中紅外激光(2~5μm)覆蓋多個大氣傳輸窗口及眾多分子化學(xué)鍵吸收峰“指紋”區(qū)域,在空間光通訊、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域均有重要的應(yīng)用前景。產(chǎn)生中紅外激光的技術(shù)眾多,其中基于直接泵浦稀土摻雜晶體的中紅外激光技術(shù),具有結(jié)構(gòu)簡單、可連續(xù)輸出、光束質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。直接泵浦鉺離子(Er3+)摻雜激光晶體是實現(xiàn)3μm波段中紅外激光的最重要技術(shù)之一。為了解決Er離子3μm激光輸出通道的下能級(4I13/2)壽命遠(yuǎn)高于上能級(4I11/2)引起的激光振蕩自終止效應(yīng),一般采取Er離子高濃度摻雜的方式,其摻雜濃度往往高于30 at%,甚至50 at%。但是,高濃度摻雜會引起激光晶體熱導(dǎo)率大幅度下降,以及激光上能級(4I11/2)濃度猝滅增強(qiáng),從而導(dǎo)致3μm波段輸出功率受限和激光效率偏低。
中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所蘇良碧研究員課題組,以低聲子能量的氟化鍶(SrF2)晶體為摻雜基質(zhì),利用該晶體特殊的螢石型結(jié)構(gòu)形成的摻雜稀土離子的“團(tuán)簇”效應(yīng),在Er3+離子極低摻雜濃度下(<5 at%)克服3μm激光振蕩自終止效應(yīng),實現(xiàn)了高效率的雙波長激光輸出。當(dāng)Er:SrF2晶體中Er3+離子摻雜濃度為4 at%時,3μm激光下能級壽命是上能級的1.58倍,小于4 at% Er:CaF2晶體的1.66倍,更低于33 at% Er:YAG晶體的60.4倍,30 at% Er:YSGG晶體的2.62倍,以及15 at% Er:YLF晶體的3.25倍。同時,該晶體的光譜參數(shù)品質(zhì)因子(發(fā)射截面與熒光壽命的乘積)為7.45×10-20 ms•cm2,高于Er:CaF2晶體的3.89×10-20 ms•cm2,也遠(yuǎn)高于Er:YAG晶體的0.3×10-20 ms•cm2和Er:YLF晶體的1.64×10-20 ms•cm2。該課題組與山東師范大學(xué)劉杰教授合作,采用激光二極管直接泵浦4at.% Er:SrF2晶體(未鍍膜),實現(xiàn)了高斜效率、雙波長中紅外激光輸出,斜效率22.0%,在保證晶體不被損壞的前提下,獲得最高平均輸出功率483 mW,激光波長約為2789 nm和2791 nm(2016 Scientific Reports 6, 36635)。
此前,該課題組和山東師范大學(xué)合作,采用石墨烯作可飽和吸收體,在4at% Er:CaF2晶體中實現(xiàn)了2.8μm被動調(diào)Q脈沖激光輸出,脈沖寬度1.3 μs,重復(fù)頻率62 kHz,平均輸出功率172 mW (2016 Optical Materials Express 6, 1570-1575;2016 Optical Materials Express 6, 409-415)。在此基礎(chǔ)上,通過共摻去激發(fā)離子Pr3+,在3 at% Er, 0.03 at% Pr:CaF2晶體中,首次實現(xiàn)了2.8 μm自調(diào)Q脈沖激光輸出(即不需要額外的可飽和吸收體),脈沖寬度718 ns,重復(fù)頻率52 kHz,平均輸出功率262 mW(2016 Optics Letters 41, 4660-4663)。
以上工作得到了國家自然科學(xué)基金面上項目、重點(diǎn)項目和優(yōu)秀青年基金的資助。
LD直接泵浦4at.% Er:SrF2晶體高效率、雙波長中紅外激光輸出特性
LD直接泵浦4at.% Er:CaF2晶體被動調(diào)Q中紅外激光輸出
LD直接泵浦3at.% Er, 0.03at.% Pr:CaF2晶體自調(diào)Q中紅外激光輸出
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