【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近期，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)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(jìn)展，相關(guān)研究成果分別以《Ho,Pr:YAP晶體的熱學(xué)、光譜及~3微米連續(xù)激光性能》、《Er:YGGAG晶體的結(jié)構(gòu)、光譜與激光性能》和《LD側(cè)面泵浦YSGG/Er:YSGG/YSGG晶體實(shí)現(xiàn)28.02瓦的2.8微米連續(xù)激光》為題發(fā)表在光學(xué)領(lǐng)域國(guó)際知名期刊Optics Express上，第一作者分別為喬陽(yáng)博士研究生、陳玙威博士研究生和張會(huì)麗副研究員。
 

　　2.7~3微米中紅外激光處于水分子的強(qiáng)吸收帶，在生物醫(yī)療、光學(xué)遙感及非線性光學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。稀土離子Ho3+(鈥離子)通過(guò)5I6至5I7的輻射躍遷，可產(chǎn)生3微米附近波段中紅外激光。然而，Ho3+的激光下能級(jí)5I7的熒光壽命較長(zhǎng)，容易產(chǎn)生自終止效應(yīng)，不利于實(shí)現(xiàn)激光上、下能級(jí)之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。針對(duì)這一問(wèn)題，我們提出提高激活離子Ho3+的摻雜濃度，同時(shí)共摻適量能級(jí)耦合離子Pr3+(鐠離子)，以降低Ho3+激光下能級(jí)壽命，抑制自終止效應(yīng)。采用熔體提拉法，成功生長(zhǎng)出了4 at.% Ho3+、0.1 at.% Pr3+共摻Y(jié)AP晶體，系統(tǒng)開(kāi)展了晶體結(jié)構(gòu)、晶體質(zhì)量、熱學(xué)、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(jí)壽命由5.391毫秒降至1.121毫秒，同時(shí)激光上能級(jí)壽命變化較小，表明共摻Pr3+能夠有效抑制自終止效應(yīng)，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(shí)現(xiàn)了最大平均功率502毫瓦的~3微米連續(xù)激光輸出，相應(yīng)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(guò)4I11/2至4I13/2的輻射躍遷，也可實(shí)現(xiàn)2.7-3微米中紅外激光輸出。石榴石結(jié)構(gòu)的YAG晶體，具有良好的熱學(xué)和光學(xué)性能，是性能優(yōu)異的基質(zhì)晶體。提出通過(guò)摻入適量的Gd3+(釓離子)和Ga3+(鎵離子)分別取代基質(zhì)中的Y3+(釔離子)和Al3+(鋁離子)，使得晶體無(wú)序度增加，導(dǎo)致熒光發(fā)射帶非均勻展寬。采用熔體提拉法首次成功制備了高光學(xué)質(zhì)量的30 at.% Er:YGGAG晶體，其在2786~2819納米波段展現(xiàn)出了寬的熒光發(fā)射帶，表明該晶體有利于實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧超快激光。采用969納米激光二極管(LD)端面泵浦，在重復(fù)頻率400赫茲、脈寬600微秒條件下，實(shí)現(xiàn)了平均功率506毫瓦的~2.8微米激光輸出，相應(yīng)的斜效率和光-光轉(zhuǎn)換效率分別為16.9%和12.4%，光束質(zhì)量M2因子為1.53/1.39。結(jié)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(diào)諧超快激光增益介質(zhì)。
 

　　目前，LD泵浦Er:YSGG晶體的中紅外脈沖激光已高達(dá)數(shù)十瓦，而連續(xù)激光輸出功率僅有瓦級(jí)，采用連續(xù)LD側(cè)面泵浦有望進(jìn)一步提高連續(xù)激光輸出功率。由于在激光運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，激光增益介質(zhì)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生溫度梯度，導(dǎo)致產(chǎn)生各種熱效應(yīng)，限制了激光輸出功率和效率的提高。我們通過(guò)在Er:YSGG晶體棒的兩端鍵合高熱導(dǎo)率的未摻雜YSGG晶體作為端帽，以改善熱效應(yīng)。采用978納米LD側(cè)面泵浦YSGG/Er:YSGG/YSGG鍵合晶體，實(shí)現(xiàn)了最大平均功率28.02瓦的~2.8微米連續(xù)激光輸出，這是目前報(bào)道的在氧化物晶體中獲得最高功率的~2.8微米連續(xù)激光輸出，相應(yīng)的斜效率和光-光轉(zhuǎn)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(yīng)，提高激光性能。實(shí)驗(yàn)測(cè)試并理論計(jì)算了LD側(cè)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(jié)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(guó)家自然科學(xué)基金、替代專項(xiàng)、安徽省自然科學(xué)基金和合肥物質(zhì)院院長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)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(xù)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(guò)率下978納米LD側(cè)面泵浦YSGG/Er:YSGG/YSGG復(fù)合晶體的激光性能

 

　　圖6 LD側(cè)面泵浦YSGG/Er:YSGG/YSGG復(fù)合晶體的實(shí)驗(yàn)與理論熱焦距曲線