直接激射中红外固体激光器研究进展

朱灿林,康民强,2,邓 颖,李威威,周 松,2,李剑彬,郑建刚,朱启华

(1.中国工程物理研究院 激光聚变研究中心,四川 绵阳 621900;2.中国工程物理研究院研究生院,北京 100088；3.武汉理工大学 材料复合新技术国家重点实验室,湖北 武汉 430070)

1 引 言

波长3～5 μm波段的中红外激光具有三大特性:位于大气透过率最高的传输窗口,H2O/CO2对此波段具有强吸收,热辐射的能量主要集中在此区域[1]。凭借这些特性,3～5 μm波段中红外激光在大气遥感、空间光通讯、气体检测、医疗手术等领域都有着广泛的应用前景,是激光领域中备受关注的一项技术[2-3]。

中红外激光的产生方式包括:①半导体激光器,包括量子阱激光器与量子级联激光器等；②气体激光器,包括卤化氢气体激光器和CO气体激光器等；③自由电子激光器；④随机激光器；⑤直接激射固体激光器；⑥基于非线性技术的中红外激光器[1]。其中,直接激射型固体激光器原理相对简单,结构轻巧,在高功率、高效率的激光输出方面具有一定的优势,一直是国内外学者研究的热点。

按照增益介质的种类划分,直接激射固体激光器又可以分为两类:一种是稀土离子掺杂的固体激光器；另一种是过渡金属离子掺杂的固体激光器[4]。本文将介绍这两类直接激射固体激光器近些年来的研究进展,并对它们的技术路线以及发展前景进行总结与展望。

2 稀土离子掺杂的固体激光器

稀土离子能级结构丰富,同一种离子通常有多个发射峰[1]。稀土离子可以掺杂在晶体、陶瓷以及光纤等多种基质中,其优越的光学性能使其成为了激光领域中的一种重要激活离子。可以直接发射产生3～5 μm波段中红外激光的稀土离子包括Er3+、Ho3+、Dy3+、Pr3+,下文将分别介绍这几种掺杂离子的特性以及对应激光技术的发展现状。

2.1 掺Er固体激光器

Er3+具有非常丰富的能级结构,能产生多种辐射波长。其中能产生3.5 μm激光的能级跃迁为4F9/2→4I9/2,由于其激光上能级位置远高于基态,采用直接泵浦的方式,量子亏损较大,量子效率较低。同时由于中间能级4I11/2的能级寿命较长,下能级的粒子吸收声子在此处累计,导致基态漂白,从而使直接泵浦的效率较低。直至2013年,Ori Henderson-Sapir首次采用了新的双波长泵浦方式,激光输出性能才有了突破性进展。

双波长泵浦如图1所示,即先采用985 nm的泵浦源P1将Er3+泵浦至4I11/2能级,由于该能级寿命较长,粒子容易在此积累。然后再利用1973 nm的泵浦源P2将这些粒子泵浦至上能级4F9/2,这些粒子产生3.5 μm的激光(图中L过程)再通过多光子衰减(图中MP过程)回到4I11/2,双波长泵浦的方式相对于直接泵浦(图中P过程)而言能有效地提升泵浦效率,Ori Henderson-Sapir采用这种方式在室温下获得了40 mW的输出,斜效率为37 %[3]。第二年,他在室温下采用Er∶ZBLAN光纤获得了260 mW的连续激光输出,光光转换效率为16 %,斜效率可达52 %,波长3.604 μm,为当时最长波长[4]。2017年,Frédéric Maes采用双波长泵浦的方式,并结合布拉格光栅,在1 mol %Er∶ZrF4玻璃光纤(5 m)实现了波长3.55 μm、输出功率5.6 W的连续激光输出,光光效率26.4 %[5]。2018年,ZhiPeng Qin等采用双波长泵浦方式,同时利用一个含有黑磷的饱和吸收体实现被动调Q和锁模,在1 mol % Er3+∶ZBLAN光纤中产生了3.5 μm的脉冲激光,其平均功率达到了120 mW,单个脉冲能量为1.83 μJ,脉宽2.05 μs,重复频率66.33 kHz[6]。

图1 双波长泵浦示意图[6]Fig.1 Diagram of dual-wavelength pumping[6]

2.2 掺Ho固体激光器

Ho3+也是稀土元素的一种,它的简化能级如图2所示,Ho3+中3.9 μm的辐射发生在5I5→5I6之间,目前通常有两种泵浦方式来产生3.9 μm的激光,一种是利用890 nm的泵浦源将基态5I8上的粒子激发至5I5,直接产生3.9 μm的辐射输出；另一种是利用530～550 μm波段的泵浦源将基态粒子激发至5S2能级,采用级联激光的方式,同时输出1.4 μm与3.9 μm的激光。

图2 Ho3+简化能级示意图Fig.2 Simplified energy level diagram for the Ho3+ ions

由于缺乏高功率泵浦源、吸收截面低(890 nm处吸收截面4.3×10-22cm2)、强的热猝灭以及激光自终止效应等,Ho离子3.9 μm激光研究进展缓慢,目前的研究成果在功率、效率等方面均不理想。1997年,德国的Schneider等在液氮温度下首次实现了Ho-3.9 μm激光输(对应大气窗口传输损耗极小波段),但输出功率仅11 mW[7]。近些年,InF3玻璃这一材料因其透过波长长(～5 μm)、声子能量低(509 cm-1),逐渐成为这一波段的主要基质材料。2015年,德国的Berrou采用889 nm激光泵浦10 % Ho∶InF3玻璃,首次实现了3.9 μm的脉冲激光输出[8]。2018年,加拿大的Maes等采用888 nm LD直接泵浦10 % Ho∶InF3光(23 cm),室温下首次实现了3.92 μm的连续激光输出,输出功率200 mW,这也是目前实现的最高值。此外,光-光效率达10.2 %,斜效率24 %,与理论的量子效率持平(23 %)[9]。

2.3 掺Dy固体激光器

Dy同样具有非常丰富的能级结构,其中6H13/2→6H15/2跃迁能覆盖3.0～3.3 μm波段的发光是中红外激光产生的一项重要手段。图3为Dy3+中6H15/2↔6H13/2对应的吸收谱和发射谱。该过程为基态与第一激发态之间的跃迁,吸收与发射谱高度重叠[10]。图4为Dy3+的简化能级结构示意图。从图4中可以看到1.1 μm、1.3 μm、1.7 μm以及2.8μm等多个波长的激光均可作为泵浦源。

图3 Dy3+中6H15/2↔6H13/2对应的吸收谱和发射谱[10]Fig.3 Absorption and emission cross sections of the 6H15/2↔6H13/2 transition of the Dy3+ ion[10]

图4 Dy3+的简化能级结构示意图[10]Fig.4 Simplified energy level diagram for the Dy3+ ion[10]

2016年,Matthew R.等采用2.79 μm的Er光纤激光器泵浦0.2 %Dy∶ZBLAN光纤(0.92 m),获得了3.04 μm连续激光输出,输出功率85 mW,斜效率51 %；当光纤长度增加到1.4 m时,输出波长为3.26 μm,输出功率120 mW,斜效率32 %,结果表明自吸收作用会对激光性能产生明显影响[10]。2018年,Matthew R.等利用1.7 μm拉曼激光泵浦,在0.2 %Dy∶ZBLAN光纤(0.6 m)中实现了2.8～3.4 μm(573 nm)的调谐激光输出。优化光纤长度后(0.26 m)获得最大输出170 mW,斜效率21 %,输出波长2.95 μm,同样存在激发态吸收问题[11]。同年,R.I.Woodward等采用2.79 μm的Er光纤激光器作为泵浦源结合飞秒直写布拉格光栅,在0.2 %Dy∶ZBLAN光纤(1.2 m)实现了1.06 W激光输出,斜效率达77 %,输出波长3.15 μm。采用带内泵浦的方式可以避免复杂的上转换过程,但光纤内部的热机械应力限制了功率的进一步提高[12]。2019年,Vincent Fortin等采用2.79 μm的Er光纤激光作为泵浦,在0.2 %Dy∶ZBLAN(5.5 m)中获得了连续激光输出,输出功率高达10.1 W,斜效率58 %,输出波长3.24 μm,且激光输出未饱和[13]。在脉冲输出方面也有相关研究,2019年,Yuchen Wang等用2.82 μm的Er光纤激光器泵浦,基于被动锁模的方式在掺 Dy的光纤中实现了脉冲宽度828 fs,平均输出功率204 mW的3.1 μm脉冲激光输出,重复频率可达42～60 MHz[14]。

另外,Dy离子6H11/2→6H13/2能级跃迁的中心波长位于4.36 μm,也能产生中红外激光。波长深入到4 μm之后,对基质的要求更高,氟化物玻璃因其声子能量和透过范围已不再适用,目前研究重点在Dy掺杂的硫系化合物玻璃(～300 cm-1)。由于同样存在激光自终止问题,目前在光纤中尚无激光的报道。这一波段的研究主要集中在Dy∶PbGa2S4(～200 cm-1)体系,单输出功率仅限于数十毫瓦量级,如表1所示。

表1 Dy3+掺杂的4.3 μm激光技术研究进展Tab.1 State of Dy3+-doped 4.3 μm lasers

Dy3+的上能级6H11/2寿命(1 μs)远小于下能级6H13/2寿命(500 μs),严重的自终止效应限制了发光功率的提升。2020年,中物院激光聚变研究中心的瞿崇兵、康民强等提出了利用双波长泵浦来去除自终止效应,产生高功率输出的方法。作者采用1.7 μm和2.3 μm的两束泵浦光对Dy∶InF3光纤进行抽运,原理如图5所示。1.7 μm泵浦光将Dy3+从基态抽运至上能级6H11/2,同时利用2.3 μm的泵浦光将下能级6H13/2上的粒子抽调去更高的能级,从而实现6H11/2和6H13/2能级之间的反转布局,有效地克服了自终止效应。经建模分析,当两个泵浦源的功率分别为17.5 mW和20 W时,输出功率可达到5.5 W,是产生高功率4.3 μm激光的一种可行方案[21]。

图5 双波长泵浦产生4.3 μm激光示意图[21]Fig.5 Diagram of dual-wavelength pumped 4.3 μm lasers[21]

2.4 掺Pr固体激光器

Pr离子能级结构非常复杂,具有各种能级宽度以及多种亚稳能级,产生的能级跃迁覆盖了紫外至中红外波段,如图6所示。

图6 Pr3+简化能级结构示意图[22]Fig.6 Simplified energy level diagram for the Pr3+ ion[22]

其中,处于中红外波段的跃迁包括3F3→3H6(4.8 μm),3H6→3H5(4.5 μm),3H5→3H4(4～5 μm),然而,激光上下能级寿命处于同一数量级,难以形成布居反转[22]。同时由于上下能级之间间距狭窄,不可避免的多光子弛豫会严重影响Pr离子的发光效率[28]。早期用于Pr掺杂的晶体材料通常为声子能量低的卤化物或者硫化物等非氧化物玻璃[29],但这些材料理化性质不稳定,容易出现潮解。这些问题制约了Pr离子掺杂激光器的发展,目前的研究主要集中在晶体材料的光谱及其潜在激光性能等方面,出光的报道较少。

2009年,A.Ferrier等人制备了一种Pr3+掺杂的不易潮解、非对称的单晶体Tl3PbBr5,这种晶体在4.7 μm附近有一个宽的发射带宽以及长的上能级寿命,作者认为这种材料未来将是一种优秀的中红外激光材料[23]。2012年,.Sójka等人建立了数学模型来研究Pr3+掺杂的硫化物光纤,结果表明当光纤损耗能降到1 dB/m时,可以利用2.04 μm的激光泵浦产生4.89 μm的输出,效率约为8 %～16 %[24]。2019年,Hua Chen等人利用Pr掺杂的光纤实现了4.89 μm的激光输出,其中泵浦源波长2.04 μm,增益介质为掺Pr的GAGS(Ge10As24Ga4Se62)光纤,输出功率达到了1.28 W,效率为25 %[25]。

3 过渡金属掺杂的固体激光器

Tm2+(二价过渡金属离子)掺杂的Ⅱ～Ⅵ族硫化物晶体是目前中红外激光增益介质的重要研究对象和发展方向。这种晶体材料具有以下优点:①Tm离子能级分裂带隙小,其跃迁谱线能延伸至中红外波段；②激发态吸收过程少；③强的电声子耦合,使得TM2+谱带展宽,适于宽带调谐和飞秒激光；④无辐射跃迁过程少,室温下有较高的量子荧光效率；⑤化学性质稳定(几乎不含其他价态),非中心对称的四面体中心格位使吸收/发射截面大(10-18cm2量级)；⑥高质量单晶制备较困难,但多晶可采用CVD大量低成本制备,且光学性能与单晶几乎无差别[26]。这类材料主要包括Cr(或Fe)掺杂的二元(ZnSe、ZnS、CdSe、CdS、ZnTe)以及三元(CdMnTe、CdZnTe、ZnSSe)硫系晶体,其中又以Fe∶ZnSe最受关注。

Fe∶ZnSe晶体中中红外波段激光的产生基于3d6电子5T2(第一激发态)→5E(基态)能级跃迁过程,具有以下优点:①发射光谱为3.1～5.1 μm,可调谐带宽宽;②吸收/发射截面大(0.97×10-18cm2/1.4×10-18cm2)；③室温下荧光效率高(理论上可达100 %)。但Fe2+上能级寿命低(77 K下寿命为57 μs,常温下寿命降至0.3 μs),因声子能量高引起的无辐射跃迁效应明显,因此只能采用窄脉宽光源抽运,且难以实现室温大能量输出。

1999年,美国Adams等在低温环境下首次实现了Fe2+∶ZnSe(2 mm×10 mm×10 mm)晶体的激光输出。实验采用Er∶YAG(2.698 μm,48 μs,100 Hz,150 μJ)作为泵浦源,激光波长随着温度升高发生红移,从15 K/3.98 μm到180 K/4.54 μm,在130 K时获得最高12 μJ、48 μs的脉冲激光,斜效率最高8.2 %[27]。2011年,NoSoung Myoung等利用增益可调的Er∶Cr∶YSGG激光器(2.8 μm)作为泵浦源,在236 K和300 K的温度下分别实现了4.3 μm/4.37 μm的输出,能量为4.7 mJ/3.6 mJ,效率分别为19 %/16 %[28]。2014年,S.D.Velikanov等利用HF激光器作为泵浦源实现了125 ns脉宽,30.6 mJ的脉冲输出,波长为4.6～4.7 μm[29]。2017年,Velikanov等又将输出脉冲能量和平均功率提升至1.67 J和20 W。HF 激光器输出的波长范围2.6～3.1 m,脉宽 100～150 ns,不仅与室温下Fe∶ZnSe的吸收特性完美匹配,而且可以高重频运行,是一种优秀的泵浦源,但其体积庞大,价格昂贵,限制了它的发展[30]。2020年,A.V.Pushkin等首次制成了飞秒锁模Fe∶ZnSe激光器,他用石墨烯作为饱和吸收体来实现被动锁模。激光器结构如图7所示,其中泵浦源为Er∶ZBLAN激光器(2.8 μm,7 W),输出波长4.4 μm,重复频率100 MHz,脉冲宽度为732 fs,输出功率可达415 mW[31]。

图7 30.6 mJ输出的HF激光泵浦的Fe∶ZnSe激光器[29]Fig.7 30.6 mJ,Fe∶ZnSe laser pμmped by HF laser[29]

图8 首台飞秒锁模Fe∶ZnSe激光器[31]Fig.8 Femtosecond graphene mode-locked Fe∶ZnSe Laser[31]

表2列出了目前Fe∶ZnSe激光器的主要研究进展。

表2 Fe∶ZnSe激光器的主要研究进展Tab.2 Research progress of Fe∶ZnSe laser

4 总结与展望

直接激射固体激光器中增益介质可分为稀土离子掺杂的基质材料和过渡金属离子掺杂的基质材料。

稀土离子能级结构丰富,同种离子具有多个发射峰,能实现多波长激光输出。目前在Er3+、Ho3+、Dy3+中已实现了不同波段的输出,Pr3+中出光的报道仍较少。稀土离子中激光上能级寿命通常远小于下能级,存在严重的自终止效应,限制了其实现高功率、高效率输出,目前可以通过共掺杂、双波长泵浦等方法来改善这一问题,如在Dy3+中采用双波长泵浦可以有效去除自终止效应,是后续产生高功率中红外输出的一种可靠的途径。另外基质材料损伤阈值低、热性能差、稳定性不好也是制约功率提升的问题所在,制备合适的基质材料也是目前急需解决的关键问题。

过渡金属离子掺杂的基质材料以Fe∶ZnSe为主要代表,具有可调谐带宽宽、荧光效率高、低无辐射跃迁等优点,可用于可调谐输出和超快输出,目前已实现了单脉冲能量和平均功率1.6 J和20 W的输出,而在超短脉冲方面,也已实现了飞秒级的输出。但缺乏合适泵浦源,室温下上能级寿命大幅降低,难以实现大能量输出等一系列问题,也在制约着其进一步发展。

直接激射固体激光器原理简单,结构简洁轻巧,虽然目前还存在一些问题,但我们有理由相信,随着基质材料、高效泵浦源、激发方式等的不断发展,直接激射固体激光器的潜力会被进一步发掘,推动中红外激光器朝更高功率,更高效率发展。