媛，博士，中国科学院微电子所副研究员，硕士生导师，中国科学院青促会会员。多年来从事激光技术及其应用、光学系统设计等方面的研究工作，主要研究领域有高效光谱控制技术、红外及紫外光源等。先后承担或参与了国家科技重大专项（02专项）、国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市科技专项等研究工作。在Optics Express、Chinese Optics Letters、《物理学报》、《中国激光》等国内外学术期刊及会议上发表学术论文30余篇，授权发明专利20余项，其中国际发明专利5项。研究成果曾获第19届“中国专利奖优秀奖”、中国科学院北京分院科技成果转化奖特等奖。

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