合肥研究院在中红外Er3+掺杂激光晶体研究方面获进展

近期，中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所研究员孙敦陆课题组在Er3+掺杂中红外激光晶体研究方面再次取得一系列研究新进展：在一种抗辐射激光晶体上进一步实现了高功率、高重复频率的2.79微米输出；在另一种晶体上实现了2.71和2.73微米双波长偏振激光输出。相关研究结果已分别发表在Optics Letters、Optics Express 和Optical Materials 上。

2.7–3微米中红外激光在生物医学、科学研究和大气探测等方面有着广泛的应用。特别是高峰值功率和高重复频率的2.7–3微米激光，在光电对抗和非线性光学领域的应用引起了广泛关注。

在前期研究工作的基础上，该课题组采用966nmLD侧面泵浦方式，进一步研究了Er,Pr:GYSGG晶体的激光性能。在重复频率为125赫兹、脉冲宽度200微秒条件下，实现了最大输出功率8.86瓦、电光效率和斜效率分别为7.7%和14.8%的激光输出。结果表明，通过掺入退激活离子Pr3+和LD侧面泵浦，可获得高性能的2.79 微米激光。

此外，该课题组还在Er:YAP晶体上实现了LD端面泵浦的2710和2728纳米双波长偏振激光输出。通过不同尺寸Er:YAP晶体元件的热模拟分析、激光性能和光束质量的对比研究发现，适当的尺寸有利于减小晶体的热透镜效应、提高激光效率。

同时，他们还首次采用提拉法生长出了高光学质量的Er,Pr:YAP晶体。研究发现，能级耦合离子Pr3+的掺入有利于降低激光阈值、提高激光效率。但Er3+和Pr3+离子的掺杂浓度仍需进一步优化。

该研究得到国家自然科学基金和国家高技术项目等的资助。

图1 966nm LD侧面泵浦Er,Pr:GYSGG晶体的示意图

 

图2 不同重复频率与输入功率下的激光输出

图3 Er,Pr:GYSGG晶体的光束质量因子M2

图4 Er:YAP晶体和970 nm LD泵浦装置示意图

 

图5 不同尺寸与泵浦功率条件下的激光输出功率 (a) 973 nm LD 连续模式下泵浦；(b) 962 nm LD 连续模式下泵浦

图6 不同尺寸Er:YAP晶体的光束质量因子M2 (a) 1×1×5 mm3; (b) 2×2×5 mm3; (c) 3×3×5 mm3

图7 Er:YAP和Er,Pr:YAP晶体的荧光衰减曲线