姚子健, 李淵驥, 宋政, 馮晉霞, 張寬收. 基于全固態(tài)單向行波環(huán)形腔的連續(xù)波單頻1.5 μm激光器[J]. 中國激光, 2021,48(05): 0501010

總編評(píng)論：

近年來，低噪聲、高功率、光通信波段激光光源已成為前沿科學(xué)研究中非常重要的研究工具，在量子通信、量子精密測(cè)量、光頻標(biāo)長距離實(shí)時(shí)比對(duì)等技術(shù)中應(yīng)用需求不斷提升。作者針對(duì)Er,Yb:YAB激光晶體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱分布分析做了較為細(xì)致的工作，實(shí)現(xiàn)了1.5 μm單縱模激光輸出，功率達(dá)到755 mW。

山西大學(xué)量子光學(xué)與光量子器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張寬收教授課題組與中科院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所黃藝東教授課題組合作，采用后者研發(fā)的鉺鐿共摻三硼酸鋁釔（Er,Yb:YAB）晶體作為激光增益介質(zhì)，采用鉍鐵石榴石（BIG）磁光晶體制作光學(xué)單向器，開展了低噪聲光通信波段激光光源的研制。

作者精確測(cè)量了藍(lán)寶石-Er,Yb:YAB-藍(lán)寶石薄片和BIG磁光晶體的熱透鏡焦距，設(shè)計(jì)了穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的四鏡環(huán)形諧振腔；通過設(shè)計(jì)雙端面、偏振選擇的抽運(yùn)結(jié)構(gòu)，提高了可注入激光晶體的抽運(yùn)功率、降低了激光晶體的熱效應(yīng)。在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了功率達(dá)755 mW、強(qiáng)度噪聲達(dá)到散粒噪聲極限的連續(xù)波單頻1.5 μm激光運(yùn)轉(zhuǎn)。

激光器結(jié)構(gòu)如圖１所示，包括973 nm激光二極管（LD）、泵浦整形系統(tǒng)（f1、f2、f3、f4）、泵浦分束器（PBS、HWP1）、藍(lán)寶石-Er,Yb:YAB-藍(lán)寶石薄片（Composite gain medium）、光學(xué)單向器（BIG、HWP2)、諧振腔鏡（M1、M2、M3、M4）。所用Er,Yb:YAB晶體沿a 軸切割，Er離子摻雜濃度為1.1 at.%，Yb離子摻雜濃度為25 at.%，晶體長度為2 mm。

圖1 全固態(tài)單向行波環(huán)形腔連續(xù)波單頻1.5 μm激光器實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

藍(lán)寶石-Er,Yb:YAB-藍(lán)寶石三明治薄片的熱透鏡焦距隨泵浦功率的變化關(guān)系如圖2所示，通過采用雙端端面偏振選擇抽運(yùn)技術(shù)以及藍(lán)寶石雙端面制冷激光晶體，在抽運(yùn)功率為4.5 W時(shí)，藍(lán)寶石-Er,Yb:YAB-藍(lán)寶石薄片的熱焦距(圖中黑色數(shù)據(jù)點(diǎn))為78.2 mm，比σ偏振單端端面抽運(yùn)的藍(lán)寶石-Er,Yb:YAB薄片的熱透鏡焦距(圖中紅色數(shù)據(jù)點(diǎn))大1.7倍。在抽運(yùn)功率為11.7 W時(shí)，藍(lán)寶石-Er,Yb:YAB-藍(lán)寶石薄片的熱焦距為36.5 mm。相比單端端面抽運(yùn)結(jié)構(gòu)，雙端端面偏振選擇抽運(yùn)結(jié)構(gòu)有效增加了激光晶體的熱透鏡焦距。

圖2 藍(lán)寶石-Er,Yb:YAB-藍(lán)寶石薄片的熱透鏡焦距

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的藍(lán)寶石-Er,Yb:YAB-藍(lán)寶石激光晶體和BIG磁光晶體的熱透鏡焦距，設(shè)計(jì)研制了如圖1所示的四鏡環(huán)形諧振腔。在抽運(yùn)功率為11.7 W時(shí)，獲得了功率為755 mW的連續(xù)波單頻1.5 μm激光運(yùn)轉(zhuǎn)（圖3），使用波長計(jì)測(cè)得激光中心波長為1531.00 nm，使用光束質(zhì)量分析儀測(cè)得激光的光束質(zhì)量M2因子為Mx2=1.58，My2=1.97。測(cè)得2小時(shí)內(nèi)1.5 μm激光的功率波動(dòng)小于±1.2 %，1.5 μm激光的強(qiáng)度噪聲在分析頻率大于5 MHz的范圍達(dá)到散粒噪聲極限（圖4）。

圖3 1.5 μm激光的輸出特性

圖4 連續(xù)波單頻1.5 μm激光的強(qiáng)度噪聲譜

2013年，山西大學(xué)的李淵驥等報(bào)道了基于雙標(biāo)準(zhǔn)具選模技術(shù)的400 mW連續(xù)波單頻1.55 μm激光器。2019年，山西大學(xué)的朱海瑞等報(bào)道了基于扭擺模腔選模技術(shù)的連續(xù)波單頻可調(diào)諧1.542 μm激光器，最高輸出功率可達(dá)420 mW。本次報(bào)道的基于單向行波環(huán)形腔選模技術(shù)的連續(xù)波單頻1.53 μm激光器，輸出功率達(dá)755 mW，為該類激光器目前已實(shí)現(xiàn)的最高功率，相比之前的報(bào)道，1.5 μm連續(xù)波單頻激光輸出功率提高了40%。

目前正在進(jìn)行該激光器的進(jìn)一步性能優(yōu)化和儀器化制備，并將應(yīng)用于該課題組正在開展的小型化光通信波段量子光源的研制中。