安徽光機所通過新型晶體提升中紅外激光器性能

中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院（HFIPS）安徽光機所孫敦陸研究員領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊采用 Czchralski（Cz）方法成功合成了新型中紅外 Ho,Pr:YAP 和 Er:YGGAG 晶體，并通過熱鍵合技術(shù)提高了激光二極管（LD）側(cè)泵 Er:YSGG 晶體的連續(xù)激光器性能。相關(guān)研究成果發(fā)表在Optics Express期刊上。

圖1 978 nm LD側(cè)泵YSGG/Er:YSGG/YSGG激光器示意圖

2.7~3 μm中紅外激光器位于水分子的強吸收波段，在生物醫(yī)學(xué)、光學(xué)遙感和非線性光學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在最近的一項研究中，研究人員找到了一種使激光器更強、更高效的方法。通過調(diào)整激光材料中的成分，他們發(fā)現(xiàn)激光的性能可以得到改善。具體來說，是增加了一種Ho3?離子成分的濃度，并添加了適量的另一種Pr3?離子成分。

這種調(diào)整有助于抑制 "自終止效應(yīng)"，從而提高激光的運行效率。利用Cz 方法，研究人員培育出了一種新型的Ho,Pr:YAP晶體，可在3 μm左右發(fā)射激光。與老式的Ho:YAP激光器相比，這是一項重大改進，因為它開始工作所需的泵浦功率更低，輸出激光的效率更高。

此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)，通過將適量的Gd3?和Ga3?離子共摻雜到Y(jié)AG晶體中，晶體的無序性會增加，從而導(dǎo)致中紅外區(qū)域的寬發(fā)射。利用Cz方法生長出了一種新的Er:YGGAG晶體，從而實現(xiàn)了2.8 μm的中紅外可調(diào)諧超短激光。

為了解決連續(xù)激光輸出的限制，研究人員還開發(fā)了一種熱鍵合技術(shù)。通過將未摻雜的YSGG晶體與另一塊Er:YSGG晶體的兩個端面粘合在一起，成功地降低了"熱效應(yīng)"。這使得激光性能大大提高，最大輸出功率達到28.02 W。

圖2 LD側(cè)泵Er:YSGG 和 YSGG/Er:YSGG/YSGG復(fù)合晶體棒的熱焦距實驗值和理論值與泵浦功率的函數(shù)關(guān)系

圖3 978 nm LD側(cè)泵YSGG/Er:YSGG/YSGG復(fù)合晶體棒的激光光譜

圖4 LD側(cè)泵YSGG/Er:YSGG/YSGG復(fù)合晶體棒的光束直徑與傳播距離的函數(shù)關(guān)系以及束腰處附近的激光光斑圖像

這項研究為開發(fā)全固態(tài)中紅外激光器奠定了材料基礎(chǔ)，并為設(shè)計和開發(fā)新型高效中紅外激光器增益材料提供了參考。