近期，上海光機所信息光電實驗室李建郎研究員課題組成功研制磁懸浮、光驅(qū)動旋轉(zhuǎn)的盤片固體激光器，這標志著一種新型激光技術的誕生。
固體激光器中的廢熱累積會嚴重影響激光器的性能。通過轉(zhuǎn)動激光增益介質(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（馬達）等方式，需要額外的伺服系統(tǒng)克服增益介質(zhì)的搖擺，這導致激光器結構比較復雜。其次，反磁材料（比如熱解石墨）因具有負的磁化率，在外磁場環(huán)境下會產(chǎn)生反向磁場，在室溫時形成磁懸浮。當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，熱致磁導率的局部變化形成轉(zhuǎn)動力矩，導致熱解石墨薄片轉(zhuǎn)動。此種基于磁懸浮的光驅(qū)動旋轉(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)盤激光器技術和磁懸浮光驅(qū)動旋轉(zhuǎn)技術相結合，提出磁懸浮、光驅(qū)動旋轉(zhuǎn)激光器的概念。該方案通過反磁性材料將激光增益介質(zhì)盤片懸浮在磁場中，激光增益介質(zhì)吸收入射泵浦光的部分功率，剩余（未吸收）泵浦光到達反磁性材料表面提供旋轉(zhuǎn)所需的能量。在實驗研究中，科研人員將熱解石墨片和直徑為15mm、厚度為0.5mm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1mm。Nd：YAG晶體的上下表面均鍍有介質(zhì)膜以形成諧振腔。采用808nm的半導體激光器泵浦該激光晶體，在懸浮體重量過重的情況下在其側(cè)面輔助以氣體來推動轉(zhuǎn)動。在泵浦光功率為450mW、懸浮體的旋轉(zhuǎn)頻率為4Hz時，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。相關研究工作被Chinese Optics Letters雜志封面報道 [ Chin. Opt. Lett.， 13，121403 ， 2015]。
該研究工作利用剩余（未吸收）泵浦光驅(qū)動磁懸浮的熱解石墨旋轉(zhuǎn)的方式，有效地擬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。隨著對懸浮體（包括激光增益介質(zhì)和反磁性材料）的進一步優(yōu)化，磁懸浮、光驅(qū)動旋轉(zhuǎn)的盤片激光器將變得更加現(xiàn)實，且有望在高功率激光器和平面波導激光器兩個方面取得新突破。磁懸浮、光驅(qū)動轉(zhuǎn)盤激光器相關研究已經(jīng)申請國家發(fā)明專利。
圖1. 磁懸浮轉(zhuǎn)盤激光器實驗裝置示意圖
圖2. 磁懸浮結構的實物照片
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