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Characteristics and suppression of beam distortion in a high repetition rate nanosecond stimulated Brillouin scattering phase conjugation mirror

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High Power Laser Science and Engineering 2024年第2期12卷 69-78页

作者： Yifu Chen Bowen Tan Duo Jin Bin Chen zhenxu bai Kun Wang Yulei Wang Zhiwei Lü School of Astronautics Harbin Institute of TechnologyHarbinChina Center for Advanced Laser Technology Hebei University of TechnologyTianjinChina Hebei Key Laboratory of Advanced Laser Technology and Equipment TianjinChina School of Energy and Environmental Engineering Hebei University of TechnologyTianjinChina

The stimulated Brillouin scattering phase conjugation mirror (SBS-PCM) based on liquid media is widely used in high-power laser systems due to its robust thermal load capacity, high energy conversion efficiency and improved beam quality. Nevertheless, with an increase in the pump repetition rate, thermally-induced blooming and optical breakdown can emerge, leading to distortions in the Stokes beam. In this study, we delved into the thermal effects in liquid SBS-PCMs employing hydrodynamic analysis, establishing a relationship between beam profile distortion and the thermal convection field. We calculated the temperature and convection velocity distribution based on the pump light parameters and recorded the corresponding beam profiles. The intensities of the beam profiles were modulated in alignment with the convection directions, reaching a velocity peak of 2.85 mm/s at a pump pulse repetition rate of 250 Hz. The residual sum of squares (RSS) was employed to quantify the extent of beam profile distortion relative to a Gaussian distribution. The RSS escalated to 7.8, in contrast to 0.7 of the pump light at a pump pulse repetition rate of 500 Hz. By suppressing thermal convection using a high-viscosity medium, we effectively mitigated beam distortion. The RSS was reduced to 0.7 at a pump pulse repetition rate of 500 Hz, coinciding with a twentyfold increase in viscosity, thereby enhancing the beam quality. By integrating hydrodynamic analysis, we elucidated and mitigated distortion with targeted solutions. Our research offers an interdisciplinary perspective on studying thermal effects and contributes to the application of SBS-PCMs in high-repetition-rate laser systems by unveiling the mechanism of photothermal effects.

关键词： beam profile high power high repetition rate stimulated Brillouin scattering phase conjugation mirror thermal convection

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Linewidth narrowing in free-space-running diamond Brillouin lasers

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High Power Laser Science and Engineering 2023年第4期11卷 25-32页

作者： Duo Jin zhenxu bai Zhongan Zhao Yifu Chen Wenqiang Fan Yulei Wang Richard P.Mildren Zhiwei Lü Center for Advanced Laser Technology Hebei University of TechnologyTianjinChina Hebei Key Laboratory of Advanced Laser Technology and Equipment TianjinChina MQ Photonics Research Centre Department of Physics and AstronomyMacquarie UniversitySydneyAustralia

This study analyzes the linewidth narrowing characteristics of free-space-running Brillouin lasers and investigates the approaches to achieve linewidth compression and power enhancement *** results show that the Stokes linewidth behavior in a free-space-running Brillouin laser cavity is determined by the phase diffusion of the pump and the technical noise of the ***,a Stokes light output with a power of 22.5 W and a linewidth of 3.2 kHz was obtained at a coupling mirror reflectivity of 96%,which is nearly 2.5 times compressed compared with the linewidth of the pump(7.36 kHz).In addition,the theorical analysis shows that at a pump power of 60Wand a coupling mirror reflectivity of 96%,a Stokes output with a linewidth of 1.6 kHz and up to 80%optical conversion efficiency can be achieved by reducing the insertion loss of the *** study provides a promising technical route to achieve high-power ultra-narrow linewidth special wavelength laser radiations.

关键词： high power narrow linewidth single-frequency laser stimulated Brillouin scattering

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Hundred-Joule-level,nanosecond-pulse Nd:glass laser system with high spatiotemporal beam quality

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High Power Laser Science and Engineering 2016年第1期4卷 63-74页

作者： Sensen Li Yulei Wang Zhiwei Lu Lei Ding Yi Chen Pengyuan Du Dexin Ba Zhenxing Zheng Xin Wang Hang Yuan Chengyu Zhu Weiming He Dianyang Lin Yongkang Dong Dengwang Zhou zhenxu bai Zhaohong Liu Can Cui National Key Laboratory of Science and Technology on Tunable Laser Harbin Institute of Technology Research Center of Laser Fusion China Academy of Engineering Physics

A 100-J-level Nd:glass laser system in nanosecond-scale pulse width has been constructed to perform as a standard source of high-fluence-laser science experiments. The laser system, operating with typical pulse durations of 3–5 ns and beam diameter 60 mm, employs a sequence of successive rod amplifiers to achieve 100-J-level energy at 1053 nm at3 ns. The frequency conversion can provide energy of 50-J level at 351 nm. In addition to the high stability of the energy output, the most valuable of the laser system is the high spatiotemporal beam quality of the output, which contains the uniform square pulse waveform, the uniform flat-top spatial fluence distribution and the uniform flat-top wavefront.

关键词： design frequency conversion laser amplifiers laser engineering laser systems light propagation modeling nonlinear optics optimization wavefront correction

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Diamond Raman laser:a promising high-beam-quality and low-thermal-effect laser

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High Power Laser Science and Engineering 2021年第3期9卷 1-13页

作者： Yulan Li Jie Ding zhenxu bai Xuezong Yang Yuqi Li Jingling Tang Yu Zhang Yaoyao Qi Yulei Wang Zhiwei Lu Center for Advanced Laser Technology Hebei University of TechnologyTianjin300401China Hebei Key Laboratory of Advanced Laser Technology and Equipment Tianjin300401China MQ Photonics Research Centre Department of Physics and AstronomyMacquarie UniversitySydneyNSW 2109Australia

Stimulated Raman-scattering-based lasers provide an effective way to achieve wavelength ***,thermally induced beam degradation is a notorious obstacle to power scaling and it also limits the applicable range where high output beam quality is *** research efforts have been devoted to developing Raman materials,with diamond being a promising candidate to acquire wavelength-versatile,high-power,and high-quality output beam owing to its excellent thermal properties,high Raman gain coefficient,and wide transmission *** diamond Raman resonator is usually designed as an external-cavity pumped structure,which can easily eliminate the negative thermal effects of intracavity laser *** Raman converters also provide an approach to improve the beam quality owing to the Raman cleanup *** review outlines the research status of diamond Raman lasers,including beam quality optimization,Raman conversion,thermal effects,and prospects for future development directions.

关键词： beam quality diamond Raman conversion Raman laser thermal effects

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High-power free-running single-longitudinal-mode diamond Raman laser enabled by suppressing parasitic stimulated Brillouin scattering

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High Power Laser Science and Engineering 2023年第6期11卷 71-76页

作者： Yuxuan Liu Chengjie Zhu Yuxiang Sun Richard P.Mildren zhenxu bai baitao Zhang Weibiao Chen Dijun Chen Muye Li Xuezong Yang Yan Feng Hangzhou Institute for Advanced Study University of Chinese Academy of SciencesHangzhouChina Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics Chinese Academy of SciencesShanghaiChina MQ Photonics Research Centre School of Mathematical and Physical SciencesMacquarie UniversitySydneyAustralia Center for Advanced Laser Technology Hebei University of TechnologyTianjinChina State Key Laboratory of Crystal Materials Shandong UniversityJinanChina

A continuous-wave(CW)single-longitudinal-mode(SLM)Raman laser at 1240 nm with power of up to 20.6 W was demonstrated in a free-running diamond Raman oscillator without any axial-mode selection *** SLM operation was achieved due to the spatial-hole-burning free nature of Raman gain and was maintained at the highest available pump power by suppressing the parasitic stimulated Brillouin scattering(SBS).A folded-cavity design was employed for reducing the perturbing effect of resonances at the pump *** a pump power of 69 W,the maximum Stokes output reached 20.6 W,corresponding to a 30%optical-to-optical conversion efficiency from 1064to 1240 *** result shows that parasitic SBS is the main physical process disturbing the SLM operation of Raman oscillator at higher *** addition,for the first time,the spectral linewidth of a CW SLM diamond Raman laser was resolved using the long-delayed self-heterodyne interferometric method,which is 105 kHz at 20 W.

关键词： delay self-heterodyning diamond Raman laser linewidth single-longitudinal mode stimulated Brillouin scattering

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百瓦级PCFA/LBO倍频绿光皮秒激光器

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红外与激光工程 2021年第11期50卷 128-132页

作者：陈晖白振旭王建才张丙元白振岙河北工业大学先进激光技术研究中心天津300401 河北省先进激光技术与装备重点实验室天津300401 聊城大学物理科学与信息工程学院山东省光通信科学与技术重点实验室山东聊城252059 中国科学院空天信息创新研究院北京100094 北京国科世纪激光技术有限公司北京102211

具有高平均功率的皮秒级脉冲激光在工业加工、空间探测等领域具有重要的应用。但是锁模产生的皮秒种子光因脉冲宽度窄、单脉冲能量低,难以直接通过传统的行波放大实现功率的高效提升,因此也限制了输出脉冲的非线性频率转换效率。文中通... 详细信息

具有高平均功率的皮秒级脉冲激光在工业加工、空间探测等领域具有重要的应用。但是锁模产生的皮秒种子光因脉冲宽度窄、单脉冲能量低,难以直接通过传统的行波放大实现功率的高效提升,因此也限制了输出脉冲的非线性频率转换效率。文中通过光栅啁啾脉冲展宽器和狭缝,将中心波长为1 030 nm、脉冲宽度7 ps、重复频率52 MHz的光纤锁模种子光脉冲宽度展宽至32 ps,且将其光谱宽度控制在1.1 nm,利用两个空气包层光子晶体光纤放大器将功率放大至190 W。最后通过温度相位匹配LiB_(3)O_(5)晶体实现了平均功率为103.1 W的绿光皮秒脉冲输出,光束质量因子1.17,二次谐波转换效率54.3%。

关键词：皮秒放大器光子晶体光纤光栅脉冲展宽二次谐波产生

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单频连续波金刚石拉曼激光器研究进展(特邀)

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红外与激光工程 2022年第6期51卷 54-64页

作者：李牧野杨学宗孙玉祥白振旭冯衍国科大杭州高等研究院物理与光电工程学院浙江杭州310024 山东大学晶体材料国家重点实验室山东济南250100 河北工业大学先进激光技术研究中心天津300401 中国科学院上海光学精密机械研究所上海201800

受激拉曼散射增益具有无空间烧孔特性,通过简单的腔型设计,拉曼激光器即可实现稳定单纵模运转。同时拉曼激光波长灵活,因此拉曼激光器在特殊波长单频激光领域具有重要技术优势。近年来,随着金刚石合成技术的突破,以金刚石作为增益介质... 详细信息

受激拉曼散射增益具有无空间烧孔特性,通过简单的腔型设计,拉曼激光器即可实现稳定单纵模运转。同时拉曼激光波长灵活,因此拉曼激光器在特殊波长单频激光领域具有重要技术优势。近年来,随着金刚石合成技术的突破,以金刚石作为增益介质的单纵模、高功率拉曼激光器获得了快速发展。文中简要介绍了拉曼激光器的单纵模运行机制;总结了单纵模金刚石拉曼激光器的研究进展;并对单纵模金刚石拉曼激光器的发展趋势进行了展望。

关键词：金刚石固体激光器单纵模受激拉曼散射

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多波长红光金刚石拉曼激光器

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红外与激光工程 2023年第8期52卷 133-139页

作者：张亚凯陈晖白振岙庞亚军王雨雷吕志伟白振旭河北工业大学先进激光技术研究中心天津300401 河北省先进激光技术与装备重点实验室天津300401 中国科学院空天信息创新研究院北京100094

全固态红光激光器在激光显示、全息存储以及医疗领域有着重要应用,其中多波长红光激光器还可用于差频产生太赫兹辐射。基于三阶非线性效应受激拉曼散射的拉曼激光器是一种突破粒子数反转激光器有限发射光谱制约进而拓展激光波长的有效手... 详细信息

全固态红光激光器在激光显示、全息存储以及医疗领域有着重要应用,其中多波长红光激光器还可用于差频产生太赫兹辐射。基于三阶非线性效应受激拉曼散射的拉曼激光器是一种突破粒子数反转激光器有限发射光谱制约进而拓展激光波长的有效手段,即能够将注入的单一波长泵浦光直接拓展至一个或几个全新波段。笔者团队研制了一台绿光泵浦的多波长级联金刚石拉曼激光器,利用波长为532 nm、脉冲宽度为11.43 ns的激光作为泵浦源,通过将一阶Stokes黄橙光(573 nm)锁定在振荡器中,实现了红光波段的二阶、三阶和四阶(620 nm、676 nm和743 nm)级联拉曼激光输出,对应三个波长的脉冲宽度分别为10.41、3.75、2.45 ns,总输出能量为0.6 mJ,光光转换效率为36.38%。结果表明,凭借金刚石晶体优异的光学特性和拉曼性质,可见光泵浦的金刚石拉曼激光器对于实现高功率全固态小型化多波长红光激光输出具有巨大潜力。

关键词：拉曼激光金刚石多波长脉冲高功率

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基于光谱合束的双波长输出Nd:YAG固体激光器

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红外与激光工程 2024年第1期53卷 121-126页

作者：王路达吴伟冲朱占达白振旭惠勇凌雷訇李强北京工业大学材料与制造学院激光工程研究所北京100124 跨尺度激光制造技术教育部重点实验室北京100124 北京市激光技术工程研究中心北京100124 北京市高等院校先进激光制造工程研究中心北京100124 河北工业大学先进激光技术研究中心天津300401

报道了一种基于光谱合束的Nd:YAG固体激光器双波长光源。系统由两个固体Nd:YAG脉冲激光器通过光谱合束组合而成,两个固体Nd:YAG脉冲激光器可独立工作,有利于输出脉冲的波长调谐、功率调节和相对延迟调整。通过光栅的色散特性以及输出镜... 详细信息

报道了一种基于光谱合束的Nd:YAG固体激光器双波长光源。系统由两个固体Nd:YAG脉冲激光器通过光谱合束组合而成,两个固体Nd:YAG脉冲激光器可独立工作,有利于输出脉冲的波长调谐、功率调节和相对延迟调整。通过光栅的色散特性以及输出镜的共同外腔反馈将各个激光器锁定在不同波长,从而实现合束,获得的激光源中心波长锁定在1 061.5 nm和1 064.6 nm,两谱线中心间距为3.1 nm,组合光束的输出能量为173 mJ,组合光束的光束质量因子M2为2.8×2.2;两个Nd:YAG激光器独立工作的输出能量分别为94 mJ和92 mJ,在合束方向上的光束质量因子M2分别为2.7和2.1,在非合束方向上的光束质量因子M2分别为2.2和1.9;组合光束的输出能量为两个Nd:YAG激光器能量总和的93%,组合光束的光束质量因子与单个Nd:YAG激光束的光束质量因子M2基本相同。该双波长激光源满足波长间隔小、输出功率大小相近、同光轴等要求,在太赫兹波产生、测速激光雷达以及医疗仪器等应用领域具有重要作用。

关键词：双波长 Nd:YAG激光器光谱合束输出能量光束质量

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熔融石英中实现高效率的百毫焦受激布里渊散射

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红外与激光工程 2023年第8期52卷 294-297页

作者：陈彬白振旭赵桂娟王雨雷吕志伟河北工业大学先进激光技术研究中心天津300401 河北省先进激光技术与装备重点实验室天津300401 济南腊山航空科技有限公司山东济南250117

固体布里渊增益介质是目前实现高稳定、高重复频率受激布里渊散射(SBS)的重要光学元件,能够产生高光束质量的相位共轭光。然而,不同于被广泛研究的液体布里渊增益介质,目前针对固体布里渊增益介质如何产生高效率高能量的SBS尚无成熟的... 详细信息

固体布里渊增益介质是目前实现高稳定、高重复频率受激布里渊散射(SBS)的重要光学元件,能够产生高光束质量的相位共轭光。然而,不同于被广泛研究的液体布里渊增益介质,目前针对固体布里渊增益介质如何产生高效率高能量的SBS尚无成熟的研究。近日,笔者团队以块状熔融石英作为布里渊增益介质,在高强度纳秒激光脉冲泵浦下,围绕熔融石英中的SBS能量转换效率和损伤阈值与泵浦光纵模的关系开展了研究,实现了最高单脉冲能量183.1 mJ、反射率为81.0%、斜效率高达85.8%的相位共轭光输出。该研究结果对于实现高功率全固态的SBS相位共轭镜,进而提升脉冲激光器的输出功率水平、获得高稳定高效率的SBS运转具有重要的指导意义。

关键词：受激布里渊散射熔融石英高效率损伤阈值纵模

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