近日，中科院合肥研究院健康所江海河課題組與安光所張慶禮課題組合作，設計研製了梯度濃度摻雜的釔鋁石榴石晶體（Nd:YAG）雷射系統，實現了高重複頻率電光調Q雷射輸出。相比傳統均勻摻雜晶體，梯度濃度晶體顯著提高了輸出平均功率和峰值功率，並獲得了高光束質量的雷射輸出。相關成果已在國際光學期刊Optics Letters上發表。
雷射晶體產生的熱效應一直是嚴重制約著高重複頻率電光調Q雷射器的發展，尤其强烈的熱透鏡效應使得諧振腔內的雷射光束縮小，導致諧振腔內的峰值功率密度急劇上升，以致損壞腔內光學元件。傳統均勻摻雜的雷射晶體，端泵時的熱量主要分佈於端面，且晶體的吸收使得泵浦光沿晶體軸向迅速衰减，從而造成泵浦和溫度分佈的不均勻。而新型的濃度由低變高的梯度晶體，可使得泵浦光和熱量在軸向分佈更加平滑。本研究設計使用梯度濃度晶體應用於電光調Q系統中，實現了高峰值功率高光束質量的輸出。
研究團隊以梯度濃度0.39-0.80 at.%的Nd:YAG晶體為增益介質，設計了LD端面泵浦L型平凸折疊腔電光調Q雷射系統，實現了重複頻率為2 kHz穩定運行。在最佳透過率為45%的條件下，梯度濃度晶體的雷射最大輸出功率達到6.9W，斜效率為38.2%。相比等效平均濃度0.60 at.%的晶體分別提高了21.1%和30.8%。實驗結果表明，梯度濃度晶體在調Q系統中呈現了明顯的優良特性，較小的熱效應和平滑的熱分佈擴大了諧振腔內的光斑面積，從而增大了基模雷射體積，獲得了更高功率的雷射輸出並且不會損壞光學元件。該雷射器達到了近繞射極限的調Q雷射輸出，脈衝寬度為5.9ns，峰值功率高達585MW，功率穩定性為0.55%。
研究證明了設計的新型梯度濃度Nd:YAG電光調Q雷射系統具有明顯的優勢特性，有很好的光束質量和穩定性，為研製高重複頻率的電光調Q雷射器及其在雷射雷達和雷射成像等光電探測應用提供了新的科技途徑。
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圖1電光調Q實驗裝置圖
圖2各種摻雜晶體的電光調Q雷射輸出功率
圖3（a）脈衝寬度，（b）光斑，（c）1小時功率穩定性