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中紅外激光（2~5μm）覆蓋多個(gè)大氣傳輸窗口及眾多分子化學(xué)鍵吸收峰“指紋”區(qū)域，在空間光通訊、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域均有重要的應(yīng)用前景。產(chǎn)生中紅外激光的技術(shù)眾多，其中基于直接泵浦稀土摻雜晶體的中紅外激光技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可連續(xù)輸出、光束質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。直接泵浦鉺離子（Er3+）摻雜激光晶體是實(shí)現(xiàn)3μm波段中紅外激光的最重要技術(shù)之一。為了解決Er離子3μm激光輸出通道的下能級(jí)（4I13/2）壽命遠(yuǎn)高于上能級(jí)（4I11/2）引起的激光振蕩自終止效應(yīng)，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(huì)引起激光晶體熱導(dǎo)率大幅度下降，以及激光上能級(jí)（4I11/2）濃度猝滅增強(qiáng)，從而導(dǎo)致3μm波段輸出功率受限和激光效率偏低。
中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所蘇良碧研究員課題組，以低聲子能量的氟化鍶（SrF2）晶體為摻雜基質(zhì)，利用該晶體特殊的螢石型結(jié)構(gòu)形成的摻雜稀土離子的“團(tuán)簇”效應(yīng)，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(yīng)，實(shí)現(xiàn)了高效率的雙波長(zhǎng)激光輸出。當(dāng)Er:SrF2晶體中Er3+離子摻雜濃度為4 at%時(shí)，3μm激光下能級(jí)壽命是上能級(jí)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(shí)，該晶體的光譜參數(shù)品質(zhì)因子（發(fā)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(yuǎn)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(xué)劉杰教授合作，采用激光二極管直接泵浦4at.% Er:SrF2晶體（未鍍膜），實(shí)現(xiàn)了高斜效率、雙波長(zhǎng)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(zhǎng)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(xué)合作，采用石墨烯作可飽和吸收體，在4at% Er:CaF2晶體中實(shí)現(xiàn)了2.8μm被動(dòng)調(diào)Q脈沖激光輸出，脈沖寬度1.3 μs，重復(fù)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(chǔ)上，通過(guò)共摻去激發(fā)離子Pr3+，在3 at% Er, 0.03 at% Pr:CaF2晶體中，首次實(shí)現(xiàn)了2.8 μm自調(diào)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(fù)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(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、重點(diǎn)項(xiàng)目和優(yōu)秀青年基金的資助。
LD直接泵浦4at.% Er:SrF2晶體高效率、雙波長(zhǎng)中紅外激光輸出特性
LD直接泵浦4at.% Er:CaF2晶體被動(dòng)調(diào)Q中紅外激光輸出
LD直接泵浦3at.% Er, 0.03at.% Pr:CaF2晶體自調(diào)Q中紅外激光輸出
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