安光所在2.7~3微米中红外晶体制备及激光性能研究方面取得新进展 -人生就是搏尊龙

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时间： 2024-04-03

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近期，中国科学院合肥物质院安光所孙敦陆研究员课题组在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员。

2.7~3微米中红外激光处于水分子的强吸收带，在生物医疗、光学遥感及非线性光学等领域有着广泛的应用前景。稀土离子ho3 (钬离子)通过5i6至5i7的辐射跃迁，可产生3微米附近波段中红外激光。然而，ho3 的激光下能级5i7的荧光寿命较长，容易产生自终止效应，不利于实现激光上、下能级之间的粒子数反转。针对这一问题，我们提出提高激活离子ho3 的掺杂浓度，同时共掺适量能级耦合离子pr3 (镨离子)，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 共掺yap晶体，系统开展了晶体结构、晶体质量、热学、光谱及其激光性能的研究。由于退激活离子pr3 的掺入，其激光下能级寿命由5.391毫秒降至1.121毫秒，同时激光上能级寿命变化较小，表明共掺pr3 能够有效抑制自终止效应，有利于降低激光阈值、提高激光性能。采用1150纳米拉曼光纤激光器端面泵浦，在ho,pr:yap晶体上实现了最大平均功率502毫瓦的~3微米连续激光输出，相应的斜效率为6.3%。与ho:yap晶体相比，其激光阈值降低，最大输出功率及效率均得到了提高。

稀土离子er3 (铒离子)通过4i11/2至4i13/2的辐射跃迁，也可实现2.7-3微米中红外激光输出。石榴石结构的yag晶体，具有良好的热学和光学性能，是性能优异的基质晶体。提出通过掺入适量的gd3 (钆离子)和ga3 (镓离子)分别取代基质中的y3 (钇离子)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因子为1.53/1.39。结果表明，具有宽谱带的er:yggag晶体是一种潜在的~2.8微米可调谐超快激光增益介质。

目前，ld泵浦er:ysgg晶体的中红外脉冲激光已高达数十瓦，而连续激光输出功率仅有瓦级，采用连续ld侧面泵浦有望进一步提高连续激光输出功率。由于在激光运转过程中，激光增益介质内部会产生温度梯度，导致产生各种热效应，限制了激光输出功率和效率的提高。我们通过在er:ysgg晶体棒的两端键合高热导率的未掺杂ysgg晶体作为端帽，以改善热效应。采用978纳米ld侧面泵浦ysgg/er:ysgg/ysgg键合晶体，实现了最大平均功率28.02瓦的~2.8微米连续激光输出，这是目前报道的在氧化物晶体中获得最高功率的~2.8微米连续激光输出，相应的斜效率和光-光转换效率分别为17.55%和12.29%。其最大功率和斜效率均高于相同泵浦条件下的未键合er:ysgg晶体，表明键合可有效改善热效应，提高激光性能。实验测试并理论计算了ld侧面泵浦未键合er:ysgg晶体和ysgg/er:ysgg/ysgg键合晶体在不同泵浦功率下的热焦距，结果表明，ysgg/er:ysgg/ysgg键合晶体更适于在高泵浦功率下工作。

以上研究工作得到了国家自然科学基金、替代专项、安徽省自然科学基金和合肥物质院院长基金的支持。

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