上海硅酸鹽所中紅外激光晶體研究取得進展

　　中紅外激光（2~5μm）覆蓋多個大氣傳輸窗口及眾多分子化學鍵吸收峰“指紋”區域，在空間光通訊、環境監測、醫療、軍事等領域均有重要的應用前景。產生中紅外激光的技術眾多，其中基于直接泵浦稀土摻雜晶體的中紅外激光技術，具有結構簡單、可連續輸出、光束質量高等優點。直接泵浦鉺離子（Er3+）摻雜激光晶體是實現3μm波段中紅外激光的最重要技術之一。為了解決Er離子3μm激光輸出通道的下能級（4I13/2）壽命遠高于上能級（4I11/2）引起的激光振蕩自終止效應，一般采取Er離子高濃度摻雜的方式，其摻雜濃度往往高于30 at%，甚至50 at%。但是，高濃度摻雜會引起激光晶體熱導率大幅度下降，以及激光上能級（4I11/2）濃度猝滅增強，從而導致3μm波段輸出功率受限和激光效率偏低。

　　中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員蘇良碧課題組，以低聲子能量的氟化鍶（SrF2）晶體為摻雜基質，利用該晶體特殊的螢石型結構形成的摻雜稀土離子的“團簇”效應，在Er3+離子極低摻雜濃度下（<5 at%）克服3μm激光振蕩自終止效應，實現了高效率的雙波長激光輸出。當Er:SrF2晶體中Er3+離子摻雜濃度為4 at%時，3μm激光下能級壽命是上能級的1.58倍，小于4 at% Er:CaF2晶體的1.66倍，更低于33 at% Er:YAG晶體的60.4倍，30 at% Er:YSGG晶體的2.62倍，以及15 at% Er:YLF晶體的3.25倍。同時，該晶體的光譜參數品質因子（發射截面與熒光壽命的乘積）為7.45×10-20 ms?cm2，高于Er:CaF2晶體的3.89×10-20 ms?cm2，也遠高于Er:YAG晶體的0.3×10-20 ms?cm2和Er:YLF晶體的1.64×10-20 ms?cm2。該課題組與山東師范大學教授劉杰合作，采用激光二極管直接泵浦4at.% Er:SrF2晶體（未鍍膜），實現了高斜效率、雙波長中紅外激光輸出，斜效率22.0%，在保證晶體不被損壞的前提下，獲得最高平均輸出功率483 mW，激光波長約為2789 nm和2791 nm（2016 Scientific Reports 6, 36635）。

　　此前，該課題組和山東師范大學合作，采用石墨烯作為可飽和吸收體，在4at% Er:CaF2晶體中實現了2.8μm被動調Q脈沖激光輸出，脈沖寬度1.3 μs，重復頻率62 kHz，平均輸出功率172 mW （2016 Optical Materials Express 6, 1570-1575；2016 Optical Materials Express 6, 409-415）。在此基礎上，通過共摻去激發離子Pr3+，在3 at% Er, 0.03 at% Pr:CaF2晶體中，首次實現了2.8 μm自調Q脈沖激光輸出（即不需要額外的可飽和吸收體），脈沖寬度718 ns，重復頻率52 kHz，平均輸出功率262 mW（2016 Optics Letters 41, 4660-4663）。

　　以上工作得到了國家自然科學基金面上項目、重點項目和優秀青年基金的資助。