上海光机所在磁悬浮、光驱动旋转盘片固体激光器获突破

近日，上海光机所信息光电实验室李建郎研究员课题组成功研制磁悬浮、光驱动旋转的盘片固体激光器，这标志着一种新型激光技术的诞生。

固体激光器中的废热累积会严重影响激光器的性能。通过转动激光增益介质盘片可以有效的减少其内部的热累积，显著提高激光器的功率和光束质量。在现有的转盘激光器中，增益介质盘片的旋转采用电驱动（马达）等方式，需要额外的伺服系统克服增益介质的摇摆，这导致激光器结构比较复杂。其次，反磁材料（比如热解石墨）因具有负的磁化率，在外磁场环境下会产生反向磁场，在室温时形成磁悬浮。当激光束照射到处于磁悬浮状态的热解石墨薄片的边缘位置，热致磁导率的局部变化形成转动力矩，导致热解石墨薄片转动。此种基于磁悬浮的光驱动旋转易于精确控制，且具有良好的稳定性。

以此为背景，课题组将转盘激光器技术和磁悬浮光驱动旋转技术相结合，提出磁悬浮、光驱动旋转激光器的概念。该方案通过反磁性材料将激光增益介质盘片悬浮在磁场中，激光增益介质吸收入射泵浦光的部分功率，剩余（未吸收）泵浦光到达反磁性材料表面提供旋转所需的能量。在实验研究中，科研人员将热解石墨片和直径为15mm、厚度为0.5mm的Nd：YAG晶体一起放置于钕铁硼永磁体的上方，悬浮高度约为1mm。Nd：YAG晶体的上下表面均镀有介质膜以形成谐振腔。采用808nm的半导体激光器泵浦该激光晶体，在悬浮体重量过重的情况下在其侧面辅助以气体来推动转动。在泵浦光功率为450mW、悬浮体的旋转频率为4Hz时，获得了功率17.7 mW、斜坡效率为8.3%的基横模激光输出，激光光束亮度高。相关研究工作被Chinese Optics Letters杂志封面报道 [ Chin. Opt. Lett.， 13，121403 ， 2015]。

该研究工作利用剩余（未吸收）泵浦光驱动磁悬浮的热解石墨旋转的方式，有效地拟制了激光晶体中废热的影响，从而获得了高亮度的激光输出。随着对悬浮体（包括激光增益介质和反磁性材料）的进一步优化，磁悬浮、光驱动旋转的盘片激光器将变得更加现实，且有望在高功率激光器和平面波导激光器两个方面取得新突破。磁悬浮、光驱动转盘激光器相关研究已经申请国家发明专利。

图1.磁悬浮转盘激光器实验装置示意图

图2.磁悬浮结构的实物照片