固體激光技術(shù)中，激光增益介質(zhì)的熱效應(yīng)是限制激光性能提升的技術(shù)瓶頸之一。激光運(yùn)轉(zhuǎn)過程中晶體元件溫度分布不均勻是產(chǎn)生熱效應(yīng)的主要原因。目前，改善激光晶體熱效應(yīng)的方法主要包括優(yōu)化晶體形狀、調(diào)整泵浦模式以及改進(jìn)冷卻方式等。研究團(tuán)隊(duì)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(jìn)行了激光性能和光譜性能研究，研究結(jié)果證實(shí)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(yīng)。
 

　　為了進(jìn)一步優(yōu)化熱效應(yīng)，創(chuàng)新高對稱性梯度濃度晶體元件，結(jié)合雙端泵浦方式，實(shí)現(xiàn)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(dǎo)體激光器進(jìn)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(zhì)量因子為Mx² = 2.347 和My² = 2.217，顯著優(yōu)于0.6 at% Nd:YAG的Mx² = 2.961 和My² = 4.061。0.18-0.32-0.18 at% Nd:GdYAG的性能均優(yōu)于0.6 at% Nd:YAG，但受限于自身熱導(dǎo)率的限制，激光性能略差于0.17-0.38-0.17 at% Nd:YAG。研究結(jié)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(zhì)，能有效減輕熱效應(yīng)并提升激光性能。
 

　　該研究工作得到國家自然基金面上項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國科學(xué)院青促會(huì)、安光所基礎(chǔ)研究青年團(tuán)隊(duì)的支持。
 

高對稱性晶體元件制備示意圖和元件實(shí)物
 

不同泵浦功率下，晶體元件的熱分布
 

(a)(b) (c)
 

　　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
 

光束質(zhì)量