中国科研团队实现室温下掺钬复合碟片激光器

　　本刊编译整理

　　工作在2μm光谱范围内的激光器，由于对眼睛安全、较高的水吸收系数和在大气中的低衰减，可用于激光加工、激光手术、遥感等领域，因此，这类激光器引起了科学和工业界的极大兴趣。不久前，中国科学院西安光学精密机械研究所（以下简称“研究所”）副所长付玉喜研究员领衔的研究团队，公布了一项关于新型掺钬激光器的最新研究成果。该激光器的发射波长接近2μm，未来可为医疗和材料加工应用领域，提供一种新型紧凑的经济型光源。

　　研究论文发表在《光学快报》杂志上。研究人员使用了波长为1940nm的掺碲光纤激光器，来泵送薄盘掺钬氟化钇锂（Ho:YLF）晶体。论文报告说，在波长约为2060nm处，连续波、近衍射限制的输出达到了26.5W的最大值。这也是业界首次实现室温下Ho:YLF复合碟片激光器。

　　背景介绍

　　自1962年Johnson等人的开创性工作以来，钬（Ho3+）离子已成为2μm波长范围内激光器的首选增益介质。虽然低温冷却能有效提高性能，但成本高、操作复杂、维护难度大。相比之下，能够在室温下稳定运行的2μm激光器则具有显著优势。

　　它们特别适用于便携式和紧凑型激光系统，可满足对高效、低维护和高性价比解决方案日益增长的需求。此类系统对于工业材料加工、激光手术以及在空间受限环境中的操作（包括机载系统和其他移动平台）等应用，至关重要。

　　与传统棒状或板状激光器相比，薄盘几何形状在室温操作优势的基础上进一步减轻了热效应。薄盘激光器现已被公认为重要的多功能工具，尤其是在利用Yb3+离子的1μm波长范围内取得了重大进展。然而，在2μm波长范围内取得的进展仍处于早期阶段。

　　氟化钇锂（YLF）是一种理想的主晶体，具有多声子弛豫低、激发态寿命长、热光学性能良好（尤其是天然双折射和负热折射率）等优点。当与带内泵浦（泵浦波长与激光介质的吸收带密切匹配）相结合时，Ho:YLF可减少量子缺陷加热，提高整体效率。这些优点及其固有特性，使Ho:YLF用于苛刻条件下实现高光束质量和高效运行的薄盘激光器。

　　然而，其相对较低的硬度给晶体加工带来了挑战，尤其是在厚度为数百微米的薄盘制造方面。此外，薄盘晶体中的放大自发辐射效应（ASE）也阻碍了孔径扩展和增益存储性能。为了解决这些局限性，这项研究引入了一种复合薄盘设计，即在掺杂Ho:YLF盘上扩散粘合一层未掺杂的YLF盖层。

　　这种配置提高了机械强度，减轻了ASE的不利影响。研究团队提出的方法不仅简化了薄盘的制造，还为克服室温运行下的功率限制提供了一条可行途径。

　　复合薄盘设计

　　与传统实心棒激光器相比，薄盘激光器的直径与厚度比更大，可在整个盘厚度上形成一维温度梯度，从而实现低热透镜效果。考虑到YLF是硬度相对较低的单轴晶体，薄盘晶体被加工成方形截面。图1展示了复合薄盘的几何形状。热加载增益片由掺杂2%的Ho:YLF层组成，作为活性增益介质，并扩散粘合到未掺杂YLF的指数匹配盖层。未掺杂盖层的作用是增强机械强度和抑制晶体中的ASE。

　　由于晶体的折射率高于空气的折射率，因此存在全内反射的临界角。当入射角超过临界值时，抗反射涂层表面将完全反射，从而导致光子在晶体内振荡，增强ASE效应。在本项研究中，为了提高机械强度和减轻ASE效应，研究团队考虑到全内反射的临界角，并对复合薄盘设计进行了优化。

　　实验方法

　　图2是基于多通道泵浦结构和复合薄盘激光头，自制的Ho:YLF薄盘激光系统示意图。复合薄盘结构由尺寸为8mm×8mm×0.5mm、掺杂浓度为2% Ho3+的切割Ho:YLF激光晶体组成。薄盘的后表面镀有宽带高反射（HR）层，有效波长从1900nm-2100nm，覆盖了泵浦波长和发射波段。

　　选择碳化硅（SiC）作为散热器的原因是其导热性能高，成本低廉，尺寸较大。然后使用厚度小于100微米的金属铟层将涂层表面焊接到水冷碳化硅上，从而有效降低激光介质与散热器之间的热阻。多路泵浦系统包括一个抛物面反射镜和两个45°棱镜对。激光器使用来自150W掺铥光纤激光器的非偏振光，泵浦波长为1940nm。泵浦光束的直径通过一个非聚焦变焦望远镜进行调节。

　　泵浦辐射的吸收是通过一个泵浦模块实现的。该模块将泵浦光束穿过晶体12次，其中6次反射发生在薄盘的后表面。使用热像仪监测薄盘的表面温度，同时将晶体的水冷温度保持在 12℃，将泵浦激光器的水冷温度保持在17℃，以确保最佳的吸收效果。

　　在通过Ho:YLF晶体12次后，当泵浦光斑尺寸为1mm、1.4mm和1.8mm时，测量到的吸收效率分别为49.7%、56.4%和58.9%。为了进一步提高吸收效率和整个系统的性能，未来将对多通道泵系统进行升级，以支持更多通道。为了研究激光发射的特性，研究人员使用了单通道增益配置的平面凹面谐振器，凹面输出耦合器的曲率半径为500mm，最佳输出耦合度为3%。

　　泵浦光斑尺寸为1mm、1.4mm和1.8mm时，激光模式与泵浦模式的重叠率分别约为82%、60%和47%。

　　连续波激光结果

　　图3（a）中显示了不同泵浦直径（1mm、1.4mm和1.8mm）的功率和效率与吸收泵浦功率的函数关系。当泵浦直径为1.8mm时，输出功率达到最大值26.5 W，对应的光学效率约为38.1%，斜率效率为42%。在实验中，激光输出为π偏振，在所有条件下都与晶体的c轴平行。

　　图3（b）显示了不同泵浦直径下输出功率随温度的变化。使用热像仪直接获取了Ho:YLF薄盘的热图像，插图显示了在泵浦直径为1.4mm时峰值温度为50.7℃、输出功率为20W的典型结果。在吸收的泵功率密度为4.5kW/cm2时，测得的最高温度为62.6℃。比较不同泵浦尺寸的输出特性发现，在相同输出功率下，泵浦直径越大，晶体温度越低。

　　这表明，增加泵浦光斑尺寸和泵浦功率可以进一步扩大输出功率。本实验中使用的复合薄盘的盖层设计可有效衰减泵浦直径达4mm的ASE。在这些条件下，保持足够的泵功率密度，理论上可支持输出功率超过100W的室温操作。

　　如图4所示，使用分辨率为0.01nm的光学光谱分析仪测量了泵浦和发射光谱。每个光谱代表5次测量的平均值。泵浦源光谱的中心波长为1939.96nm，半最大值全宽（FWHM）为0.9 nm。图4（b）描述了2%掺杂Ho:YLF复合薄盘的激光发射光谱。在连续波工作模式下观察到了多波长发射，这归因于晶体正反面之间的反射所产生的等离子体效应。

　　光束质量因子M2，是通过将光束传播方程与测量的激光光束半径进行拟合而确定的。结果表明，在水平和垂直方向上，M2分别为1.12和1.09，如图5（a）所示。使用功率计对输出功率为26W时的功率稳定性进行了评估。如插图所示，该系统表现出出色的长期稳定性，相对标准偏差为0.35%，并且在长时间内性能始终如一。

　　图5（b）显示了使用中红外激光光束轮廓仪记录的不同位置的光束轮廓。在整个运行过程中，Ho:YLF振荡器保持了TEM00的光束轮廓。在光束中观察到轻微的散光，这可能是由于 Ho:YLF晶体的各向异性导致的散光热透镜造成的。

　　结论与展望

　　通过研究，研究人员展示了第一台在室温下工作的Ho:YLF复合薄盘激光器，其最大输出功率达到26.5W，斜率效率为4%。在整个连续波运行过程中，保持了接近衍射极限的光束质量和稳定的长期性能。为了增强机械强度并抑制ASE效应，研究人员在考虑全内反射临界角的基础上对复合薄盘的尺寸进行了精心优化。

　　此外，研究人员还对2 %掺杂的Ho:YLF晶体的发射截面和荧光寿命，进行了详细研究。荧光衰减曲线表现出双指数行为，这主要归因于辐射捕获效应。需要进一步努力扩大输出功率，可以通过优化晶体的掺杂浓度和厚度、增加泵通过次数、加强散热策略，以及进一步提高泵功率来实现。未来，研究团队还需要对Ho:YLF复合薄盘放大器的性能进行研究。

　　研究结果凸显了Ho:YLF薄盘在开发室温下运行的高质量、高效率和紧凑型2μm激光源方面的巨大潜力，可应用于精密材料加工、激光手术和遥感等领域。此外，Ho:YLF晶体的大带宽为在2μm波长下产生高平均功率和高脉冲能量的太瓦级飞秒脉冲，提供了前景广阔的途径。

　　这种能力，还有助于高功率单周期远红外飞秒激光脉冲生成，以及软X射线系统中的高通量阿秒脉冲产生等应用。