超宽角度ASE吸收激光薄膜研究

The Amplified Spontaneous Emission (ASE), with the character of super wide angular distribution, is the key limiting factor that prohibiting improving the laser energy. The ASE can only be effectively suppressed by controlling the stray light in laser slab from 0 degree to Critical angle degree. There is no effective method can suppress the ASE until now. A novel solution to suppress the ASE was proposed, which deposit SiO2 and TiNxOy composite coating on the surface of laser gain medium. The part of SiO2 coating is used to play the role of keeping occurring total internal reflection, the part of TiNxOy coating with excellent thermal conductivity and heat stability is used to absorb the ASE in the wide angular range from 0 degree to Critical angle degree. A off-line testing method used to evaluate the ASE absorbing effect in the laser slab will be proposed. The laser damage characteristic of the multi-function coating under Critical angle will be explored. The evolution rule of the optical character, laser damage and thermal character of the multi-function coating under long time high temperature will be drawn. Based on these studies, the multi-function coating can be prepared successfully, which will support the improving performance of slab laser in the future.

激光增益介质中自发辐射放大（ASE）是限制高功率板条激光器输出能量进一步提升的关键因素。ASE具有超宽角度分布的特性，需要将0°-全反射角°（52.8°）范围内的杂散光束都进行控制才能有效抑制ASE，但目前已有方法在角度范围和效率方面都不理想。本申请提出一个抑制激光增益介质中ASE的新思路：将倏逝波薄膜和超宽角度吸收黑膜耦合起来，构建一种可以兼顾倏逝波特性、超宽角度ASE吸收特性、热力稳定性及激光损伤特性的多功能薄膜。建立离线表征多功能ASE吸收膜对1064nm激光在YAG内部零度角至全反射角范围传输时吸收效果的方法；阐明全内反射条件下多功能薄膜的损伤特性及规律；掌握多功能薄膜倏逝波特性、ASE吸收特性、应力、热稳定性及损伤特性在高温条件下长期工作的演变规律和控制方法；实现兼顾光学特性、热力特性、损伤特性ASE吸收多功能薄膜研制，为高功率半导体泵浦激光器的ASE抑制问题提供关键技术支持。

二极管泵浦全固态激光器具有光光效率高、光束质量好、波长覆盖范围广、使用寿命长、结构小巧紧凑、系统稳定度高等优点，在激光聚变、国防军事、工业生产、医疗器械、空间通信和航天技术等方面发挥着相当重要的作用。这些需求和应用都对目前激光器的功率、光束质量和输出效率等性能指标的提高提出了一个新的挑战。激光增益介质中自发辐射放大（ASE）、全反射界面的易损伤特性是限制高功率板条激光器输出能量进一步提升的关键因素。ASE具有超宽角度分布的特性，需要完全吸收0°-全反射角°（52.8°）范围内的杂散光.才能有效抑制ASE，但目前已有方法在角度范围和效率方面都不理想。我们首先基于不同厚度金属Cr薄膜的色散表征，设计并制备了Cr和SiO2多层金属介质宽角度吸收膜，将倏逝波薄膜和超宽角度吸收黑膜耦合起来，构建了一种可以兼顾倏逝波特性、超宽角度ASE吸收特性的多功能薄膜。实验结果表明，此宽角度吸收膜在保证板条激光器的1064 nm主激光全反射的同时，可以有效吸收板条晶体内部0-全反射角范围内的杂散光，平均吸收率高于85%。最终实验制备的YAG多功能薄膜和传统的SiO2薄膜相比，可以将Nd:YAG板条激光器的输出功率提高大约12%。另一方面，我们在基板与SiO2倏逝波薄膜间加入一层HfxSi1-xO2纳米复合材料，有效降低薄膜与基板的界面电场，并通过高温退火处理，进一步降低了薄膜的吸收。损伤阈值测试表明，这种加入HfxSi1-xO2混合材料薄膜的全反射面薄膜的激光损伤阈值是传统全反射面薄膜结构的2倍。上述科学和技术问题的解决，将极大促进国内板条激光器 ASE 抑制方面理论及应用研究的发展，提高板条晶体全反射面的界面损伤阈值，为高功率 DPSSL 能量负载的提升提供有效的技术途径。