尊龙凯时在2.7~3微米中紅外晶體制備及激光性能研究方面取得新進展
時間：2024-04-01 作者：張會麗
近期，中國科學院合肥物质院尊龙凯时孙敦陆研究員课题组在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員。
2.7~3微米中紅外激光處于水分子的強吸收帶，在生物醫療、光學遙感及非線性光學等領域有著廣泛的應用前景。稀土離子Ho3+（钬離子）通過5I6至5I7的輻射躍遷，可産生3微米附近波段中紅外激光。然而，Ho3+的激光下能級5I7的熒光壽命較長，容易産生自終止效應，不利于實現激光上、下能級之間的粒子數反轉。針對這一問題，我們提出提高激活離子Ho3+的摻雜濃度，同時共摻適量能級耦合離子Pr3+（镨離子），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+共摻YAP晶體，系統開展了晶體結構、晶體質量、熱學、光譜及其激光性能的研究。由于退激活離子Pr3+的摻入，其激光下能級壽命由5.391毫秒降至1.121毫秒，同時激光上能級壽命變化較�。砻鞴矒絇r3+能夠有效抑制自終止效應，有利于降低激光阈值、提高激光性能。采用1150納米拉曼光纖激光器端面泵浦，在Ho,Pr:YAP晶體上實現了最大平均功率502毫瓦的~3微米連續激光輸出，相應的斜效率爲6.3%。與Ho:YAP晶體相比，其激光阈值降低，最大輸出功率及效率均得到了提高。
稀土離子Er3+（铒離子）通過4I11/2至4I13/2的輻射躍遷，也可實現2.7-3微米中紅外激光輸出。石榴石結構的YAG晶體，具有良好的熱學和光學性能，是性能優異的基質晶體。提出通過摻入適量的Gd3+（钆離子）和Ga3+（镓離子）分別取代基質中的Y3+（钇離子）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因子爲1.53/1.39。結果表明，具有寬譜帶的Er:YGGAG晶體是一種潛在的~2.8微米可調諧超快激光增益介質。
目前，LD泵浦Er:YSGG晶體的中紅外脈沖激光已高達數十瓦，而連續激光輸出功率僅有瓦級，采用連續LD側面泵浦有望進一步提高連續激光輸出功率。由于在激光運轉過程中，激光增益介質內部會産生溫度梯度，導致産生各種熱效應，限制了激光輸出功率和效率的提高。我們通過在Er:YSGG晶體棒的兩端鍵合高熱導率的未摻雜YSGG晶體作爲端帽，以改善熱效應。采用978納米LD側面泵浦YSGG/Er:YSGG/YSGG鍵合晶體，實現了最大平均功率28.02瓦的~2.8微米連續激光輸出，這是目前報道的在氧化物晶體中獲得最高功率的~2.8微米連續激光輸出，相應的斜效率和光-光轉換效率分別爲17.55%和12.29%。其最大功率和斜效率均高于相同泵浦條件下的未鍵合Er:YSGG晶體，表明鍵合可有效改善熱效應，提高激光性能。實驗測試並理論計算了LD側面泵浦未鍵合Er:YSGG晶體和YSGG/Er:YSGG/YSGG鍵合晶體在不同泵浦功率下的熱焦距，結果表明，YSGG/Er:YSGG/YSGG鍵合晶體更適于在高泵浦功率下工作。
以上研究工作得到了國家自然科學基金、替代專項、安徽省自然科學基金和合肥物質院院長基金的支持。
論文鏈接：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晶體的連續激光輸出性能
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