高功率Ho:YAG激光器及其泵浦的磷锗锌、硒镓钡和硒化镉中长波红外非线性光学频率转换研究进展

2μm、中波红外（3～5μm）和长波红外（8～12μm）波段位于大气传输窗口和人眼安全范围内,涵盖众多气体原子和分子的共振吸收峰,在光谱学、遥感、通信、地球大气环境监测和光电对抗等领域具有重要的应用价值。目前,获取中长波红外波段激光的方法分为线性和非线性两种。首先分析了两种方法在中长波红外激光领域的国内外最新研究进展。之后详细地介绍了哈尔滨工业大学可调谐（气体）激光技术国家级重点实验室在非线性光学频率转换领域近三年取得的研究成果,包含Ho∶YAG调Q激光器及其泵浦的磷锗锌（ZnGeP₂, ZGP）、硒镓钡（BaGa₄Se₇, BGSe）和硒化镉（CdSe）三种非线性晶体在中长波红外非线性光学频率转换器中的应用。相信随着2μm超短脉冲激光器的发展,高功率超短脉冲中长波红外激光技术会成为未来的研究热点。     

GSA和ESA双波长泵浦2.3 μm波段Tm:YAP激光器

Tm³⁺离子³F₄能级的粒子数捕获效应是影响2.3μm掺铥激光器高效运转的重要因素。报道了基态吸收（GSA,³H₆→³H₄）和激发态吸收（ESA,³F₄→³H₄）双波长泵浦2.3μm波段Tm∶YAP激光器。使用785 nm（GSA）和1470 nm（ESA）双波长泵浦方案能够精准减少³F₄能级的粒子数,有效增加³H₄能级粒子数布居。在双波长泵浦沿a轴切割的Tm∶YAP晶体中,使用透过率T=1.5%的输出镜,2274 nm和2383 nm双波长激光最大输出功率为2.28 W,相比于单波长泵浦方案提高了65.2%。使用T=2.8%输出镜,2383 nm激光的最大输出功率为942 mW,较单波长泵浦方案提高了84.3%。通过采用特殊镀膜的输出镜,进一步实现了2446 ...     

1.3μm Nd:YAG脉冲激光器

Nd:YAG激光器大都工作于1.06μm波长,为了扩展Nd:YAG激光器的输出波长,我们研究了Nd:YAG激光晶体在室温下另一四能级系统4F_(3/2)→4I_(13/2)发射波长1.3μm的激光特性。关于该波长的连续运转特性,国内、外都曾有过研究报道。这里报道的是脉冲运转特性的实验研究。 一、实验装置 由于室温下Nd:YAG晶体中1.06μm谱线的荧光强度比1.3μm谱线大,所以一般总是1.06μm谱线首先起振。要获得1.3μm激光振荡输出,必须抑制1.06μm激光振荡,并选择适当的谐振腔镜透过率,使1.3μm激光获得足够的增益,实现其振荡输出。     

纯石英光纤实现4.8μm激光输出

<正>中红外波段光纤激光器在通信、遥感和光电对抗等诸多领域中具有重要的应用价值，是国内外激光领域的研究热点。基于软玻璃光纤的稀土掺杂型激光器一直以来都是实现中红外波段输出的有效手段。但受限于软玻璃光纤的制备工艺和有限的稀土离子种类，传统的实芯光纤激光器在波长拓展和功率提升方面遇到了瓶颈，实现4μm以上激光输出困难很大。空芯光纤气体激光器的出现为中红外波段输出的实现提供了一种新途径。2019年，国防科技大学基于充有CO₂气体的空芯光纤气体激光器获得了4.3μm波段的激光输出；2022年，国防科技大学进一步利用充有HBr气体的空芯光纤气体激光器实现了3.80～4.49μm波段宽调谐激光输出。     

InGaAsP/InP双异质结的V—I特性

一、引言随着光纤通信技术的发展,处于1—1.6μm波长范围的半导体InGaAsP/InP双异质结(DH)激光器越来越受到人们的重视,因为在这个波段,石英玻璃光纤在1.3μm和1.55μm有较小的损耗窗口和色散。异质P—N结是半导体激光器的主要结构,而V—I特性是表征P—N结的基本特性之一。影响P—N结特性的因素较多,如材料组分,掺杂浓度、晶体完整性等。本文着重研究了1.3μm、1.55μmInGaAsP/InP DHLD的V—I特性与材料组分、掺杂浓度的关系,并对测量结果进行分析讨论。     

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。     

非线性光学晶体RbTiOAsO4 和KTiOAsO4 的角度调谐分析

利用Cauthy和Sellmeier方程,对0. 355μm、0. 532μm和1. 064μm作非线性光学晶体 RbTiOAsO4 和KTiOAsO4 光参量激光器进行了数值模拟计算,得出了在Ⅰ类和Ⅱ类相位匹配下角度调谐曲线,获得的RbTiOAsO4 晶体是一种优质的近中红外透光波段的非线性晶体。     

光通信用长波长光电器件市场新动向

近年来,由于光纤通信迅速向以1.3、1.5μm波段为中心的长波长段发展和光用户系统、LAN等正式投入使用,促使了其关键部件——发光、接收器件的迅速发展。目前1.3、1.5μm波段的器件已经或即将实用化,在国际光部件市场中所占的比例也越来越大了。尤其是发光器件的生产规模及需要量增长的比例最高。例如,通信用半导体激光器在世界上的销售额为140.8亿日元(1986年)。其中日本的半导体激光器市场占世界激光器市场的27.5％。在日本的激光器市场中,半导体激光器占82％,其中1.0～1.4μm波段的半导体激光器的生产额占30％,1.3μm波段的半导体激光器在1986年的生产额达160亿日元,估计今后将按年平均增长率38％的比例上升。1.55     

9.3μm射频激励板条波导CO2激光器的研究

为了得到9.3μm的激光输出,采用比较5种CO₂同位素气体小信号增益系数的方法,进行了理论分析。选择同位素气体12C18O₂作为射频激励板条波导CO₂激光器的工作介质,进行了实验验证,得到了9.3μm的激光输出;并对激光器的工作气压进行优化,在10.00kPa的工作气压下,得到了最大96W的功率输出。结果表明,12C18O₂的中心波长在9.3μm附近,且可得到高功率的激光输出。该研究有利于9.3μm CO₂激光器的国产化,以及提高核心部件的国产化率。     

可调谐双芯光子晶体光纤波分复用器设计

数值分析了双芯光子晶体光纤的耦合特性,设计出0.85/1.55μm、0.98/1.55μm和1.3/1.55μm基于通信波段的波分复用器件,其光纤长度分别为542μm、996μm和932μm.在双芯光子晶体光纤的基础上,光纤长度固定不变时,通过调节中心空气孔材料折射率,材料折射率分别为1.281、1.343和1.348...     

非线性光学晶体RbTiOAsO4 和KTiOAsO4 的角度调谐分析

利用Cauthy和Sellmeier方程，对0．355μm、0．532μm和1．064μm作非线性光学晶体RbTiOAsO4和KTiOAsO4光参量激光器进行了数值模拟计算，得出了在Ⅰ类和Ⅱ类相位匹配下角度调谐曲线，获得的RbTiOAsO4晶体是一种优质的近中红外透光波段的非线性晶体。     

2 μm单掺Ho固体激光器及ZnGeP2晶体应用于中长波输出的研究进展（特邀）

2 μm、中波红外3~5 μm及长波红外8~12 μm波段的激光处于大气传输窗口,在激光医疗、环境监测、激光雷达、化学遥感和红外对抗等领域有着非常广阔的应用前景。基于非线性频率转换技术,采用非线性光学晶体在实现中长波红外固体激光输出方面具有结构简单、宽调谐和高功率等技术优势。尤其是使用2 μm单掺Ho固体激光器泵浦ZnGeP₂晶体,在3~5 μm和8~10 μm中长波红外输出中性能优异。在平均输出功率方面,目前可达到102 W@3~5 μm、12.6 W@8.2 μm以及3.5 W@9.8 μm的输出水平,光束质量M2均小于3,其中中波的光光转换效率可达60%。文中针对2 μm单掺Ho固体激光器及ZnGeP₂晶体在中长波输出方面进行了总结。     

基于泵浦分束的波长可调谐1μm超短脉冲光纤激光器

利用啁啾脉冲增益饱和放大特性，搭建了一台基于泵浦分束结构的波长可调谐1μm全保偏光纤超短脉冲激光器。该激光器由超短脉冲激光振荡器和超短脉冲激光放大器组成，控制注入到放大器的啁啾脉冲能量，使放大器处于增益饱和或非饱和状态，从而实现激光中心波长的精确调节。实验中，激光器可产生1030.0～1034.5 nm波长可调谐的超短脉冲激光，光谱带宽大于13.1 nm。在整个波长调谐范围内，放大脉冲激光的信噪比均大于55 dB，时域脉宽为7.1～7.5 ps。此外，得益于全保偏光纤架构，该1μm超短脉冲光源表现出良好的长期稳定性，平均功率的相对抖动低至0.1%。该激光器产生的波长可调谐超短脉冲激光，能够精准匹配Yb∶YAG、Yb∶CaF₂、Yb∶Lu₂O₃等晶体的发射峰，可为后续Yb∶YAG、Yb∶CaF₂、Yb∶Lu₂O₃等大能量超短脉冲固体激光器提供紧凑、便捷、稳定的种子光源。     

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。     

基于钬掺杂ZBYA玻璃光纤的中红外激光研究

与传统的ZBLAN（ZrF₄-BaF₂-LaF₃-AlF₃-NaF）玻璃相比,ZBYA（ZrF₄-BaF₂-YF₃-AlF₃）玻璃有着更加良好的热稳定性和化学稳定性。制备出ZBYA玻璃光纤,采用1150 nm拉曼光纤激光器作为泵浦源,使用Ho³⁺掺杂的ZBYA光纤作为增益介质实现了～2.9μm波长的激光输出,最大输出功率达到了137 mW,斜率效率为8.9%。研究结果表明ZBYA玻璃光纤是一种潜在的用于实现中红外波段激光的增益材料。     

中红外宽调谐连续Nd:YVO4 /PPMgLN光学参量振荡器研究

采用连续Nd:YVO₄激光器作为泵浦源,在室温下实现了PPMgLN晶体准相位匹配,获得了连续内腔光学参量振荡。获得的光参量阈值仅为3W（808nm）;在泵浦光功率为5 W、PPMgLN极化周期为31.5μm时,获得了365 mW、2.95μm的中红外连续激光输出和312 mW、1.66μm信号光输出,总光光转换效率达到13.3%。通过改变晶体周期,实现了2.95～4.16μm闲频光和1.43～1.66μm信号光的宽带可调谐输出。此连续中红外光参量振荡器结构简单紧凑,效率高,将是未来产生3～5μm中红外激光光源的重要方法之一。     

3～5μm稀土离子掺杂中红外光纤激光器的研究进展(特邀)

3～5μm中红外波段是一个极特殊的电磁波谱区间，它不仅覆盖着众多分子与原子的本征吸收峰，同时还是大气透明窗口之一。此波段的激光器在气体探测、生物医疗、国防等众多领域都具有很大的应用前景。文中围绕常用于3～5μm光纤激光产生的三种稀土离子(即Er³⁺、Ho³⁺和Dy³⁺)，对基于这些离子掺杂的连续和脉冲中红外光纤激光器的发展现状进行了梳理，最后对3～5μm掺稀土离子光纤激光器的发展进行了展望。     

铌酸锂用于灯泵Cr-Tm:YAG激光器的调Q与调谐

为了简化激光器结构,减少腔内损耗,首次提出利用LiNbO3电光晶体较高的色散特性,实现2μm波段可调谐激光器的调Q与调谐。将LiNbO3晶体加工成单块特殊形状的棱镜,作为主动调Q器件,用于2μm波段灯泵Cr-Tm：YAG激光器,以产生巨脉冲,该棱镜还同时具有调谐的功能。将该棱镜插入室温灯泵的Cr-Tm：YAG激光器中,实现了1．95～2.08μm范围的调Q、调谐运转,重复频率为1-5Hz。实验结果表明,所提出的方法可行。     

激光二极管端面抽运Nd:YVO4板条1342 nm激光器

1.3μm全固态激光器在激光雷达、光纤通信、激光医疗等军事和民用领域有着广泛的应用,同时其经过频率变换所获得的红蓝光也是激光彩色显示中的重要光源,因此对1.3μm激光器的研究具有很大的现实意义.但是,相对于1.06μm的情况,激光增益介质在1.3μm的热效应更明显,激光器的效率、输出功率也较低.2003年,A.Minassian等利用掠入射Nd:YVO4板条激光器结构获得了10 w基模1342 nm激光输出,并通过振荡放大系统将输出功率提高到20 w;2005年,中国科学院物理研究所Yao等利用激光二极管(LD)抽运棒状Nd:YVO4获得11 w的激光输出;2008年,清华大学Lu等采用双端面抽运两块棒状Nd:YVO4晶体,获得16.4 w的1342 nm激光输出.     

2μm全固态激光器的研究进展

近年来2μm波段的全固态激光器由于在测高、测距、大气遥感等方面具有重要的应用前景而引起了广泛关注。介绍了实现2μm激光输出的三个基本条件,综述了2μm全同态激光器的发展状况,对几种激光晶体进行了理论分析和实验对比,指出Tm,Ho：LuLF是今后2μm全固态激光器研究的一个发展方向。