安光所在2.7~3微米中红外晶体制备及激光性能研究方面取得新进展
时间：2024-04-01 作者：张会丽
近期，中国科学院合肥物质院安光所孙敦陆研究员课题组在2.7~3微米波段中红外晶体制备及激光性能研究方面取得一系列新进展，相关研究成果分别以《Ho,Pr:YAP晶体的热学、光谱及~3微米连续激光性能》、《Er:YGGAG晶体的结构、光谱与激光性能》和《LD侧面泵浦YSGG/Er:YSGG/YSGG晶体实现28.02瓦的2.8微米连续激光》为题发表在光学领域国际知名期刊Optics Express上，第一作者分别为乔阳博士研究生、陈玙威博士研究生和张会丽副研究员。
2.7~3微米中红外激光处于水分子的强吸收带，在生物医疗、光学遥感及非线性光学等领域有着广泛的应用前景。稀土离子Ho3+（钬离子）通过5I6至5I7的辐射跃迁，可产生3微米附近波段中红外激光。然而，Ho3+的激光下能级5I7的荧光寿命较长，容易产生自终止效应，不利于实现激光上、下能级之间的粒子数反转。针对这一问题，我们提出提高激活离子Ho3+的掺杂浓度，同时共掺适量能级耦合离子Pr3+（镨离子），以降低Ho3+激光下能级寿命，抑制自终止效应。采用熔体提拉法，成功生长出了4 at.% Ho3+、0.1 at.% Pr3+共掺YAP晶体，系统开展了晶体结构、晶体质量、热学、光谱及其激光性能的研究。由于退激活离子Pr3+的掺入，其激光下能级寿命由5.391毫秒降至1.121毫秒，同时激光上能级寿命变化较小，表明共掺Pr3+能够有效抑制自终止效应，有利于降低激光阈值、提高激光性能。采用1150纳米拉曼光纤激光器端面泵浦，在Ho,Pr:YAP晶体上实现了最大平均功率502毫瓦的~3微米连续激光输出，相应的斜效率为6.3%。与Ho:YAP晶体相比，其激光阈值降低，最大输出功率及效率均得到了提高。
稀土离子Er3+（铒离子）通过4I11/2至4I13/2的辐射跃迁，也可实现2.7-3微米中红外激光输出。石榴石结构的YAG晶体，具有良好的热学和光学性能，是性能优异的基质晶体。提出通过掺入适量的Gd3+（钆离子）和Ga3+（镓离子）分别取代基质中的Y3+（钇离子）和Al3+（铝离子），使得晶体无序度增加，导致荧光发射带非均匀展宽。采用熔体提拉法首次成功制备了高光学质量的30 at.% Er:YGGAG晶体，其在2786~2819纳米波段展现出了宽的荧光发射带，表明该晶体有利于实现可调谐超快激光。采用969纳米激光二极管（LD）端面泵浦，在重复频率400赫兹、脉宽600微秒条件下，实现了平均功率506毫瓦的~2.8微米激光输出，相应的斜效率和光-光转换效率分别为16.9%和12.4%，光束质量M2因子为1.53/1.39。结果表明，具有宽谱带的Er:YGGAG晶体是一种潜在的~2.8微米可调谐超快激光增益介质。
目前，LD泵浦Er:YSGG晶体的中红外脉冲激光已高达数十瓦，而连续激光输出功率仅有瓦级，采用连续LD侧面泵浦有望进一步提高连续激光输出功率。由于在激光运转过程中，激光增益介质内部会产生温度梯度，导致产生各种热效应，限制了激光输出功率和效率的提高。我们通过在Er:YSGG晶体棒的两端键合高热导率的未掺杂YSGG晶体作为端帽，以改善热效应。采用978纳米LD侧面泵浦YSGG/Er:YSGG/YSGG键合晶体，实现了最大平均功率28.02瓦的~2.8微米连续激光输出，这是目前报道的在氧化物晶体中获得最高功率的~2.8微米连续激光输出，相应的斜效率和光-光转换效率分别为17.55%和12.29%。其最大功率和斜效率均高于相同泵浦条件下的未键合Er:YSGG晶体，表明键合可有效改善热效应，提高激光性能。实验测试并理论计算了LD侧面泵浦未键合Er:YSGG晶体和YSGG/Er:YSGG/YSGG键合晶体在不同泵浦功率下的热焦距，结果表明，YSGG/Er:YSGG/YSGG键合晶体更适于在高泵浦功率下工作。
以上研究工作得到了国家自然科学基金、替代专项、安徽省自然科学基金和合肥物质院院长基金的支持。
论文链接：https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-31-22-36429&id=540817
https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-31-14-23631&id=532387
https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-32-7-11665&id=548012
图1 1150纳米拉曼激光端面泵浦Ho,Pr:YAP晶体的激光实验装置示意图
图2 （a）2×2×5立方毫米Ho:YAP，
（b）2×2×10立方毫米Ho:YAP，
（c）2×2×5立方毫米Ho,Pr:YAP和
（d）2×2×10立方毫米Ho,Pr:YAP晶体的连续激光输出性能
图3 Er:YGGAG晶体的荧光光谱
图4 不同泵浦脉宽下969纳米LD泵浦Er:YGGAG晶体的激光输出性能
图5 不同输出镜透过率下978纳米LD侧面泵浦YSGG/Er:YSGG/YSGG复合晶体的激光性能
图6 LD侧面泵浦YSGG/Er:YSGG/YSGG复合晶体的实验与理论热焦距曲线