为了对Yb∶YAG晶体荧光性能进行调控以使其更好地应用于高能脉冲型激光器, 结合密度泛函理论和晶体场理论, 对掺杂调控后的Yb∶YAG晶体的电子结构、光谱学性质进行了理论计算, 分析了不同粒子掺杂和占据格位情况下Yb∶YAG晶体的荧光性能, 并在此基础上计算配方完成晶体生长实验、制备样品进行荧光性能测试验证。结果表明, 通过以上过程掌握了Yb∶YAG晶体荧光寿命等参数的调控方法, 共掺Cr后的Yb∶YAG荧光寿命可以从1.18 ms降低至0.94 ms。该研究为Yb∶YAG晶体实现高能脉冲激光应用奠定了理论和实验基础。

基于Yb∶YAG单碟片模块设计并搭建了激光再生放大器，实现了重复频率为1 kHz、脉冲能量为107 mJ、脉冲宽度为1.2 ns的近衍射极限激光输出，x的光束质量因子（Mx2）和y方向的光束质量因子（My2）分别为1.07与1.05，光光转换效率为11%。激光中心波长为1031.7 nm，光谱宽度为2.04 nm，该光谱宽度支持将激光的脉宽压缩至735 fs。据我们所知，这是国内首次使用单碟片激光再生放大器实现重复频率为1 kHz、单脉冲能量为107 mJ的激光输出。

以激光二极管（LD）端面泵浦方形YAG/Yb∶YAG复合晶体为研究对象，采用有限元分析方法，并根据热传导理论以及连续LD端面泵浦方形YAG/Yb∶YAG的工作特点，系统分析了泵浦功率、YAG晶体厚度及截面尺寸对激光晶体温度、热应力及热形变的影响。计算过程中经光学耦合系统准直聚焦的泵浦光斑半径为400 μm。研究结果表明：当Yb∶YAG晶体尺寸为4 mm×4 mm×1 mm，YAG晶体厚度为0.1 mm时，随着泵浦功率由60 W增加为80 W，YAG/Yb∶YAG方片晶体内最高温升明显增大，由37.19 ℃变为82.92 ℃；当YAG晶体厚度由0 mm增加为0.5 mm时，薄片晶体内最大热应力由26.93 MPa变为10.438 MPa，最高温升也随之降低了18.18 ℃，但由热应力产生的热形变基本保持不变。利用方片YAG/Yb∶YAG复合晶体能够有效降低激光晶体内最大热应力及最高温升，对全固态Yb∶YAG激光器的设计及高功率输出具有指导意义。

为了解决激光二极管端面泵浦圆盘晶体引起的热效应问题，根据连续LD端面泵浦圆盘形YAG/Yb∶YAG的工作特点，基于热传导理论建立了复合晶体有限元分析模型。通过设定LD泵浦参数，定量分析了泵浦功率、复合晶体厚度与截面大小对温度场的影响。研究结果表明，当复合晶体几何结构一定时，随泵浦功率增大，晶体温度升高。当泵浦功率为70 W，经光学耦合系统准直聚焦的泵浦光斑半径为400 μm时，Yb∶YAG晶体厚度为3 mm，当键合的YAG晶体厚度从0 mm变为0.7 mm时，复合晶体内最高径向温升降低了39.7 ℃，最高轴向温升降低了238.3 ℃。在相同泵浦条件下，取YAG晶体厚度为0.5 mm，当复合晶体截面半径由8 mm增加至13 mm时，晶体内沿径向的最高温升降低了32.8 ℃，沿轴向最高温升降低了171.7 ℃。利用复合晶体能够降低激光晶体内部热效应，对实现全固态Yb∶YAG激光器高功率输出具有指导意义。

采用水平定向结晶(HDC)法成功生长出160 mm×80 mm×20 mm的Yb∶Y3Al5O12(Yb∶YAG)晶体, 并对其头部、中部、尾部取样进行了系统测试分析。结果表明, 晶体结晶质量良好, 不同位置晶片的Yb3+掺杂浓度、吸收光谱、荧光光谱、荧光寿命等指标具有良好的均一性, 并与提拉法生长的低浓度Yb∶YAG晶体处于相似水平, 在935 nm处吸收截面为1.2×10-20cm2, 在1 024 nm处发射截面达到峰值(3.2×10-20cm2), 荧光寿命可达1.08 ms, 水平定向结晶法生长的晶体无核心、侧心优势, 对制作大尺寸板条状激光晶体有巨大的应用前景。

利用提拉法生长了Si4+共掺杂Yb∶YAG单晶, 该晶体属于立方晶系, Oh10-Ia3d空间群。掺杂的Si4+没有改变YAG的晶体结构, 但是影响了发光离子的价态。吸收光谱表明Si4+的引入使得Yb2+含量增多, 这是由于Si4+引入了过量的电荷, 为满足电价平衡, Yb3+转换为Yb2+。Yb2+的出现降低了Yb∶YAG的发光强度。稳态X射线激发发射光谱结果表明Si4+共掺杂Yb∶YAG晶体的发光强度是Yb∶YAG的63%, γ射线激发下的光产额降至原来的40%。此外, 由于原料中含有多种Yb的同位素, Yb∶YAG除了可以被X射线、γ射线激发出荧光外, 还可以与中子发生核反应产生带电粒子, 进而引起次级反应产生荧光。荧光的产生仍然由Yb3+决定, 因此, Si4+掺入也降低了中子探测灵敏度。

设计了一种高功率多通泵浦Yb∶YAG平面波导激光放大器。 所设计的放大器采用对称泵浦方案,泵浦源对称分置于平面波导两侧,泵浦光在平面波导中经反射多次通过芯层以实现多通泵浦。分析了泵浦吸收特性的影响因素,推导了平面波导几何参数间的约束关系,并对平面波导结构进行了优化。使用激光放大模型分析了所设计平面波导放大器的泵浦吸收特性、温度特性及放大输出特性。结果显示:所设计多通泵浦平面波导放大器具有高泵浦吸收率,以及高的光-光转换效率,当注入种子光功率为200 W,泵浦功率为10 kW时,对称多通泵浦平面波导的泵浦吸收率最大值为96.8%,对应的放大输出功率为7483 W,光-光转换效率为72.8%;同时,良好的吸收均匀性使其受热效应的影响更小,有利于获得高质量的光束。

A diode pumped high energy Yb∶‍YAG rod regenerative amplifier was demonstrated with a maximum energy of 22.3 mJ, excellent energy stability (~0.8% root mean square), and beam quality (M² < 1.2) at 10 Hz repetition rate. To the best of our knowledge, this is the highest energy so far obtained by a Yb∶‍YAG rod regenerative amplifier.

设计了一种高效率、结构紧凑的高功率平面波导激光放大器。放大器使用新型平面波导结构,可以实现对芯层的多通泵浦,从而大幅度增加泵浦光的吸收长度,提高低掺杂Yb∶YAG芯层的泵浦吸收率。基于Yb ³⁺的激光动力学方程,结合光学追迹法与有限元方法构建了三维激光放大模型,并分别对双包层平面波导与新型平面波导的高功率激光放大器进行仿真。仿真结果表明,当泵浦总功率为10 kW和注入种子光的功率为200 W时,新型平面波导放大器具有更高的泵浦吸收率、更好的泵浦均匀性、更低的热损伤风险及更高的光-光转化效率。