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上海硅酸盐所中红外激光晶体研究取得进展
2018-01-19 16:20:28 | 【 【打印】【关闭】

  中红外激光(2~5μm)覆盖多个大气传输窗口及众多分子化学键吸收峰指纹区域,在空间光通讯、环境监测、医疗、军事等领域均有重要的应用前景。产生中红外激光的技术众多,其中基于直接泵浦稀土掺杂晶体的中红外激光技术,具有结构简单、可连续输出、光束质量高等优点。直接泵浦铒离子(Er3+)掺杂激光晶体是实现3μm波段中红外激光的最重要技术之一。为了解决Er离子3μm激光输出通道的下能级(4I13/2)寿命远高于上能级(4I11/2)引起的激光振荡自终止效应,一般采取Er离子高浓度掺杂的方式,其掺杂浓度往往高于30 at%,甚至50 at%。但是,高浓度掺杂会引起激光晶体热导率大幅度下降,以及激光上能级(4I11/2)浓度猝灭增强,从而导致3μm波段输出功率受限和激光效率偏低。 

  中国科学院上海硅酸盐研究所苏良碧研究员课题组,以低声子能量的氟化锶(SrF2)晶体为掺杂基质,利用该晶体特殊的萤石型结构形成的掺杂稀土离子的“团簇”效应,在Er3+离子极低掺杂浓度下(<5 at%)克服3μm激光振荡自终止效应,实现了高效率的双波长激光输出。当Er:SrF2晶体中Er3+离子掺杂浓度为4 at%时,3μm激光下能级寿命是上能级的1.58倍,小于4 at% Er:CaF2晶体的1.66倍,更低于33 at% Er:YAG晶体的60.4倍,30 at% Er:YSGG晶体的2.62倍,以及15 at% Er:YLF晶体的3.25倍。同时,该晶体的光谱参数品质因子(发射截面与荧光寿命的乘积)为7.45×10-20 ms•cm2,高于Er:CaF2晶体的3.89×10-20 ms•cm2,也远高于Er:YAG晶体的0.3×10-20 ms•cm2Er:YLF晶体的1.64×10-20 ms•cm2。该课题组与山东师范大学刘杰教授合作,采用激光二极管直接泵浦4at.% Er:SrF2晶体(未镀膜),实现了高斜效率、双波长中红外激光输出,斜效率22.0%,在保证晶体不被损坏的前提下,获得最高平均输出功率483 mW,激光波长约为2789 nm2791 nm2016 Scientific Reports 6, 36635)。 

  此前,该课题组和山东师范大学合作,采用石墨烯作可饱和吸收体,在4at% Er:CaF2晶体中实现了2.8μm被动调Q脉冲激光输出,脉冲宽度1.3 μs,重复频率62 kHz,平均输出功率172 mW 2016 Optical Materials Express 6, 1570-15752016 Optical Materials Express 6, 409-415)。在此基础上,通过共掺去激发离子Pr3+,在3 at% Er, 0.03 at% Pr:CaF2晶体中,首次实现了2.8 μm自调Q脉冲激光输出(即不需要额外的可饱和吸收体),脉冲宽度718 ns,重复频率52 kHz,平均输出功率262 mW2016 Optics Letters 41, 4660-4663)。 

  以上工作得到了国家自然科学基金面上项目、重点项目和优秀青年基金的资助。

   

   

  LD直接泵浦4at.% Er:SrF2晶体高效率、双波长中红外激光输出特性

   

   

LD直接泵浦4at.% Er:CaF2晶体被动调Q中红外激光输出

   

   

LD直接泵浦3at.% Er, 0.03at.% Pr:CaF2晶体自调Q中红外激光输出

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