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磁懸浮、光驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)盤片固體激光器獲突破

近期，上海光機(jī)所信息光電實(shí)驗(yàn)室李建郎研究員課題組成功研制磁懸浮、光驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的盤片固體激光器，這標(biāo)志著一種新型激光技術(shù)的誕生。

固體激光器中的廢熱累積會(huì)嚴(yán)重影響激光器的性能。通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)激光增益介質(zhì)盤片可以有效的減少其內(nèi)部的熱累積，顯著提高激光器的功率和光束質(zhì)量。在現(xiàn)有的轉(zhuǎn)盤激光器中，增益介質(zhì)盤片的旋轉(zhuǎn)采用電驅(qū)動(dòng)(馬達(dá))等方式，需要額外的伺服系統(tǒng)克服增益介質(zhì)的搖擺，這導(dǎo)致激光器結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。其次，反磁材料(比如熱解石墨)因具有負(fù)的磁化率，在外磁場(chǎng)環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生反向磁場(chǎng)，在室溫時(shí)形成磁懸浮。當(dāng)激光束照射到處于磁懸浮狀態(tài)的熱解石墨薄片的邊緣位置，熱致磁導(dǎo)率的局部變化形成轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，導(dǎo)致熱解石墨薄片轉(zhuǎn)動(dòng)。此種基于磁懸浮的光驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)易于精確控制，且具有良好的穩(wěn)定性。

以此為背景，課題組將轉(zhuǎn)盤激光器技術(shù)和磁懸浮光驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)技術(shù)相結(jié)合，提出磁懸浮、光驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)激光器的概念。該方案通過(guò)反磁性材料將激光增益介質(zhì)盤片懸浮在磁場(chǎng)中，激光增益介質(zhì)吸收入射泵浦光的部分功率，剩余(未吸收)泵浦光到達(dá)反磁性材料表面提供旋轉(zhuǎn)所需的能量。在實(shí)驗(yàn)研究中，科研人員將熱解石墨片和直徑為15 mm、厚度為0.5 mm的Nd∶YAG晶體一起放置于釹鐵硼永磁體的上方，懸浮高度約為1 mm。Nd∶YAG晶體的上下表面均鍍有介質(zhì)膜以形成諧振腔。采用808 nm的半導(dǎo)體激光器泵浦該激光晶體，在懸浮體重量過(guò)重的情況下在其側(cè)面輔助以氣體來(lái)推動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)。在泵浦光功率為450 mW、懸浮體的旋轉(zhuǎn)頻率為4 Hz時(shí)，獲得了功率17.7 mW、斜坡效率為8.3%的基橫模激光輸出，激光光束亮度高。

該研究工作利用剩余(未吸收)泵浦光驅(qū)動(dòng)磁懸浮的熱解石墨旋轉(zhuǎn)的方式，有效地?cái)M制了激光晶體中廢熱的影響，從而獲得了高亮度的激光輸出。隨著對(duì)懸浮體(包括激光增益介質(zhì)和反磁性材料)的進(jìn)一步優(yōu)化，磁懸浮、光驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的盤片激光器將變得更加現(xiàn)實(shí)，且有望在高功率激光器和平面波導(dǎo)激光器兩個(gè)方面取得新突破。磁懸浮、光驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤激光器相關(guān)研究已經(jīng)申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利。