安徽光机所通过新型晶体提升中红外激光器性能

中国科学院合肥物质科学研究院（HFIPS）安徽光机所孙敦陆研究员领导的研究团队采用 Czchralski（Cz）方法成功合成了新型中红外 Ho,Pr:YAP 和 Er:YGGAG 晶体，并通过热键合技术提高了激光二极管（LD）侧泵 Er:YSGG 晶体的连续激光器性能。相关研究成果发表在Optics Express期刊上。

图1 978 nm LD侧泵YSGG/Er:YSGG/YSGG激光器示意图

2.7~3 μm中红外激光器位于水分子的强吸收波段，在生物医学、光学遥感和非线性光学等领域具有广泛的应用前景。在最近的一项研究中，研究人员找到了一种使激光器更强、更高效的方法。通过调整激光材料中的成分，他们发现激光的性能可以得到改善。具体来说，是增加了一种Ho³⁺离子成分的浓度，并添加了适量的另一种Pr³⁺离子成分。

这种调整有助于抑制 "自终止效应"，从而提高激光的运行效率。利用Cz 方法，研究人员培育出了一种新型的Ho,Pr:YAP晶体，可在3 μm左右发射激光。与老式的Ho:YAP激光器相比，这是一项重大改进，因为它开始工作所需的泵浦功率更低，输出激光的效率更高。

此外，研究人员还发现，通过将适量的Gd³⁺和Ga³⁺离子共掺杂到YAG晶体中，晶体的无序性会增加，从而导致中红外区域的宽发射。利用Cz方法生长出了一种新的Er:YGGAG晶体，从而实现了2.8 μm的中红外可调谐超短激光。

为了解决连续激光输出的限制，研究人员还开发了一种热键合技术。通过将未掺杂的YSGG晶体与另一块Er:YSGG晶体的两个端面粘合在一起，成功地降低了"热效应"。这使得激光性能大大提高，最大输出功率达到28.02 W。

图2 LD侧泵Er:YSGG 和 YSGG/Er:YSGG/YSGG复合晶体棒的热焦距实验值和理论值与泵浦功率的函数关系

图3 978 nm LD侧泵YSGG/Er:YSGG/YSGG复合晶体棒的激光光谱

图4 LD侧泵YSGG/Er:YSGG/YSGG复合晶体棒的光束直径与传播距离的函数关系以及束腰处附近的激光光斑图像

这项研究为开发全固态中红外激光器奠定了材料基础，并为设计和开发新型高效中红外激光器增益材料提供了参考。