朱燦林,康民強,2,鄧 穎,李威威,周 松,2,李劍彬,鄭建剛,朱啟華

(1.中國工程物理研究院 激光聚變研究中心,四川 綿陽 621900;2.中國工程物理研究院研究生院,北京 100088；3.武漢理工大學 材料復合新技術(shù)國家重點實驗室,湖北 武漢 430070)

1 引 言

波長3～5 μm波段的中紅外激光具有三大特性:位于大氣透過率最高的傳輸窗口,H2O/CO2對此波段具有強吸收,熱輻射的能量主要集中在此區(qū)域[1]。憑借這些特性,3～5 μm波段中紅外激光在大氣遙感、空間光通訊、氣體檢測、醫(yī)療手術(shù)等領(lǐng)域都有著廣泛的應用前景,是激光領(lǐng)域中備受關(guān)注的一項技術(shù)[2-3]。

中紅外激光的產(chǎn)生方式包括:①半導體激光器,包括量子阱激光器與量子級聯(lián)激光器等；②氣體激光器,包括鹵化氫氣體激光器和CO氣體激光器等；③自由電子激光器；④隨機激光器；⑤直接激射固體激光器；⑥基于非線性技術(shù)的中紅外激光器[1]。其中,直接激射型固體激光器原理相對簡單,結(jié)構(gòu)輕巧,在高功率、高效率的激光輸出方面具有一定的優(yōu)勢,一直是國內(nèi)外學者研究的熱點。

按照增益介質(zhì)的種類劃分,直接激射固體激光器又可以分為兩類:一種是稀土離子摻雜的固體激光器；另一種是過渡金屬離子摻雜的固體激光器[4]。本文將介紹這兩類直接激射固體激光器近些年來的研究進展,并對它們的技術(shù)路線以及發(fā)展前景進行總結(jié)與展望。

2 稀土離子摻雜的固體激光器

稀土離子能級結(jié)構(gòu)豐富,同一種離子通常有多個發(fā)射峰[1]。稀土離子可以摻雜在晶體、陶瓷以及光纖等多種基質(zhì)中,其優(yōu)越的光學性能使其成為了激光領(lǐng)域中的一種重要激活離子?？梢灾苯影l(fā)射產(chǎn)生3～5 μm波段中紅外激光的稀土離子包括Er3+、Ho3+、Dy3+、Pr3+,下文將分別介紹這幾種摻雜離子的特性以及對應激光技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。

2.1 摻Er固體激光器

Er3+具有非常豐富的能級結(jié)構(gòu),能產(chǎn)生多種輻射波長。其中能產(chǎn)生3.5 μm激光的能級躍遷為4F9/2→4I9/2,由于其激光上能級位置遠高于基態(tài),采用直接泵浦的方式,量子虧損較大,量子效率較低。同時由于中間能級4I11/2的能級壽命較長,下能級的粒子吸收聲子在此處累計,導致基態(tài)漂白,從而使直接泵浦的效率較低。直至2013年,Ori Henderson-Sapir首次采用了新的雙波長泵浦方式,激光輸出性能才有了突破性進展。

雙波長泵浦如圖1所示,即先采用985 nm的泵浦源P1將Er3+泵浦至4I11/2能級,由于該能級壽命較長,粒子容易在此積累。然后再利用1973 nm的泵浦源P2將這些粒子泵浦至上能級4F9/2,這些粒子產(chǎn)生3.5 μm的激光(圖中L過程)再通過多光子衰減(圖中MP過程)回到4I11/2,雙波長泵浦的方式相對于直接泵浦(圖中P過程)而言能有效地提升泵浦效率,Ori Henderson-Sapir采用這種方式在室溫下獲得了40 mW的輸出,斜效率為37 %[3]。第二年,他在室溫下采用Er∶ZBLAN光纖獲得了260 mW的連續(xù)激光輸出,光光轉(zhuǎn)換效率為16 %,斜效率可達52 %,波長3.604 μm,為當時最長波長[4]。2017年,Frédéric Maes采用雙波長泵浦的方式,并結(jié)合布拉格光柵,在1 mol %Er∶ZrF4玻璃光纖(5 m)實現(xiàn)了波長3.55 μm、輸出功率5.6 W的連續(xù)激光輸出,光光效率26.4 %[5]。2018年,ZhiPeng Qin等采用雙波長泵浦方式,同時利用一個含有黑磷的飽和吸收體實現(xiàn)被動調(diào)Q和鎖模,在1 mol % Er3+∶ZBLAN光纖中產(chǎn)生了3.5 μm的脈沖激光,其平均功率達到了120 mW,單個脈沖能量為1.83 μJ,脈寬2.05 μs,重復頻率66.33 kHz[6]。

圖1 雙波長泵浦示意圖[6]Fig.1 Diagram of dual-wavelength pumping[6]

2.2 摻Ho固體激光器

Ho3+也是稀土元素的一種,它的簡化能級如圖2所示,Ho3+中3.9 μm的輻射發(fā)生在5I5→5I6之間,目前通常有兩種泵浦方式來產(chǎn)生3.9 μm的激光,一種是利用890 nm的泵浦源將基態(tài)5I8上的粒子激發(fā)至5I5,直接產(chǎn)生3.9 μm的輻射輸出；另一種是利用530～550 μm波段的泵浦源將基態(tài)粒子激發(fā)至5S2能級,采用級聯(lián)激光的方式,同時輸出1.4 μm與3.9 μm的激光。

圖2 Ho3+簡化能級示意圖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處吸收截面4.3×10-22cm2)、強的熱猝滅以及激光自終止效應等,Ho離子3.9 μm激光研究進展緩慢,目前的研究成果在功率、效率等方面均不理想。1997年,德國的Schneider等在液氮溫度下首次實現(xiàn)了Ho-3.9 μm激光輸(對應大氣窗口傳輸損耗極小波段),但輸出功率僅11 mW[7]。近些年,InF3玻璃這一材料因其透過波長長(～5 μm)、聲子能量低(509 cm-1),逐漸成為這一波段的主要基質(zhì)材料。2015年,德國的Berrou采用889 nm激光泵浦10 % Ho∶InF3玻璃,首次實現(xiàn)了3.9 μm的脈沖激光輸出[8]。2018年,加拿大的Maes等采用888 nm LD直接泵浦10 % Ho∶InF3光(23 cm),室溫下首次實現(xiàn)了3.92 μm的連續(xù)激光輸出,輸出功率200 mW,這也是目前實現(xiàn)的最高值。此外,光-光效率達10.2 %,斜效率24 %,與理論的量子效率持平(23 %)[9]。

2.3 摻Dy固體激光器

Dy同樣具有非常豐富的能級結(jié)構(gòu),其中6H13/2→6H15/2躍遷能覆蓋3.0～3.3 μm波段的發(fā)光是中紅外激光產(chǎn)生的一項重要手段。圖3為Dy3+中6H15/2?6H13/2對應的吸收譜和發(fā)射譜。該過程為基態(tài)與第一激發(fā)態(tài)之間的躍遷,吸收與發(fā)射譜高度重疊[10]。圖4為Dy3+的簡化能級結(jié)構(gòu)示意圖。從圖4中可以看到1.1 μm、1.3 μm、1.7 μm以及2.8μm等多個波長的激光均可作為泵浦源。

圖3 Dy3+中6H15/2?6H13/2對應的吸收譜和發(fā)射譜[10]Fig.3 Absorption and emission cross sections of the 6H15/2?6H13/2 transition of the Dy3+ ion[10]

圖4 Dy3+的簡化能級結(jié)構(gòu)示意圖[10]Fig.4 Simplified energy level diagram for the Dy3+ ion[10]

2016年,Matthew R.等采用2.79 μm的Er光纖激光器泵浦0.2 %Dy∶ZBLAN光纖(0.92 m),獲得了3.04 μm連續(xù)激光輸出,輸出功率85 mW,斜效率51 %；當光纖長度增加到1.4 m時,輸出波長為3.26 μm,輸出功率120 mW,斜效率32 %,結(jié)果表明自吸收作用會對激光性能產(chǎn)生明顯影響[10]。2018年,Matthew R.等利用1.7 μm拉曼激光泵浦,在0.2 %Dy∶ZBLAN光纖(0.6 m)中實現(xiàn)了2.8～3.4 μm(573 nm)的調(diào)諧激光輸出。優(yōu)化光纖長度后(0.26 m)獲得最大輸出170 mW,斜效率21 %,輸出波長2.95 μm,同樣存在激發(fā)態(tài)吸收問題[11]。同年,R.I.Woodward等采用2.79 μm的Er光纖激光器作為泵浦源結(jié)合飛秒直寫布拉格光柵,在0.2 %Dy∶ZBLAN光纖(1.2 m)實現(xiàn)了1.06 W激光輸出,斜效率達77 %,輸出波長3.15 μm。采用帶內(nèi)泵浦的方式可以避免復雜的上轉(zhuǎn)換過程,但光纖內(nèi)部的熱機械應力限制了功率的進一步提高[12]。2019年,Vincent Fortin等采用2.79 μm的Er光纖激光作為泵浦,在0.2 %Dy∶ZBLAN(5.5 m)中獲得了連續(xù)激光輸出,輸出功率高達10.1 W,斜效率58 %,輸出波長3.24 μm,且激光輸出未飽和[13]。在脈沖輸出方面也有相關(guān)研究,2019年,Yuchen Wang等用2.82 μm的Er光纖激光器泵浦,基于被動鎖模的方式在摻 Dy的光纖中實現(xiàn)了脈沖寬度828 fs,平均輸出功率204 mW的3.1 μm脈沖激光輸出,重復頻率可達42～60 MHz[14]。

另外,Dy離子6H11/2→6H13/2能級躍遷的中心波長位于4.36 μm,也能產(chǎn)生中紅外激光。波長深入到4 μm之后,對基質(zhì)的要求更高,氟化物玻璃因其聲子能量和透過范圍已不再適用,目前研究重點在Dy摻雜的硫系化合物玻璃(～300 cm-1)。由于同樣存在激光自終止問題,目前在光纖中尚無激光的報道。這一波段的研究主要集中在Dy∶PbGa2S4(～200 cm-1)體系,單輸出功率僅限于數(shù)十毫瓦量級,如表1所示。

表1 Dy3+摻雜的4.3 μm激光技術(shù)研究進展Tab.1 State of Dy3+-doped 4.3 μm lasers

Dy3+的上能級6H11/2壽命(1 μs)遠小于下能級6H13/2壽命(500 μs),嚴重的自終止效應限制了發(fā)光功率的提升。2020年,中物院激光聚變研究中心的瞿崇兵、康民強等提出了利用雙波長泵浦來去除自終止效應,產(chǎn)生高功率輸出的方法。作者采用1.7 μm和2.3 μm的兩束泵浦光對Dy∶InF3光纖進行抽運,原理如圖5所示。1.7 μm泵浦光將Dy3+從基態(tài)抽運至上能級6H11/2,同時利用2.3 μm的泵浦光將下能級6H13/2上的粒子抽調(diào)去更高的能級,從而實現(xiàn)6H11/2和6H13/2能級之間的反轉(zhuǎn)布局,有效地克服了自終止效應。經(jīng)建模分析,當兩個泵浦源的功率分別為17.5 mW和20 W時,輸出功率可達到5.5 W,是產(chǎn)生高功率4.3 μm激光的一種可行方案[21]。

圖5 雙波長泵浦產(chǎn)生4.3 μm激光示意圖[21]Fig.5 Diagram of dual-wavelength pumped 4.3 μm lasers[21]

2.4 摻Pr固體激光器

Pr離子能級結(jié)構(gòu)非常復雜,具有各種能級寬度以及多種亞穩(wěn)能級,產(chǎn)生的能級躍遷覆蓋了紫外至中紅外波段,如圖6所示。

圖6 Pr3+簡化能級結(jié)構(gòu)示意圖[22]Fig.6 Simplified energy level diagram for the Pr3+ ion[22]

其中,處于中紅外波段的躍遷包括3F3→3H6(4.8 μm),3H6→3H5(4.5 μm),3H5→3H4(4～5 μm),然而,激光上下能級壽命處于同一數(shù)量級,難以形成布居反轉(zhuǎn)[22]。同時由于上下能級之間間距狹窄,不可避免的多光子弛豫會嚴重影響Pr離子的發(fā)光效率[28]。早期用于Pr摻雜的晶體材料通常為聲子能量低的鹵化物或者硫化物等非氧化物玻璃[29],但這些材料理化性質(zhì)不穩(wěn)定,容易出現(xiàn)潮解。這些問題制約了Pr離子摻雜激光器的發(fā)展,目前的研究主要集中在晶體材料的光譜及其潛在激光性能等方面,出光的報道較少。

2009年,A.Ferrier等人制備了一種Pr3+摻雜的不易潮解、非對稱的單晶體Tl3PbBr5,這種晶體在4.7 μm附近有一個寬的發(fā)射帶寬以及長的上能級壽命,作者認為這種材料未來將是一種優(yōu)秀的中紅外激光材料[23]。2012年,.Sójka等人建立了數(shù)學模型來研究Pr3+摻雜的硫化物光纖,結(jié)果表明當光纖損耗能降到1 dB/m時,可以利用2.04 μm的激光泵浦產(chǎn)生4.89 μm的輸出,效率約為8 %～16 %[24]。2019年,Hua Chen等人利用Pr摻雜的光纖實現(xiàn)了4.89 μm的激光輸出,其中泵浦源波長2.04 μm,增益介質(zhì)為摻Pr的GAGS(Ge10As24Ga4Se62)光纖,輸出功率達到了1.28 W,效率為25 %[25]。

3 過渡金屬摻雜的固體激光器

Tm2+(二價過渡金屬離子)摻雜的Ⅱ～Ⅵ族硫化物晶體是目前中紅外激光增益介質(zhì)的重要研究對象和發(fā)展方向。這種晶體材料具有以下優(yōu)點:①Tm離子能級分裂帶隙小,其躍遷譜線能延伸至中紅外波段；②激發(fā)態(tài)吸收過程少；③強的電聲子耦合,使得TM2+譜帶展寬,適于寬帶調(diào)諧和飛秒激光；④無輻射躍遷過程少,室溫下有較高的量子熒光效率；⑤化學性質(zhì)穩(wěn)定(幾乎不含其他價態(tài)),非中心對稱的四面體中心格位使吸收/發(fā)射截面大(10-18cm2量級)；⑥高質(zhì)量單晶制備較困難,但多晶可采用CVD大量低成本制備,且光學性能與單晶幾乎無差別[26]。這類材料主要包括Cr(或Fe)摻雜的二元(ZnSe、ZnS、CdSe、CdS、ZnTe)以及三元(CdMnTe、CdZnTe、ZnSSe)硫系晶體,其中又以Fe∶ZnSe最受關(guān)注。

Fe∶ZnSe晶體中中紅外波段激光的產(chǎn)生基于3d6電子5T2(第一激發(fā)態(tài))→5E(基態(tài))能級躍遷過程,具有以下優(yōu)點:①發(fā)射光譜為3.1～5.1 μm,可調(diào)諧帶寬寬;②吸收/發(fā)射截面大(0.97×10-18cm2/1.4×10-18cm2)；③室溫下熒光效率高(理論上可達100 %)。但Fe2+上能級壽命低(77 K下壽命為57 μs,常溫下壽命降至0.3 μs),因聲子能量高引起的無輻射躍遷效應明顯,因此只能采用窄脈寬光源抽運,且難以實現(xiàn)室溫大能量輸出。

1999年,美國Adams等在低溫環(huán)境下首次實現(xiàn)了Fe2+∶ZnSe(2 mm×10 mm×10 mm)晶體的激光輸出。實驗采用Er∶YAG(2.698 μm,48 μs,100 Hz,150 μJ)作為泵浦源,激光波長隨著溫度升高發(fā)生紅移,從15 K/3.98 μm到180 K/4.54 μm,在130 K時獲得最高12 μJ、48 μs的脈沖激光,斜效率最高8.2 %[27]。2011年,NoSoung Myoung等利用增益可調(diào)的Er∶Cr∶YSGG激光器(2.8 μm)作為泵浦源,在236 K和300 K的溫度下分別實現(xiàn)了4.3 μm/4.37 μm的輸出,能量為4.7 mJ/3.6 mJ,效率分別為19 %/16 %[28]。2014年,S.D.Velikanov等利用HF激光器作為泵浦源實現(xiàn)了125 ns脈寬,30.6 mJ的脈沖輸出,波長為4.6～4.7 μm[29]。2017年,Velikanov等又將輸出脈沖能量和平均功率提升至1.67 J和20 W。HF 激光器輸出的波長范圍2.6～3.1 m,脈寬 100～150 ns,不僅與室溫下Fe∶ZnSe的吸收特性完美匹配,而且可以高重頻運行,是一種優(yōu)秀的泵浦源,但其體積龐大,價格昂貴,限制了它的發(fā)展[30]。2020年,A.V.Pushkin等首次制成了飛秒鎖模Fe∶ZnSe激光器,他用石墨烯作為飽和吸收體來實現(xiàn)被動鎖模。激光器結(jié)構(gòu)如圖7所示,其中泵浦源為Er∶ZBLAN激光器(2.8 μm,7 W),輸出波長4.4 μm,重復頻率100 MHz,脈沖寬度為732 fs,輸出功率可達415 mW[31]。

圖7 30.6 mJ輸出的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]

圖8 首臺飛秒鎖模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激光器的主要研究進展。

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

4 總結(jié)與展望

直接激射固體激光器中增益介質(zhì)可分為稀土離子摻雜的基質(zhì)材料和過渡金屬離子摻雜的基質(zhì)材料。

稀土離子能級結(jié)構(gòu)豐富,同種離子具有多個發(fā)射峰,能實現(xiàn)多波長激光輸出。目前在Er3+、Ho3+、Dy3+中已實現(xiàn)了不同波段的輸出,Pr3+中出光的報道仍較少。稀土離子中激光上能級壽命通常遠小于下能級,存在嚴重的自終止效應,限制了其實現(xiàn)高功率、高效率輸出,目前可以通過共摻雜、雙波長泵浦等方法來改善這一問題,如在Dy3+中采用雙波長泵浦可以有效去除自終止效應,是后續(xù)產(chǎn)生高功率中紅外輸出的一種可靠的途徑。另外基質(zhì)材料損傷閾值低、熱性能差、穩(wěn)定性不好也是制約功率提升的問題所在,制備合適的基質(zhì)材料也是目前急需解決的關(guān)鍵問題。

過渡金屬離子摻雜的基質(zhì)材料以Fe∶ZnSe為主要代表,具有可調(diào)諧帶寬寬、熒光效率高、低無輻射躍遷等優(yōu)點,可用于可調(diào)諧輸出和超快輸出,目前已實現(xiàn)了單脈沖能量和平均功率1.6 J和20 W的輸出,而在超短脈沖方面,也已實現(xiàn)了飛秒級的輸出。但缺乏合適泵浦源,室溫下上能級壽命大幅降低,難以實現(xiàn)大能量輸出等一系列問題,也在制約著其進一步發(fā)展。

直接激射固體激光器原理簡單,結(jié)構(gòu)簡潔輕巧,雖然目前還存在一些問題,但我們有理由相信,隨著基質(zhì)材料、高效泵浦源、激發(fā)方式等的不斷發(fā)展,直接激射固體激光器的潛力會被進一步發(fā)掘,推動中紅外激光器朝更高功率,更高效率發(fā)展。