新型自调Q激光晶体Ca3La2(BO3)4:Yb3+的研制及其机理研究

The development of the all-solid-state Q-switched laser is one of the most popular projects in the field of high technology. The main route to get high power Q-switched laser with stable performance is using the self-Q-switched (SQS) laser crystal. The existing SQS laser crystals can not adapt to the application of the novel Q-switched technology, the relative investigation has become one of the most active fields in laser medium research. In this project, we will study the mechanism of crystal defects in order to growth Ca3La2(BO3)4:Yb3+ crystal with high quality. Also, the intrinsic relationship between the characteristics and the time-frequency properties of SQS pulse will be studied. By the improvement scheme of thermal effect, a high power SQS laser will be realized through the proper design of laser cavity. This project is focusing on the basic research of the SQS laser crystal, in order to achieve high-performance and low-cost Q-switched laser to satisfy the urgent need of national defense and industry.

全固态调Q激光器的研制和生产是高新技术及其领域最受青睐的项目之一。基于自调Q激光晶体的新型自调Q激光技术是当前获得性能稳定的高功率调Q激光的主要手段。然而，现有的自调Q激光晶体不能适应新型调Q技术应用的需求，为了提高器件的总体性能，发展优秀的自调Q激光晶体成为当前激光晶体材料研究的热点和难点之一。本课题在前期基础上研究晶体缺陷的形成机理，优化生长工艺，制备优质大尺寸Ca3La2(BO3)4:Yb3+单晶；深入探究晶体的多格位光谱；解析各宏观参量与自调Q脉冲时域频域特性的内在联系；设计自调Q晶体热效应的改善方案；精细设计激光测试系统，实现性能稳定的高功率自调Q激光输出。本课题旨在开展新型自调Q技术所需自调Q激光晶体的研制，为有效提高调Q激光性能、降低成本奠定理论和技术基础。

本课题旨在开展新型自调Q技术所需自调Q激光晶体的研制，在执行期间，遵循既定的研究方案和计划，较好的完成了本项目的研究目标。主要研究成果如下：.（1）优化了Ca3La2(BO3)4:Yb3+晶体的生长工艺，提高了晶体的质量。沿着b轴生长了一系列不同Yb3+掺杂浓度的Ca3La2(BO3)4:Yb3+晶体，其中10at.% Yb3+浓度的晶体的质量最好，晶体尺寸为Φ20×35mm。系统表征了晶体的光谱和热性能，研究了Yb3+掺杂浓度对重吸收效应的影响机理。.（2）系统计算了晶体的各项光谱参数，包括吸收截面、发射截面、增益截面、饱和泵浦功率密度、及最小泵浦功率Imin等，结果表明该晶体的理论激光阈值较低，且有望成为可调谐、超快激光与多波长激光的增益介质。.（3）测量了沿结晶学主轴切割晶体样品对不同强度的激光的透过率，通过数据的拟合，得到a-切，b-切，c-切Ca3La2(BO3)4:Yb3+晶体的调制深度分别为7.9%、10.3%、9.1%；非饱和损耗分别为6.9%、7.6%、4.0%，饱和光强分别为0.03、0.05、0.04 MW/cm2。.（4）基于10at.% Yb3+掺杂的b-切Ca3La2(BO3)4:Yb3+晶体实现了明显的自调Q激光运转，当输出镜透过率5%，最高自调Q输出功率为213mW，脉冲重复频率为45kHz，最小脉冲宽度为683ns，单脉冲能量为4.7μJ，峰值功率为6.9W；当输出镜透过率为3%，最高自调Q输出功率为0.48W，脉宽为248 ns，重复频率54 kHz，单脉冲能量为8.89μJ，峰值功率为35.8W。.本工作实现了基于Ca3La2(BO3)4:Yb3+晶体构建的自调Q激光器，有望满足集成光学系统对微型化、集成化、低功耗的短脉冲激光光源的需求。