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近日，中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院健康所醫(yī)用激光技術(shù)實(shí)驗(yàn)室江海河研究員課題組與中電科集團(tuán)合作，在中紅外波段聲光調(diào)Q技術(shù)研究方面取得重要進(jìn)展：首次實(shí)現(xiàn)了鈮酸鋰 (LiNbO3) 晶體聲光開關(guān)及其在2.79 μm Er,Cr:YSGG激光器中的高效率調(diào)Q輸出。相關(guān)成果已在國際光學(xué)期刊Optics Letters上發(fā)表。

聲光調(diào)制器作為調(diào)Q開關(guān)廣泛的應(yīng)用于激光器來獲得高重頻、窄脈寬激光輸出。雖然3 μm波段的幾種聲光Q開關(guān)已取得初步成果，但其中聲光介質(zhì)和換能器通常是不同的材料，這對(duì)器件的制作工藝提出了較高的要求，也增加了超聲傳播過程中的能量損失。因此，用聲光介質(zhì)和換能器相同的材料制作的性能優(yōu)良、制作工藝簡單的調(diào)制器是必要的。

鈮酸鋰晶體是一種傳統(tǒng)的多功能晶體。近年來，極低光學(xué)損耗、光電功能豐富的鈮酸鋰薄膜光子學(xué)器件得到了迅速發(fā)展，鈮酸鋰有望在集成光子學(xué)領(lǐng)域替代硅材料，為突破通信領(lǐng)域功耗大、速度慢的瓶頸性問題提供解決方案。自1937年發(fā)現(xiàn)鈮酸鋰晶體以來，雖然它具有良好的聲光特性，長期以來都被作為換能器材料，但是一直未能實(shí)現(xiàn)塊狀晶體的激光聲光調(diào)Q開關(guān)。本研究實(shí)現(xiàn)了聲光介質(zhì)和換能器同質(zhì)和一體化，即能簡化制作工藝，降低輔助成本，也能降低超聲能量的損失，使得鈮酸鋰聲光Q開關(guān)的衍射效率達(dá)到57% (圖1)，且鈮酸鋰晶體具有較高的抗損傷閾值(>200 MW/cm2)。

圖1. 鈮酸鋰聲光Q開關(guān)的衍射效率隨驅(qū)動(dòng)功率的變化曲線

自主研制的2.79 μm Er,Cr:YSGG聲光調(diào)Q激光器驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的鈮酸鋰聲光Q開關(guān)具有良好的聲光調(diào)Q性能 (圖2)，在50 Hz的高重復(fù)頻率下得到了脈沖能量為17.6 mJ、脈沖寬度為55.2 ns、峰值功率為319 kW的激光輸出，研制的Er,Cr:YSGG 鈮酸鋰聲光調(diào)Q激光器能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的、高峰值功率的激光輸出。

圖2. PRF=50 Hz時(shí)，脈沖能量、脈沖寬度隨泵浦能量的變化曲線

本研究表明，鈮酸鋰晶體具有較高的衍射效率、較高的抗損傷閾值和良好的聲光調(diào)Q性能，是3-5μm中紅外波段高功率激光器的新型聲光開關(guān)。同時(shí)，本研究為探索同質(zhì)材料直接鍵合成為一體化聲光器件的可能性邁進(jìn)了一步。