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上海硅酸盐所在中红外激光陶瓷研究方面取得重要进展
2018-01-19 16:20:25 | 【 【打印】【关闭】

中红外(2-5 μm)波段激光因同时位于“大气窗口区”和“分子指纹区”,在大气遥感、光谱学分析、医疗诊断、光通讯及直接红外对抗等领域具有重要的应用价值。在实现中红外激光输出的多种手段中,基于稀土离子(Tm3+Ho3+)掺杂的钇/镥铝石榴石和过渡金属离子掺杂的II-VI化合物(TM2+:II-VI)增益材料的固体激光器具有举足轻重的地位。最近,中国科学院上海硅酸盐研究所李江研究员带领的透明与光功能陶瓷研究团队成功制备了新型的高质量4at%Tm:LuAG陶瓷透明,并与德国马克斯伯恩非线性光学研究所合作在国际上首次实现了Tm:LuAG陶瓷的2022nm连续激光输出0.83W(泵浦源:787nm钛宝石激光),斜率效率高达61%(输出耦合镜透过率TOC=5%),可调谐激光波长范围为1808~2073nmOpt. Express, 2017, 25: 7084-7091)。通过与哈尔滨工业大学合作,团队研制的0.8at%Ho:LuAG陶瓷实现了2100.7nm连续激光输出2.67W(泵浦源:1907.5nm Tm:YLF激光),斜率效率26.5%(国际报道最高值),光束质量M2=1.1J. Am. Ceram. Soc., 2017, 100: 2081)。

稀土离子(Tm3+Ho3+)掺杂的钇/镥铝石榴石透明陶瓷具有良好理化性能和光谱特性,是一种综合性能优异的2 μm固体激光增益介质。该研究团队成功制备了高质量的Tm:YAGHo:YAG透明陶瓷,并与德国马克斯伯恩非线性光学研究所合作实现了高性能连续激光输出。采用连续钛宝石激光器为泵浦源,Tm:YAG陶瓷实现2μm波段SESAM锁模激光输出,脉冲宽度3ps,重复频率89MHz下的平均输出功率约为150mWOpt. Express, 2015, 23: 1361-1369)。采用1.9μm Tm光纤激光同带泵浦Ho:YAG陶瓷,实现了2090.4nm2094.0nm连续激光输出,斜率效率高达88%83%Appl. Opt., 2016, 55: 4877-4887)。利用半导体可饱和吸收镜(SESAM, 实现了Ho:YAG陶瓷在2059nm2121 nm范围内的稳定锁模运转(Opt. Express, 2016, 16: 18003)。研究团队在新型Tm/Ho:LuAG激光陶瓷方向的突破,进一步拓宽了高性能中红外激光材料的选择范畴。

采用过渡金属离子掺杂的II-VI化合物多晶陶瓷作为增益介质的固体激光器,具有超宽带调谐、高量子效率等优势,以及实现高功率、高能量中红外激光输出的潜力。同时,由于Cr2+/Fe2+:II-VI等材料无激发态吸收,其理论品质因子(FOM)无限大,因此也可用作中红外被动调Q激光器的可饱和吸收体。研究团队采用热扩散法制备了高光学质量的Cr:ZnS/ZnSe透明陶瓷材料,并与哈尔滨工业大学姚宝权教授团队合作,Cr:ZnSe陶瓷增益介质成功实现了室温下最高功率为418mW,斜率效率12.8%的连续激光输出。以Cr:ZnS作为被动调Q的可饱和吸收体,成功实现了Ho:YAPHo:LuAG等激光器的窄脉宽、高功率的PQS激光输出(Laser Phys. Lett., 2015, 12: 105002; Appl. Phys. B, 2017, 123: 28)。

与沉积热扩散法相比,陶瓷制备方法可以避免TM:ZnS/ZnSe中掺杂剂与基质在高温下的共熔,能实现掺杂离子的均匀分布,易于实现结构设计进行更好的热管理。另外,陶瓷具有更优异的力学性能和抗热震性,制备工艺简单、成本低、可规模生产等优点。研究团队采用湿化学法合成了Fe2+:ZnS纳米粉体,再采用热压烧结结合热等静压烧结后处理工艺制备了高光学质量的Fe2+:ZnS透明陶瓷,样品在2.0μm处透过率为~45%5.0μm处透过率为~70%。这是目前已经报道的光学质量最优的热压Fe2+:ZnS透明陶瓷(J. Am. Ceram. Soc., 2016, 99: 3060; J. Eur. Ceram. Soc., 2017, 37: 2253)。

相关研究工作得到国家自然科学基金面上项目、中国科学院前沿科学重点研究计划项目等资助。 

 

4at%Tm:LuAG透明陶瓷的光谱特性、激光装置及激光性能

 

0.8at%Ho:LuAG透明陶瓷的光谱特性及激光性能

沉积热扩散法制备的Cr,Fe离子掺杂ZnS/ZnSe多晶陶瓷的实物照片

 

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