科学岛团队LiNbO3声光调Q中红外激光研究成果被Advances in Engineering遴选

近日，中国科学院合肥物质院健康所江海河课题组发表在国际期刊 Frontiers in Physics 的研究论文“2.79-μm high peak power LiNbO3 acousto-optic Q-switched Er,Cr:YSGG laser with thermal lensing effect compensation”，被国际工程领域著名科技机构“Advances In Engineering”（简称AIE）遴选为关键科学文章(a key scientific article)，并以“Enhancing Mid-Infrared Er, Cr: YSGG Laser Pulse Performance via LiNbO3 Acousto-Optic Q-Switching and Thermal Lensing Compensation”为题进行了专题报道。

3-12 μm波长范围的中红外激光器在医疗、材料加工、环境监测等领域有着广泛的应用。对高效、高功率中红外光源的追求引导着人们对各种激光材料和结构的探索，其中，2.79 μm波长的Er, Cr: YSGG激光晶体，由于其具有高效率和适用于较为经济的闪光灯泵浦，已被认为是一种很有前景的活性介质。Cr3+离子的掺入提高了能量传递效率，使其成为高重复频率、高脉冲能量应用最具有吸引力的选择。此外，声光(AO)调Q技术可以精确控制激光脉冲的起始，该技术因其结构紧凑、插入损耗低和重复率高而备受青睐。然而，由于激光介质内热积累引起的热透镜效应，造成激光束畸变并降低输出激光的效率和稳定性，给高重复频率条件下保持激光高质量输出带来重大挑战。

江海河研究团队构建了一个Er, Cr: YSGG激光系统，该系统在一个独特设计的平-凸谐振腔中集成了一个自制的LiNbO3声光Q开关。所使用的声光介质是一种新型结构的LiNbO3晶体，其在3 μm波长范围内具有较高的透射率，较低的声光衰减系数(1 dB/cm@1 GHz)和较高的损伤阈值(>200 MW/cm2)。综合考虑到介质导热系数、激光棒的横截面面积和温度梯度等因素，精心设计了实验装置，以提高激光器的输出性能，降低高重复频率下声光Q开关的损坏风险，研制出高性能的2.79 μm Er, Cr: YSGG激光器。

在理论和实验的基础上，研究人员提出了一种补偿热透镜效应的平-凸谐振腔设计。实验结果表明，所设计的平-凸谐振腔补偿了热透镜效应，显著提高了激光器的性能。在自由运转模式下，激光器在60 Hz下实现了160 mJ的最大脉冲能量；与平-平谐振腔相比，脉冲能量增加了一倍。在声光Q开关模式下，激光器在60 Hz的最大输出调Q脉冲能量达到8.5 mJ，最小脉冲持续时间为60.8 ns，相应的峰值功率约为140 kW。与传统的平-平谐振腔相比，相应的脉冲能量增加了1.6倍，峰值功率增加了2.3倍。改进后的谐振腔设计不仅增强了脉冲能量和峰值功率，而且有助于在高重复频率下提高输出光束质量和稳定性。

该创新性的方法显著提高了激光器的输出性能，使其成为中红外波段中需要高峰值功率和窄脉冲持续时间的应用的有希望的候选者。该研究为激光物理和工程提供了有益的见解，也为实际应用提供了一种新的开发更高效、更强激光系统的途径。

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图1. 基于LiNbO3声光Q开关的2.79 μm Er, Cr: YSGG激光系统原理图

图2. 脉冲能量和脉冲宽度的特性曲线随泵能量的变化