新型钠信标激光器研究进展

宗庆霜，卞 奇，马浩达，杨 林，左军卫，薄 勇*，彭钦军

（1.中国科学院理化技术研究所，北京100190；2.中国科学院 固体激光重点实验室，北京100190；3.中国科学院大学，北京100190）

引 言

望远镜是对人类历史进程影响最大的科学仪器之一。可用于探索宇宙起源、暗物质和暗能量特性等自然科学重大基本问题的大口径地基光学望远镜正在迅速发展［1-2］。然而，大气永不停息的湍流扰动像水面的波纹一样恶化成像质量，使望远镜观察天体时，产生时／空随机光学成像误差，经长时间曝光后获得的星空图像就会非常模糊。早在17世纪，牛顿就最早认识到这个问题，然而长期以来未能解决；直到200多年后的1953年，美国天文学家BABCOCK首先提出可以采用自适应光学技术校正大气扰动，并在1978年首次实现。采用自适应光学系统进行图像校正时，需要有导引星（称为信标），以其发射的光信号波前作为参考源来探测大气湍流，并向可变形反射镜提供反馈，以便补偿这种由湍流等引起的图像失真，实现对观测目标的成像校正［3-5］。钠信标是利用海拔80km～100km高的大气电离层的钠原子对589nm波长黄激光的共振荧光背向散射信号［6-8］，是自适应光学望远镜的理想信标。目前，钠信标激光器的研制主要有5种方法。第1种是染料激光器，它可以直接发射在589nm［9-10］。20世纪80年代末和90年代，在美国夏威夷、加利福尼亚和西班牙，利用染料激光技术产生了第1颗钠激光导引星。然而，由于装置体积庞大、可靠性差、耗电量大，这种染料激光器逐渐被取代。21世纪发展起来的固体激光器作为第2代钠信标激光器，通常基于1064nm和1319nm Nd∶YAG激光器和频来获得589nm激光［11-13］，这种固体激光技术相比染料激光器更加清洁、但其系统仍然较庞大复杂。近年来，光纤激光器正在成为一个具有竞争力的589nm钠信标激光器候选者，这种激光器技术通常有两种方法：一种是基于938nm和1583nm光纤激光器的和频产生［14］；另一种是基于1178nm喇曼光纤的2次谐波产生［15］。并且，这种固有的紧凑、高效的光纤激光器技术开发的第3代钠激光器，成为迄今为止唯一商用的钠导星激光系统。光纤钠激光器正在或即将在3个天文望远镜和两个空间监测站部署。但这些系统安装到望远镜上仍然相对较大，而且购买和维护成本仍然很高。因此，为了自适应光学-钠导引星激光源更实用的解决方案，新一代具有体积小、质量轻、效率高、可靠性高、成本低、易维护等优点的589nm钠信标激光器正在不断被开发。随着新的激光技术和激光材料的不断发展，基于半导体技术的光抽运垂直外腔面发射激光器（optical pumping vertical external cavity semiconductor emitting laser，OP-VECSEL）和掺Dy3+晶体作为增益介质直接发射589nm激光的固体激光器被认为可能是第4代钠信标激光器的发展方向。

本文中介绍了589nm OP-VECSEL和掺Dy3+晶体作为增益介质直接发射589nm激光的固体激光器的原理及特性，并综述了其最新研究进展及应用。

1 589nm OP-VECSEL

1.1 OP-VECSEL基本原理

OP-VECSEL结构简单，其主要由增益芯片、热沉、耦合输出镜、抽运光组成。图1为典型的OP-VECSEL示意图。抽运光反向注入且与输出光成一定夹角φ，实验中通常φ≤45°聚焦到增益芯片上，因为如果角度太大会使得抽运光斑形状不好、不均匀，所以在不遮挡激光振荡的前提下，φ角度尽可能的小。其增益芯片为顶发射结构，如图1放大部分所示，主要分为4个部分：即窗口层、量子阱有源区、分布式布喇格反射镜和衬底，可利用分子束外延技术或金属有机物化学气相沉积技术在衬底上逐层生长而形成。考虑到OPVECSEL运转时的散热问题，增益芯片的帽层通常要与热导率高的导热片键合，如光学金刚石片、光学SiC片、蓝宝石片等。

图1 OP-VECSEL装置示意图

1.2 589nm OP-VECSEL研究现状

半导体激光器具有体积小、效率高、质量轻、易集成、波长范围广、可靠性高等优点［16］，因而，自20世纪70年代初实现室温连续运转以来，半导体激光器成为了光电子技术领域的重要器件。但半导体激光器也存在一些不足：边发射型半导体激光器可提供较大发射功率，但其输出光斑为椭圆形，光斑的纵横比最差时可达100∶1，快轴发散角约50°～60°，慢轴发散角约8°～10°，在一些应用中须附加光束整形系统。20世纪80年代，垂直腔面发射半导体激光器（vertical cavity semiconductor emitting laser，VCSEL）的出现引起了人们极大的兴趣，与传统的边发射激光器不同，其激光出射方向垂直于衬底表面［17］，可获得圆形光斑，阈值低、容易实现2维阵列等优点，在光通信、光互连、光存储、医疗激光显示和科学研究等领域有广泛应用。虽然VCSEL具有理想的圆形光束，但在单横模下工作很难达到大功率。因此，为克服上述缺点，进一步提高半导体激光器的性能一直是激光研究领域重要的课题之一。1997年，KUZETSOV［18］首次提出了光抽运垂直外腔面发射激光器的想法，它综合了高光束质量的VCSEL和高功率激光二极管抽运的固体激光器的优势，可同时获得高功率和高光束质量的激光输出，覆盖从可见光到近红外波段的广阔波段，并且由于其外腔的存在，还可方便地实现高效率的激光腔内频率转换，是一种新型实用的半导体激光光源。尤其是腔内倍频的OP-VECSEL技术，近几年发展迅速，成为新型钠信标激光器件研究领域的和热点，其典型的实验装置示意图如图2所示。包括1178nm增益芯片、抽运源、高反镜、耦合输出镜、倍频晶体（LBO等非线性晶体）以及用以选波长和压窄线宽的法布里-珀罗（F-P）标准具和双折射滤波片。为了方便进行比较，表1中提供了该方法目前的研究情况，报告了激光系统中相应的研究结果。

图2 腔内倍频OP-VECSEL实验装置示意图

表1 589nm VECSEL的发展情况

2003年，德国乌尔姆大学的GERSTER等人［19］基于GaAsSb／GaAs光抽运垂直外腔面发射激光器，将InGaAs的波长扩展到更长的波长，至少涵盖1100nm～1300nm。同时，首次报道了倍频黄光 GaAsSb／GaAs OP-VECSEL。在连续波运行中，当805nm抽运光功率为2.1W时，他们获得了最大功率为15mW的TEM00模式运转的589nm二次谐波输出，并进行了与钠原子吸收光谱共振的初步验证。2007年，MOLONEY等人［20］基于微观设计的基本原理，开发了一种高功率1178nm的 OP-VECSEL。室温时，最高输出功率为7W，相应斜效率为31%，光束质量因子M2＝1.43。并且通过使用双折射滤波器，可将波长锁定在1178nm，同时将该OP-VECSEL与腔内倍频相结合，将产生瓦级589nm钠信标激光，用于自适应光学望远镜。2008年，美国亚利桑那大学的FAN等人［21］报道了一个结构紧凑、低损耗的InGaAs-GaAs可调谐腔内倍频黄光OP-VECSEL，通过三硼酸锂（LiB3O5，LBO）晶体腔内倍频，实现了输出功率超过2.5W波长为589nm的激光运转，相应的光光转换效率为 15%，并且波长从575nm～595nm可调谐。同年，该团队的FALLAHI等人将808nm抽运光的光斑由280μm增大到500μm，从而增大了增益介质的有效抽运面积，使得最大输出功率从2.5W提升到5W［22］，中心波长为587nm，光谱覆盖585nm～589nm区域，并首次提出这种紧凑型、低成本、高稳定性的半导体激光器为研制钠导引星激光器提供了一个有前途的选择。2009年，美国亚利桑那大学的KANEDA等人［23］通过LBO腔内倍频的OP-VECSEL，得到了一个输出功率为2W、谱线宽度小于5MHz的589nm激光源。并指出，进一步放大激光器输出功率和稳定波长是钠信标激光器应用的一种有吸引力的方法。2010年，芬兰坦佩雷理工大学的LEINONEN等人［24］报道了一种窄线宽的GaInAsN黄光589nm OPVECSEL，他们采用腔内双折射滤光片进行波长选择，用YAG标准具进行线宽压窄，并通过一类临界相位匹配的BBO晶体腔内倍频，获得了最大输出功率为1.7W、线宽约20MHz的589nm激光。并且，在自由运行的模式下，产生了超过6W的黄橙色激光，相应地最大转换效率为15.5%。随后，该团队提出一种LBO晶体腔内倍频的GaInNAs／GaAs OP-VECSEL，获得了输出功率大于2W的589nm激光源，且实现线宽小于50MHz与钠D2线共振的单纵模运转，其输出功率的进一步提升主要受到可用抽运光功率和光斑尺寸的限制［25］。2012年，美国亚利桑那大学的 HESSENIUS等人［26］设计了一种可调谐工作在 589nm左右的InGaAs／GaAs OP-VECSEL。并在腔内插入双折射滤波器、低精细Fabry-Perot标准具和倍频晶体LBO，获得了超过4W的589nm激光输出，相应转换效率约16%，此时基频1178nm的线宽小于10MHz。同时，通过腔内两个频率选择元件，他们对钠D2和D1线进行调谐和测量，证明了该OP-VECSEL是钠信标激光器等应用的可行光源。同年，芬兰坦佩雷理工大学的LEINONEN等人［27］采用β-BBO晶体作为倍频晶体，通过二次谐波得到了输出功率超过7.4W的590nm激光。并在OP-VECSEL谐振腔内插入一类相位匹配的LBO晶体、标准具和双折射滤波片，实现了线宽小于20MHz、功率为1.7W的窄线宽589nm激光输出。除此以外，同年美国相干公司BERGER等人［28］在808nm抽运光功率为90W条件下，获得了22W、589nm激光输出，相应的光光转换效率为24%。该589nm OPVECSEL在x和y两个方向上的光束质量因子分别为1.02和1.00，并且x和y方向上的束腰直径均为2.13mm。2013年，美国的ALFORD等人［29］利用 LBO倍频晶体和Fabry-Perot标准具，获得了高光束质量输出功率约为3W的TEM00模589nm黄光，并且相应的线宽小于50MHz。2014年，芬兰坦佩雷理工大学的KANTOLA等人［30］研制了一台 20W 连续波运转585nm～590nm宽光谱黄光OP-VECSEL，光束质量因子小于1.5，展示了OP-VECSEL在激光钠信标领域的巨大潜力；通过调谐波长到589nm时，获得的最大输出功率10W，但激光器运转不稳定。此外，该实验人员通过直接调制抽运光，首次得到了81mW，570ns和149mW，1.08μs的脉冲激光输出，由于受到电子系统和抽运峰功率的调制能力限制，该激光器输出脉冲宽度较短、功率较低。

由以上研究报道可知，腔内倍频的光抽运垂直外腔面发射半导体激光器是有可能替代固体和光纤激光技术方案，但高功率运转还存在着热效应较为严重，光束质量较差，且发射光谱较宽的问题，需进一步解决。

2 Dy3+晶体全固态激光器

2.1 Dy3+的光谱性质

稀土掺杂的材料性能研究涉及到材料学、物理学、化学、电子学等多学科交叉领域，并广泛应用在激光、光纤通讯、光波导以及光纤放大器等方面。其中，Er3+，Tm3+，Pr3+，Ho3+等离子的红外发光已得到深入的研究和一定的应用［31-35］。与此同时，镝离子（Dy3+）的电子结构为［Xe］4f9，由于4f壳层未完全充满，Dy3+的电子能级非常丰富，可以用于激光或光电材料的激活离子，并且其在可见光范围内有4F9／2→6H13／2能级跃迁，同时伴有黄光发射引起了人们极大的兴趣，是最近研究比较热门的一种稀土离子。

由于Dy3+离子特殊的电子结构，Dy3+的4f电子层受到其外面5s2和5p6电子层的屏蔽，其受外界电磁场或配位场的影响较小，因而化合物中的Dy3+与自由状态的Dy3+的吸收光谱相似，均为线状光谱。图3所示是Dy3+离子的能级示意图。包括一组能级6HJ（J＝15／2到5／2）和6FJ（J＝11／2到1／2），波数范围延续到14000cm-1；而后是波数宽度达21000cm-1的能隙，能隙上方是紧密排布的另一组能级，包括4F，4I，4G，4M，4K，4D等能级，一直延续到紫外光区域，其最下方为亚稳态的4F9／2。二组能级之间的宽带隙使得能级4F9／2不能够发生多声子弛豫，当Dy3+的浓度较低时，其荧光寿命达到其辐射寿命，为毫秒级别。能级4F9／2可以发射不同波长的光，主要包括黄色光（向6H13／2跃迁）、蓝色光（向6H15／2跃迁）和红色光（向6H11／2跃迁）。

图3 Dy3+能级图

2.2 掺Dy3+晶体的研究现状

目前的全固态钠信标激光器面临着一个严峻的问题，其钠信标激光的产生依赖于通过红外激光的非线性频率转换方式实现。一方面，非线性转换过程中基频光模式竞争导致激光输出功率的稳定性较差、光束质量不佳；另一方面，系统的复杂程度直接导致了激光器的体积较大，从而对激光器的可靠性造成了严重的影响。因此，近些年来，能够通过某种材料直接激发出钠信标激光的研究越来越受到重视。有机染料、有机无机杂化晶体、掺稀土离子的晶体等是这类材料的主要研究方向。但因为染料材料本身的物化特性不稳定，其激光器体积庞大、可靠性差、同时需要复杂的冷却系统做支持，这些限制了染料激光器的发展。2004年，印度科学家ELIZEBETH等人［36］对掺Dy3+的有机无机杂化晶体进行了深入的研究，首次合成了GdDy（C204）3nH20晶体。通过光谱分析，发现晶体中的 Dy3+离子对应的4F9／2→6H13／2的能级跃迁可以产生572nm的荧光。由于激光介质的吸收峰在紫外波段附近，当时技术很难满足。但由此，Dy3+离子的光谱特性和激光特性引起了激光科研人员的关注，开始尝试在无机基质晶体中掺入Dy3+稀土离子，研究新型激光介质的特性。这种根据掺Dy3+激光介质的特殊能级结构，采用半导体激光抽运的方式，直接获得钠信标激光，无需进行非线性频率转换，具有体积小、稳定性好、噪声低等优点。为了便于比较，表2中提供了该Dy3+掺杂晶体作为增益介质直接发射589nm激光的国际及国内的研究情况，包括该晶体及相应激光器的研究结果。

表2 Dy3+掺杂晶体作为增益介质的全固态激光器发展情况

国际上，美国海军研究实验室的BOWMAN等人［37］于2012年采用波长为447nm的GaN蓝光LD抽运Dy3+∶YAG单晶，获得了平均功率为150mW的583nm TEM00模黄激光输出，斜效率为12%，单脉冲能量为0.29mJ，其输出功率较低，主要受蓝光LD亮度的限制。且该激光器有可能运转在576nm～591nm范围内的几个尖峰跃迁上，分析计算得出，在582.7nm处，最强跃迁的发射截面为4.1×10-21cm2。2013年，德国汉堡大学的METZ等人［38］采用450nm LD抽运Dy3+∶LiLuF4晶体，在抽运功率约350mW时，获得了约7mW的578nm黄激光输出，其斜坡效率为4%。2014年，意大利国家计量研究所的BOLOGNESI等人［39］制备了Dy3+-Tb3+共掺的LiLuF4晶体，并用波长为450nm的InGaN蓝色 LD作为抽运源，利用 Dy3+的4F9／2→6H13／2（560nm～590nm）跃迁得到574nm的激光输出。阈值抽运功率为320mW，当抽运光功率约为730mW，获得了最大连续输出功率55mW，相应的斜效率为13.4%。

国内研究中，2010年，中国科学院福建物质结构所的WANG等人［40］利用柴氏拉晶法制备了Dy3+∶Gd3Ga5O12（Dy∶GGG）晶体。在353nm激光抽运下，室温下测量了该晶体的荧光光谱。位于可见光区，在581nm（560nm～600nm）处观察到一条强烈的荧光带，对应于4F9／2→6H13／2跃迁。并测得 Dy∶GGG晶体中Dy3+离子该跃迁的室温荧光寿命为 0.79ms，4F9／2能级的荧光量子效率为71.4%。此外，在波长为581nm估算得到4F9／2→6H13／2跃迁的峰值发射截面约为 2.62×10-21cm2。2012年，淮南师范大学的 ZHAO等人［41］也采用该技术制备了 Dy3+∶LiLa（MoO4）2晶体，并评估其在蓝紫或近紫外半导体激光器抽运下直接产生黄色激光的潜力。对于4F9／2→6H13／2的能级跃迁，可以产生560nm～590nm的荧光；其峰值发射截面在574nm，相应的π和σ偏振的发射截面分别为2.16×10-20cm2和1.38×10-20cm2。2014年，中国科学研究福建物质结构研究所的WANG等人［42］同样采用该柴氏拉晶技术，生长了 Dy3+∶Ca3La2（BO3）4晶体，在室温下对该晶体的偏振吸收、发射光谱和衰减寿命进行了测量。575nm左右的荧光带被测得在4F9／2→6H13／2的能级跃迁中，并计算得到在a，b，c 3个方向上的受激发射截面分别为 1.69×10-21cm2，2.05×10-21cm2，3.38×10-21cm2。同时，4F9／2→6H13／2跃迁的分支比最大，说明这一跃迁应主导发射光谱。其辐射和荧光寿命分别为700μs和628μs。2017年，掺 Dy3+的 Lu2Si2O7晶体由中国科学院福建物质结构研究所的HUANG等人［43］利用柴氏拉晶法技术制得。对于E∥Y偏振，4F9／2→6H13／2跃迁在589nm下的发射截面高达1.27×10-21cm2。室温下晶体的导热系数为9.46W·m-1·K-1。实验结果表明，Dy3+∶Lu2Si2O7晶体是一种很有前途的固态589nm激光器增益介质。

综上所述，虽然至今未有半导体抽运掺Dy3+晶体的钠信标激光器的相关报道，但半导体抽运掺Dy3+晶体的黄光激光已被证实，并且已制备出直接辐射589nm谱线的掺Dy3+激光增益介质。

3 结束语

OP-VECSEL相比固体和光纤激光器的技术方案，具有体积小、效率高等优越性，应用在钠信标激光技术研究，是最有发展前景的钠信标激光源之一。但是，半导体激光器高功率运转时热效应严重，光束质量较差，且发射光谱较宽，难以满足产生高亮度钠导引星要求。因此，如何保证半导体激光器在高功率运转的同时，具有较好的激光光束质量和较窄的激光线宽，是目前亟需解决的科学技术问题。另一方面，对于半导体抽运掺Dy3+晶体的钠信标激光器，虽然至今没见报道过，但掺Dy3+晶体作为增益介质直接发射589nm激光的新晶体正在不断地被探索。对于上述掺Dy3+激光增益介质的研究，无论是从学术科研角度还是从工程应用角度，都具有很重要的意义。采用半导体抽运掺Dy3+激光介质，实现钠信标激光输出，可从根本上解决困扰全固态钠信标激光器稳定性、体积等问题，为钠信标激光器的进一步发展提供了另一种可能性。