近期，中國科學院合肥物質院安光所張慶禮研究員團隊與江海河研究員團隊合作，在梯度濃度激光晶體研究中取得新進展。團隊創新設計了高對稱性梯度濃度激光晶體元件，為雙端泵浦激光技術提供了新型增益介質，有效改善了熱效應，優化了激光性能。相關研究成果以《用于雙端泵浦的高對稱性梯度濃度0.17-0.38-0.17 at% Nd:YAG晶體元件》為題，發表在光學領域國際知名期刊Optics Express上。

在固體激光技術中，激光增益介質的熱效應是限制激光性能提升的技術瓶頸之一。激光運轉過程中晶體元件溫度分布不均勻是產生熱效應的主要原因。目前，改善激光晶體熱效應的方法主要包括優化晶體形狀、調整泵浦模式以及改進冷卻方式等。

研究團隊前期通過類泡生方法生長了不同梯度濃度Nd³⁺摻雜的激光晶體，并對單端泵浦的梯度濃度晶體進行了激光性能和光譜性能研究，研究結果證實梯度濃度激光晶體可有效提高泵浦吸收的均勻性，改善熱效應。

為了進一步優化熱效應，本研究創新研制高對稱性梯度濃度晶體元件，結合雙端泵浦方式，實現晶體元件的溫度均勻性和激光性能的提升。高對稱性梯度濃度晶體元件是由兩支濃度變化率相同的元件通過高溫鍵合而成，元件的中心濃度高，兩端濃度低，且濃度變化趨勢相同。在前期生長的0.17-0.38 at% 梯度濃度Nd:YAG和0.18-0.32 at% 梯度濃度Nd:GdYAG晶體中選取元件，制備了兩根對稱梯度濃度激光晶體棒，一根為0.17-0.38-0.17 at% Nd:YAG，另一根為0.18-0.32-0.18 at% Nd:GdYAG，尺寸均為Φ3 mm×80 mm。

采用808nm半導體激光器進行雙端面泵浦，20 W泵浦功率下，0.17-0.38-0.17 at% Nd:YAG晶體棒的兩端與中間的溫度差僅為37℃，與均勻濃度0.6 at% Nd:YAG棒的溫度差相比，降低了三分之二。0.17-0.38-0.17 at% Nd:YAG晶體棒的最大輸出功率為14.47 W，斜效率為51.7%，分別比0.6 at% Nd:YAG 提高了45.1%和62.1%。在9 W輸出功率下，0.17-0.38-0.17 at% Nd:YAG晶體棒的光束質量因子為M_x2 = 2.347 和M_y2 = 2.217，顯著優于0.6 at% Nd:YAG的M_x2 = 2.961 和M_y2 = 4.061。0.18-0.32-0.18 at% Nd:GdYAG的性能均優于0.6 at% Nd:YAG，但受限于自身熱導率的限制，激光性能略差于0.17-0.38-0.17 at% Nd:YAG。

研究結果表明，高對稱性梯度摻雜激光晶體元件是用于雙端泵浦的出色增益介質，能有效減輕熱效應并提升激光性能。

該研究工作得到國家自然基金面上項目、國家重點研發計劃、中國科學院青促會、安光所基礎研究青年團隊的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1364/OE.571694

圖1 高對稱性晶體元件制備示意圖和元件實物

圖2 不同泵浦功率下，晶體元件的熱分布

圖3 激光性能：(a)0.17~0.38~0.17 at% Nd:YAG; (b)0.18~0.32~0.18 at% Nd:GdYAG; (c)0.6 at% Nd:YAG

圖4光束質量