上海光機(jī)所在磁懸浮和光驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤激光器研究中取得進(jìn)展

　　近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所信息光電實(shí)驗(yàn)室研究員李建郎課題組成功研制磁懸浮、光驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的盤片固體激光器，這標(biāo)志著一種新型激光技術(shù)的誕生。

　　固體激光器中的廢熱累積會(huì)嚴(yán)重影響激光器的性能。通過轉(zhuǎn)動(dòng)激光增益介質(zhì)盤片可以有效減少其內(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(dòng)（馬達(dá)）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(dǎo)致激光器結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。其次，反磁材料（比如熱解石墨）因具有負(fù)的磁化率，在外磁場環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生反向磁場，在室溫時(shí)形成磁懸浮。當(dāng)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(dǎo)率的局部變化形成轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，導(dǎo)致熱解石墨薄片轉(zhuǎn)動(dòng)。此種基于磁懸浮的光驅(qū)動(dòng)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(shù)和磁懸浮光驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)技術(shù)相結(jié)合，提出磁懸浮、光驅(qū)動(dòng)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(dá)反磁性材料表面提供旋轉(zhuǎn)所需的能量。在實(shí)驗(yàn)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(dǎo)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(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)。在泵浦光功率為450mW、懸浮體的旋轉(zhuǎn)頻率為4Hz時(shí)，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(guān)研究工作被Chinese Optics Letters雜志封面報(bào)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(dòng)磁懸浮的熱解石墨旋轉(zhuǎn)的方式，有效地?cái)M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(duì)懸浮體（包括激光增益介質(zhì)和反磁性材料）的進(jìn)一步優(yōu)化，磁懸浮、光驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的盤片激光器將變得更加現(xiàn)實(shí)，且有望在高功率激光器和平面波導(dǎo)激光器兩個(gè)方面取得新突破。磁懸浮、光驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤激光器相關(guān)研究已經(jīng)申請(qǐng)國家發(fā)明專利。

圖1. 磁懸浮轉(zhuǎn)盤激光器實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖2. 磁懸浮結(jié)構(gòu)的實(shí)物照片