近期，中国科学院安光所张庆礼研究员团队与江海河研究员团队合作，在梯度浓度激光晶体研究中取得新进展。团队创新设计了高对称性梯度浓度激光晶体元件，为双端泵浦激光技术提供了新型增益介质，有效改善了热效应，优化了激光性能。相关研究成果以《用于双端泵浦的高对称性梯度浓度0.17-0.38-0.17 at% Nd:YAG晶体元件》为题，发表在光学领域国际知名期刊Optics Express上。

在固体激光技术中，激光增益介质的热效应是限制激光性能提升的技术瓶颈之一。激光运转过程中晶体元件温度分布不均匀是产生热效应的主要原因。目前，改善激光晶体热效应的方法主要包括优化晶体形状、调整泵浦模式以及改进冷却方式等。

研究团队前期通过类泡生方法生长了不同梯度浓度Nd³⁺掺杂的激光晶体，并对单端泵浦的梯度浓度晶体进行了激光性能和光谱性能研究，研究结果证实梯度浓度激光晶体可有效提高泵浦吸收的均匀性，改善热效应。

为了进一步优化热效应，本研究创新研制高对称性梯度浓度晶体元件，结合双端泵浦方式，实现晶体元件的温度均匀性和激光性能的提升。高对称性梯度浓度晶体元件是由两支浓度变化率相同的元件通过高温键合而成，元件的中心浓度高，两端浓度低，且浓度变化趋势相同。在前期生长的0.17-0.38 at% 梯度浓度Nd:YAG和0.18-0.32 at% 梯度浓度Nd:GdYAG晶体中选取元件，制备了两根对称梯度浓度激光晶体棒，一根为0.17-0.38-0.17 at% Nd:YAG，另一根为0.18-0.32-0.18 at% Nd:GdYAG，尺寸均为Φ3 mm×80 mm。

采用808nm半导体激光器进行双端面泵浦，20 W泵浦功率下，0.17-0.38-0.17 at% Nd:YAG晶体棒的两端与中间的温度差仅为37℃，与均匀浓度0.6 at% Nd:YAG棒的温度差相比，降低了三分之二。0.17-0.38-0.17 at% Nd:YAG晶体棒的最大输出功率为14.47 W，斜效率为51.7%，分别比0.6 at% Nd:YAG 提高了45.1%和62.1%。在9 W输出功率下，0.17-0.38-0.17 at% Nd:YAG晶体棒的光束质量因子为M_x² = 2.347 和M_y² = 2.217，显著优于0.6 at% Nd:YAG的M_x² = 2.961 和M_y² = 4.061。0.18-0.32-0.18 at% Nd:GdYAG的性能均优于0.6 at% Nd:YAG，但受限于自身热导率的限制，激光性能略差于0.17-0.38-0.17 at% Nd:YAG。

研究结果表明，高对称性梯度掺杂激光晶体元件是用于双端泵浦的出色增益介质，能有效减轻热效应并提升激光性能。

该研究工作得到国家自然基金面上项目、国家重点研发计划、中国科学院青促会、安光所基础研究青年团队的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1364/OE.571694

图1 高对称性晶体元件制备示意图和元件实物

图2 不同泵浦功率下，晶体元件的热分布

图3 激光性能：(a)0.17~0.38~0.17 at% Nd:YAG; (b)0.18~0.32~0.18 at% Nd:GdYAG; (c)0.6 at% Nd:YAG

图4光束质量