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何京良、张百涛教授团队研究论文“基于稀土离子掺杂晶体 的中红外固体激光研究进展”入选《Chinese Optics Letters》亮点文章

发布日期:2021-09-28   点击量:

近日,张百涛、何京良教授课题组综述了基于Er3+、Ho3+和Dy3+离子掺杂晶体的2.7-3μm波段中红外固体激光的研究现状,系统地介绍了稀土离子掺杂晶体中红外固体激光的关键技术和研究进展,并对现存挑战和未来发展作了简要评述。相关内容发表在Chinese Optics Letters第19卷第9期。

2.7-3µm中红外激光在红外对抗、环境监测、生物医疗、科学研究等领域具有重要作用。从产生机理上,中红外激光器大致可以分为两类:一类是基于激光增益介质受激辐射跃迁直接发射,主要包括半导体激光器、过渡金属或稀土离子掺杂的固体或光纤激光器等;另一类是基于非线性频率变换技术,主要包括中红外拉曼激光器、中红外超连续谱光源、中红外差频激光器和中红外光参量振荡器OPO等。近年来,随着半导体激光、固体和光纤激光技术的发展,基于稀土离子掺杂晶体的中红外固体激光器具有体积小、转换效率高、光束质量好、调谐范围宽以及可实现多种运转方式(连续波、纳秒、皮秒甚至飞秒)等优点,成为激光晶体和全固态激光技术领域研究的热点。

图1 Er3+、Ho3+、Dy3+离子中红外波段跃迁能级简图、发射谱

Er3+离子4I11/2→4I13/2、Ho3+离子5I6→5I7、Dy3+离子6H13/2 → 6H15/2能级跃迁对应2.7-3 μm波段激光发射(如图1所示),是目前研究最广泛的中红外波段激光晶体。张百涛、何京良教授课题组综述了基于Er3、Ho3+和Dy3+离子掺杂晶体的2.7-3 μm波段中红外固体激光的研究现状,系统地介绍了稀土离子掺杂晶体中红外固体激光的关键技术和发展现状,并对目前存在的挑战和未来发展进行了简要评述。相关内容发表在Chinese Optics Letters(19(9),091407)上。

Er3+离子掺杂激光晶体是目前研究最广泛的中红外固体激光增益介质。Er3+离子4I11/2→4I13/2能级跃迁存在上能级(4I11/2)寿命小于下能级(4I13/2)寿命所引起的激光“自终止”效应,通过高掺杂提高Er3+离子间能量传递效率进而提高4I13/2+4I13/2→4I9/2+4I15/2能量上转换过程或者通过共掺去激活离子(Pr3+等),可有效降低下能级4I13/2的寿命、实现下能级去激活。图2给出了目前端面泵浦Er3+离子掺杂中红外固体激光器输出功率和斜效率,室温下最高输出功率为6.9 W(5 at%,b-cut Er:YAP),最大斜效率为41%(5 at%,Er,Pr:SrF2-CaF2)。闪光灯侧面泵浦结构是常用的获得大能量2.7 μm中红外激光的主要技术手段,结合LGS电光调Q技术实现了216 mJ大能量、窄脉宽(14.36 ns)中红外激光输出。同时,利用半导体可饱和吸收镜(SESAM)、Fe:ZnSe和新型的二维材料作为可饱和吸收体也实现了Er3+掺杂激光晶体中红外波段被动调Q激光输出。

图2 端面泵浦Er3+离子中红外固体激光输出功率和转换效率

Ho3+离子5I6→5I7能级跃迁对应2.9μm波段中红外激光发射,其荧光谱为宽带谱,可以获得2.8-3.02μm可调谐输出,有利于宽带调谐和锁模超短脉冲的产生,并且采用1150nm进行泵浦时还可以降低对泵浦光的激发态吸收(pump-excited state absorption),提高泵浦效率。尽管国际上对Ho3+掺杂晶体早就有研究报道,但多集中在2.1μm(5I7→5I8)波段,对其2.9μm波段激光输出特性的研究较少,并且效率较低。Ho3+离子2.9μm波段激光发射同样存在激光“自终止”效应,最有效的解决手段是通过共掺去激活离子(Pr3+等)降低下能级4I13/2的寿命、实现下能级去激活。通过优化Ho3+、Pr3+离子掺杂浓度比例,实现了上、下能级荧光寿命的“反转”。目前,利用1150nm光纤激光器作为泵浦源,最高获得了1.46W连续波中红外激光(Ho,Pr:LLF, Ho3+离子掺杂浓度0.185 at%)输出,斜效率为7.7%(见图3)。利用闪光等泵浦最高实现了41 mJ的2.94 μm激光(Ho,Nd:YAG, Ho3+离子掺杂浓度10 at%)输出。利用新型的二维材料作为饱和吸收体,实现了Ho3+离子掺杂晶体2.9 μm波段中红外被动调Q固体激光输出。

图3 (a)Ho,Pr,YLF晶体上下能级荧光寿命;(b)1150 nm光纤激光器双端泵浦Ho,Pr,LLF中红外激光器结构及输出功率曲线

Dy3+离子6H13/2 → 6H15/2能级跃迁对应3 μm波段中红外激光输出,它在低声子能量的ZBLAN玻璃光纤中是获得了令人振奋的结果。利用2.8 μm的Er:ZBLAN光纤激光泵浦Dy:ZBLAN光纤获得了功率810 mW、斜效率51%的3.04 μm中红外激光输出。但是,由于缺少成熟的半导体激光器泵浦源以及高质量激光晶体,并未有实现Dy3+离子掺杂激光晶体3 μm波段中红外激光输出的报道。

存在的挑战和未来主要发展趋势:(1)优化晶体基质材料和去活离子选择及掺杂浓度,制备大尺寸、高质量激光晶体,是实现2.7-3 μm波段高效率、高功率中红外固体激光运转的基础;(2)Er3+离子跃迁大多是线状谱,Ho3+离子跃迁荧光光谱为平滑宽带谱,支持宽调谐及超快激光输出,基于Er3+、Ho3+离子掺杂晶体锁模皮秒和飞秒超快激光是中红外超快激光器的重要发展方向;(3)根据Er3+、Ho3+离子能级结构,同时实现近红外和中红外级联输出同样具有重要意义;(4)Dy3+离子掺杂激光晶体是非常有潜力的3 μm波段中红外激光晶体,但尚未有激光输出的报道,随着晶体材料制备和激光技术的进一步发展,Dy3+离子掺杂中红外固体激光必将取得突破。