日前，中国科学院合肥物质院健康所江海河课题组发表在国际期刊 Frontiers in Physics 的研究论文“2.79-μm high peak power LiNbO3 acousto-optic Q-switched Er,Cr:YSGG laser with thermal lensing effect compensation”，被国际工程范围著名科技机构“Advances In Engineering”（简称人工智能E）遴选为重要科学文章(a key scientific article)，并以“Enhancing Mid-Infrared Er, Cr: YSGG Laser Pulse Performance via LiNbO3 Acousto-Optic Q-Switching and Thermal Lensing Compensation”为题进行了专题报道。

3-12 μm波长范围的中红外激光器在医疗、材料加工、环境监测等范围有着广泛的应用。对高效、高功率中红外光源的追求引导着大家对各种激光材料和结构的探索，其中，2.79 μm波长的Er, Cr: YSGG激光晶体，因为其具备高效率和适用于较为经济的闪光灯泵浦，已被觉得是一种非常有前景的活性介质。Cr3+离子的掺入提升了能量传递效率，使其成为高重复频率、高脉冲能量应用最具备吸引力的选择。除此之外，声光(AO)调Q技术可以精确控制激光脉冲的起始，该技术因其结构紧凑、插入损耗低和重复率高而备受喜爱。然而，因为激光介质内热积累引起的热透镜效应，导致激光束畸变并减少输出激光的效率和稳定性，给高重复频率条件下维持激光优质输出带来重大挑战。

江海河研究团队构建了一个Er, Cr: YSGG激光系统，该系统在一个独特设计的平-凸谐振腔中集成了一个自制的LiNbO3声光Q开关。所用的声光介质是一种新型结构的LiNbO3晶体，其在3 μm波长范围内具备较高的透射率，较低的声光衰减系数(1 dB/cm@1 GHz)和较高的损伤阈值(200 MW/cm2)。综合考虑到介质导热系数、激光棒的横截面面积和温度梯度等原因，精心设计了实验装置，以提升激光器的输出性能，减少高重复频率下声光Q开关的损毁风险，研制出高性能的2.79 μm Er, Cr: YSGG激光器。

在理论和实验的基础上，研究职员提出了一种补偿热透镜效应的平-凸谐振腔设计。实验结果表明，所设计的平-凸谐振腔补偿了热透镜效应，显著提升了激光器的性能。在自由运转模式下，激光器在60 Hz下达成了160 mJ的最大脉冲能量；与平-平谐振腔相比，脉冲能量增加了一倍。在声光Q开关模式下，激光器在60 Hz的最大输出调Q脉冲能量达到8.5 mJ，最小脉冲持续时间为60.8 ns，相应的峰值功率约为140 kW。与传统的平-平谐振腔相比，相应的脉冲能量增加了1.6倍，峰值功率增加了2.3倍。改进后的谐振腔设计不只增强了脉冲能量和峰值功率，而且能够帮助在高重复频率下提升输出光束水平和稳定性。

该革新性的办法显著提升了激光器的输出性能，使其成为中红外波段中需要高峰值功率和窄脉冲持续时间的应用的有期望的候选者。该研究为激光物理和工程提供了有益的见解，也为实质应用提供了一种新的开发更高效、更强激光系统的渠道。

人工智能E是一个非营利性国际学术平台，其主要为了准时迅速地报道工程范围要紧的科学研究成就和革新技术，现在成为工程研究范围新闻信息的权威提供者。人工智能E所报道的论文是由国际专家顾问组选出，每周特别报道的出色论文数目仅20篇，方向包含材料、化学、电子、机械、生物医学、应用物理与通用工程，入选率为以上范围发表论文总数的1‰。人工智能E拥有广泛的读者群，并被世界排名前40位的工程公司和全球主要研究机构所链接，用于跟踪全球最新突破性科技进展。

图1. 基于LiNbO3声光Q开关的2.79 μm Er, Cr: YSGG激光系统原理图图2. 脉冲能量和脉冲宽度的特质曲线随泵能量的变化

Tags：红外激光