中红外Fe:ZnSe激光技术最新研究进展

3~5 m中红外激光处于大气传输窗口,在分子光谱学、环境遥感、工业加工、空间通讯、光电对抗等领域有重要的应用前景。过渡金属掺杂II-VI族硫化物晶体可以直接实现中红外激光输出,是最有前途的技术途径之一。具有优良物理特性和光谱特性的Fe:ZnSe晶体是高效、宽带可调谐中红外激光介质的有力竞争者,介绍并分析了Fe:ZnSe晶体的光谱特性及其制备方法,综合评述了Fe:ZnSe激光技术的发展历程和最新研究进展,指出制备高光学质量的Fe:ZnSe晶体和研制3 m波段高效、高能窄脉冲泵浦源是发展实用室温Fe:ZnSe激光器当前面临的挑战。并对实现室温高能、高功率Fe:ZnSe激光的关键问题进行了讨论。     

Fe2+∶ZnSe激光晶体光学吸收及激光输出性能

采用热扩散掺杂技术制备了Fe2+∶ZnSe晶体,测试晶体样品中铁离子浓度达1.27×1018cm-3。分析了Fe2+∶ZnSe晶体光谱的光学吸收特性,在室温条件下,采用2.90μm激光器泵浦Fe2+∶ZnSe晶体,获得了中心波长4.45μm,平均功率67 mW的中红外激光输出。     

焦耳级大能量中红外固体Fe∶ZnSe激光器

为实现焦耳级大能量中红外4～5μm波段激光输出，基于波长为2.94μm的Er∶YAG激光泵浦源和液氮恒温控制器，搭建了固体Fe∶ZnSe激光器实验装置，研究了温度和晶体参数对Fe∶ZnSe激光器输出时域波形及能量的影响。闪光灯泵浦的Er∶YAG泵浦激光时域波形展现出固体激光典型的弛豫振荡现象，Fe∶ZnSe激光脉冲波形与泵浦激光波形保持强相关性，且单个尖峰脉冲宽度随温度的升高而变小。在低温79 K条件下，当Er∶YAG泵浦能量为2.75 J时，实现了Fe∶ZnSe激光1.04 J大能量输出，对应的斜率效率和光光转换效率分别为36.4%和37.8%，激光中心波长为4.1μm。在热电致冷可达的240 K温度条件下，当泵浦能量为500 mJ时，Fe∶ZnSe激光的能量输出为50 mJ，激光中心波长为4.4μm。研究结果为焦耳级大能量中红外固体激光器的研制提供了参考。     

2μm波段陶瓷激光器的进展

介绍了在2μm波段陶瓷激光器的实验研究进展,主要包括高功率、高效率的Tm:YAG陶瓷激光器,半导体直接泵浦的Ho:YAG陶瓷激光器和Tm光纤激光泵浦的Cr2+:ZnSe烧结成型的陶瓷激光器,这些激光器的输出涵盖了2~2.4μm波段。由于2μm波段的激光陶瓷具有较长的上能级寿命和相对较低的声子能量,不仅在连续波输出时,而且在脉冲输出时具有潜在的高转换效率。还讨论了2μm波段陶瓷的光谱特性,以及这些特性对于2μm波段激光输出性能的影响。     

65mJ室温Fe~(2+):ZnSe中红外激光器

Fe~(2+):ZnSe晶体作为3~5μm波段极具潜力的中红外激光介质之一,在材料特性和转换效率等方面具有明显优势。对Fe~(2+):ZnSe晶体的吸收特性进行了研究,利用自制放电引发的非链式脉冲HF激光抽运Fe~(2+)掺杂浓度为4×1018 cm~(-3)、尺寸为10mm×10mm×5mm的Fe~(2+):ZnSe晶体,在室温下获得了65mJ的高能量Fe~(2+):ZnSe中红外激光输出,光光转换效率为31%,输出激光能量相对于晶体吸收抽运光能量的斜率效率可达37%。     

基于Fe2+∶ZnSe粉末的4.45 μm中红外随机激光

利用Fe2+∶ZnSe微米粉末产生了4.45 μm的中红外随机激光。通过气相热扩散法制备了Fe2+离子掺杂的ZnSe多晶块体,将制得的块体研磨成尺寸在10~50 μm的微米粉末。X射线衍射(XRD)结果表明这些Fe2+∶ZnSe粉末具有与ZnSe块体相同的立方闪锌矿结构,Fe2+离子的引入没有改变ZnSe的晶体结构。在2.94 μm的脉冲激光泵浦下,研究了室温下Fe2+∶ZnSe粉末的光致发光特性和发光脉冲的时间特性。随着泵浦能量增加,光谱发光强度发生跃变,光谱线宽从500 nm减小到50 nm,脉冲时间从270 ns减小到50 ns。当泵浦能量高于2 mJ/pulse的阈值时,观察到中心波长4.45 μm的中红外随机激光。这种中红外随机激光器在红外标记、光通信、分子光谱测量等领域有很好的应用前景。     

瓦级高效率中红外全固态3.8μm连续波Fe∶ZnSe激光器

报道了瓦级高效率中红外3.8μm连续波全固态激光器。采用自行研制的波长为2.8μm的光纤激光器泵浦Fe∶ZnSe晶体,并通过液氮对晶体进行制冷,获得了中心波长为3.8μm的连续激光输出。激光器的最大输出功率为0.97 W,斜率效率达到38.6%,泵浦阈值约为0.4 W。     

基于Fe2+:ZnSe微米粉末嵌入ZBLAN玻璃的4.32 μm中红外随机激光

在室温下制备了基于Fe2+:ZnSe微米粉末嵌入ZBLAN(ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF)玻璃的中红外随机激光器,随机激光的中心波长约为4.32μm。Fe2+:ZnSe微米粉末的平均晶粒尺寸为3.54 μm,XRD结果表明Fe2+:ZnSe微米粉末为立方闪锌矿结构。在2.94 μm纳秒脉冲激光泵浦下,随机激光的阈值为557.89 mJ/cm2。随着泵浦能量的增加,随机激光多纵模的特点也随之出现。泵浦能量超过阈值后,随机激光的光谱线宽为10 nm,脉冲宽度为50 ns。这项工作为获得稳定的中红外激光源提供了一种简单而经济的方法,将粉末嵌入固体基质中可以对粉末起到稳定的作用,这种方法在制备中红外光子器件和光纤激光器上具有潜在前景。     

LD泵浦的1.3at.%Er3+: CaF2中红外高功率固体激光器（特邀）

3 μm波段激光是高精度外科手术的理想光源,也可作为长波中红外光参量振荡器的有效泵浦源。LD直接泵浦Er3+掺杂晶体是获得2.7~3 μm波段中红外激光的有效技术途径,具有成本低、结构紧凑简单等优点。由于Er3+ 2.8 μm激光下能级阻塞问题,一般需要高浓度掺杂,但高浓度掺杂易引起强烈的光吸收,增强了激光晶体的热效应,从而阻碍了激光功率的提升。低声子能量的氟化钙晶体特有的萤石型结构使得三价稀土离子极易形成“团簇”,将低浓度Er3+掺杂到氟化钙晶体中即可获得高效率的中红外激光增益介质。笔者课题组使用温度梯度法成功生长了低浓度掺杂1.3at.%Er3+: CaF₂激光晶体,利用LD直接泵浦获得了2.2 W的中红外激光输出,这是目前利用LD端面泵浦同类晶体中的最高中红外激光输出功率。同时,文中还对上转换泵浦方式下该晶体的2.8 μm激光特性进行了研究。实验结果表明,低浓度掺杂的1.3at.%Er3+: CaF₂晶体是一类具有产业化前景的中红外激光材料,有望推动长波中红外激光器向着结构紧凑、成本低的方向发展。     

中红外固体激光技术研究进展

波长在3～5mm波段的中红外激光由于处于大气窗口波段,同时又是众多原子及分子的吸收峰,因此在光谱学、医学、通信、遥感、环境监测及红外对抗领域有着广泛而重要的应用前景。目前,固体激光器实现中红外激光输出的途径按照工作介质划分主要包括以Fe:ZnSe晶体为代表的过渡金属掺杂硫族化合物激光器、以MgO:PPLN晶体为代表的光参量振荡器,及以ZGP晶体为代表的光参量放大器3种类型。本文分别介绍它们的技术路线及近年来的最新研究进展,讨论了高能高功率中红外固体激光器的关键技术问题,并对其发展趋势进行了展望。     

Fe:ZnS/ZnSe中红外固体激光器研究进展

高性能中红外激光在军事对抗、生物安全、环境科学等领域有重要的应用价值。Fe:ZnS/ZnSe具有长输出波长、宽吸收带和发射带的特点,是实现高性能、宽调谐3μm~5μm激光输出的最有效激光介质。介绍了Fe:ZnS/ZnSe的光谱和热动力学特性,评述了Fe:ZnS/ZnSe在低温和常温下激光输出性能方面的最新进展,分析了Fe:ZnS/ZnSe激光器在功率、能量提升以及室温运转方面面临的科学挑战。     

3.77-5.05-/spl mu/m tunable solid-state lasers based on Fe/sup 2+/-doped ZnSe crystals operating at low and room temperatures

Spectroscopic properties and lasing of Fe:ZnSe and co-doped Fe:Cr:ZnSe crystals in the mid-infrared spectral range were studied at room and low temperatures. Using a free-running Er:YAG laser as a pump source, the output energy of the thermoelectrically cooled Fe:ZnSe laser was 142 mJ with 30% slope efficiency at T=220 K. Passive Q-switched oscillation of Er:YAG laser with Fe:ZnSe crystal was demonstrated and used as a pump source for a Fe:ZnSe laser system. Room-temperature (RT) gain-switched lasing of Fe:ZnSe was achieved in microchip and selective cavity configurations using Q-switched Er:YAG and Raman-shifted Nd:YAG lasers as pump sources. The microchip laser threshold of 100 mJ/cm/sup 2/ was demonstrated using a Fe:ZnSe crystal without any reflection coatings. A slope efficiency of 13%, oscillation threshold of 1.3 mJ, and tunable oscillation of Fe:ZnSe laser systems over 3.95-5.05 /spl mu/m spectral range were realized at RT.     

Transition metal-doped zinc chalcogenides: spectroscopy and laserdemonstration of a new class of gain media

The absorption and emission properties of transition metal (TM)-doped zinc chalcogenides have been investigated to understand their potential application as room-temperature, mid-infrared tunable laser media. Crystals of ZnS, ZnSe, and ZnTe, individually doped with Cr²⁺, Co²⁺, Ni²⁺, or Fe²⁺ have been evaluated. The absorption and emission properties are presented and discussed in terms of the energy levels from which they arise. The absorption spectra of the crystals studied exhibit strong bands between 1.4 and 2.0 μm which overlap with the output of strained-layer InGaAs diodes. The room-temperature emission spectra reveal wide-band emissions from 2-3 μm for Cr and from 2.8-4.0 μm for Co, Cr luminesces strongly at room temperature; Co exhibits significant losses from nonradiative decay at temperatures above 200 K, and Ni and Fe only luminesce at low temperatures, Cr²⁺ is estimated to have the highest quantum yield at room temperature among the media investigated with values of ~75-100%. Laser demonstrations of Cr:ZnS and Cr:ZnSe have been performed in a laser-pumped laser cavity with a Co:MgF₂ pump laser. The output of both lasers were determined to peak at wavelengths near 2.35 μm, and both lasers demonstrated a maximum slope efficiency of approximately 20%. Based on these initial results, the Cr²⁺ ion is predicted to be a highly favorable laser ion for the mid-IR when doped into the zinc chalcogenides; Co²⁺ may also serve usefully, but laser demonstrations yet remain to be performed     

Cr2+:ZnSe的激光输出和调谐性能

Cr2 :ZnSe具有很宽的吸收带和发射带,是中红外波段优秀的可调谐激光材料.从吸收光谱、发射光谱以及角度调谐输出对Cr2 :ZnSe晶体的激光输出性能进行了研究.采用真空高温扩散法制备Cr2 :ZnSe晶体,获得了高浓度的Cr2 离子掺杂的厚1.7 mm,直径10 mm的薄片ZnSe晶体.使用中心波长2.05 μm,最大输出功率8 W的Tm离子掺杂的光纤激光器抽运,使用平凹腔结构搭建谐振腔,获得了最大平均功率1.034 W,中心波长2.367 μm,线宽10 nm的连续激光输出.利用角度调谐的方法,对Cr:ZnSe晶体的调谐性能进行了研究,在100 nm范围内获得了调谐输出.     

窄线宽1064 nm掺镱光纤激光器泵浦MgO:PPLN中红外光学参量振荡器研究

提出了一种基于1064 nm掺镱光纤激光器泵浦MgO:PPLN的3.83 μm中红外光学参量振荡器。基于单谐振光学参量振荡器的阈值理论和线宽压窄前后的光束能量集中性理论,分析了不同泵浦光束聚焦深度下,谐振腔内光束分布情况以及线宽调制前后能量的不同集中程度对阈值和光-光转换效率所产生的影响。通过采用单个光纤布拉格光栅的方式压窄了泵浦光线宽,对比分析了在不同占空比下,泵浦光线宽压窄前后对中红外光学参量振荡器输出特性的影响。当泵浦功率为18 W,脉冲激光占空比为0.2%,脉宽为100 ns,泵浦光线宽为2.5 nm时,MgO:PPLN中红外光学参量振荡器获得功率为1.42 W的3.83 μm激光输出,光-光转换效率为7.9%。将线宽压窄到0.1 nm后,脉宽为2 ns,MgO:PPLN中红外光学参量振荡器获得最高功率为1.98 W的3.83 μm激光输出,光-光转换效率为11%,光束质量M2=1.89;同时相比于线宽压窄前激光输出效率提高了39.2%。     

2.4 μm波段全正色散飞秒克尔透镜锁模激光器（特邀）

2 μm波段的飞秒激光光源在高分辨分子光谱学、中红外光学频率梳产生和超宽光谱的中红外光源产生等方面都具有重要的应用价值。Cr: ZnS/ZnSe具有很宽的发射峰,使其成为该波段产生宽光谱短脉冲中红外飞秒激光的重要材料。全正色散锁模的飞秒激光由于更容易实现较短的脉冲宽度与较高的峰值功率而受到青睐。文中在Cr: ZnS上实现全正色散条件下的克尔透镜锁模运转。在5.1 W的泵浦功率下实现波长覆盖范围2.0~2.7 μm,平均功率660 mW,脉冲宽度37 fs的稳定锁模脉冲输出,这是首次在Cr: ZnS中实现全正色散锁模运转的固体激光器。Cr:ZnS 全正色散锁模的飞秒激光器在高分辨分子光谱学、宽光谱中红外光光源产生等方面具有广阔的应用前景。     

Nd^3＋：GdAl3（BO3）4晶体的蓝绿色激光特性

我们用K2Mo3O10-B2O3助熔剂生长出尺寸为35mm的优质Nd^3 :GdAl3(BO3)4激光晶体,测定了偏振的吸收和发射光谱。加工出长度为4．60mm的激光器件,用染料激光器泵浦,通过晶体的自倍频得到119．5μJ的绿色激光输出,光－光转换效率为4．3％;通过晶体的自和频得到445μJ的蓝色激光输出,光－光转换效率为7．3％。     

小型化高光束质量MgO: PPLN中红外光参量振荡器

为满足中红外激光的工程应用需求,研制了基于MgO: PPLN晶体的小型化高光束质量中红外光参量振荡器（MgO: PPLN-OPO）。泵浦源采用声光调Q Nd: YVO₄激光器,通过泵浦MgO: PPLN晶体,获得了高效率、高峰值功率中红外激光输出,在MgO: PPLN-OPO谐振腔中加入光阑,有效提高了中红外激光光束质量,整个激光器采用热电制冷与风冷相结合的散热方式,实现了激光器的小型化。实验结果表明:采用无水冷的声光调Q Nd: YVO₄激光器能够实现最高9.3 W的1.064 μm脉冲激光输出,光光转换效率为27.2%,峰值功率可达~27.5 kW;在Nd: YVO₄激光器泵浦下,MgO: PPLN-OPO实现了3.765 μm脉冲激光输出,在谐振腔中加入光阑后,MgO: PPLN-OPO的最高输出功率由1.20 W略降至1.08 W,但光束质量有明显提高,M_x2和M_y2因子分别从1.89和1.98优化至1.20和1.29,中红外激光脉冲宽度为8.4 ns,峰值功率达到~4.3 kW。