安光所在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

　　【儀表網 研發快訊】近期，中國科學院合肥物質院安光所孫敦陸研究員課題組在2.7~3微米波段中紅外晶體制備及激光性能研究方面取得一系列新進展，相關研究成果分別以《Ho,Pr:YAP晶體的熱學、光譜及~3微米連續激光性能》、《Er:YGGAG晶體的結構、光譜與激光性能》和《LD側面泵浦YSGG/Er:YSGG/YSGG晶體實現28.02瓦的2.8微米連續激光》為題發表在光學領域國際知名期刊Optics Express上，第一作者分別為喬陽博士研究生、陳玙威博士研究生和張會麗副研究員。
 

　　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+(鈥離子)通過5I6至5I7的輻射躍遷，可產生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，容易產生自終止效應，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+(鐠離子)，以降低Ho3+激光下能級壽命，抑制自終止效應。采用熔體提拉法，成功生長出了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小，表明共摻Pr3+能夠有效抑制自終止效應，有利于降低激光閾值、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，相應的斜效率為6.3%。與Ho:YAP晶體相比，其激光閾值降低，最大輸出功率及效率均得到了提高。
 

　　稀土離子Er3+(鉺離子)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+(釓離子)和Ga3+(鎵離子)分別取代基質中的Y3+(釔離子)和Al3+(鋁離子)，使得晶體無序度增加，導致熒光發射帶非均勻展寬。采用熔體提拉法首次成功制備了高光學質量的30 at.% Er:YGGAG晶體，其在2786~2819納米波段展現出了寬的熒光發射帶，表明該晶體有利于實現可調諧超快激光。采用969納米激光二極管(LD)端面泵浦，在重復頻率400赫茲、脈寬600微秒條件下，實現了平均功率506毫瓦的~2.8微米激光輸出，相應的斜效率和光-光轉換效率分別為16.9%和12.4%，光束質量M2因子為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產生溫度梯度，導致產生各種熱效應，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晶體作為端帽，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-光轉換效率分別為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。實驗測試并理論計算了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。
 

圖1 1150納米拉曼激光端面泵浦Ho,Pr:YAP晶體的激光實驗裝置示意圖
 

圖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

 

圖3 Er:YGGAG晶體的熒光光譜
 

圖4 不同泵浦脈寬下969納米LD泵浦Er:YGGAG晶體的激光輸出性能
 

　　圖5 不同輸出鏡透過率下978納米LD側面泵浦YSGG/Er:YSGG/YSGG復合晶體的激光性能

 

　　圖6 LD側面泵浦YSGG/Er:YSGG/YSGG復合晶體的實驗與理論熱焦距曲線