铒镱共掺激光器

激光线宽测量。图片来源：《自然光子学》美国耶鲁大学一组研究人员开发出首台芯片级掺钛蓝宝石激光器，这项突破的应用范围涵盖从原子钟到量子计算和光谱传感器。研究结果近日发表在《自然光子学》杂志上。掺钛蓝宝石激光器在20世纪80年代问世，可谓激光领域的一大进步。它成功的关键是用作放大激光能量的材料。掺钛蓝宝石被证明十分强大，因为它提供了比传统半导体激光器更宽的激光发射带宽。这一创新引领了物理学、生物学和化学领域的基础性发现和无数应用。台式掺钛蓝宝石激光器是许多学术和工业实验室的必备设备。然而，这种激光器的大带宽是以相对较高的阈值为代价的，也就是它所需的功率较高。因此，这些激光器价格昂贵，占用大量空间，在很大程度上限制了它们在实验室研究中的使用。研究人员表示，如果不克服这一限制，掺钛蓝宝石激光器仍将仅限于小众客户。将掺钛蓝宝石激光器的性能与芯片的小尺寸相结合，可驱动受功耗或空间大小限制的应用，如原子钟、便携式传感器、可见光通信设备，甚至量子计算芯片。耶鲁大学展示了世界上第一台集成了芯片级光子电路的掺钛蓝宝石激光器，它提供了芯片上迄今看到的最宽增益谱，为许多新的应用铺平了道路。新研究的关键在于激光器的低阈值。传统掺钛蓝宝石激光器的阈值超过100毫瓦，而新系统的阈值约为6.5毫瓦，通过进一步调整，研究人员相信可将阈值降低到1毫瓦。此外，新系统还与广泛用于蓝色LED和激光的氮化镓光电子器件兼容。

近日，电子科技大学光电科学与工程学院李剑峰教授、罗鸿禹副研究员课题组提出了一种利用红光LD泵浦Er3+/Dy3+共掺氟化物光纤实现波长大于3 μm中红外激光激射的新方法，不但在3.5 μm波长附近获得了瓦级激光高效输出，同时还实现了3.05~3.7 μm波长宽带调谐。相关研究成果以“Red-diode-clad-pumped Er3+/Dy3+ codoped ZrF4 fiber: A promising mid-infrared laser platform”为题发表在Optics Letters上。3~4 μm中红外波段是一个重要的光谱区间，它不但覆盖了众多气体分子及化学键的吸收峰，同时也是一个重要的大气传输窗口，因此位于该区间的激光在气体监测、材料加工、空间通信等领域具有重要的应用价值。尽管在该波段目前已存在多种技术手段如：带内级联激光器、光参量振荡器、固体激光器、气体激光器等，但全固态光纤激光器因在光束质量、转化效率、系统集成性及可靠性上优良的综合表现，仍具备极强的竞争力。然而，从实用性角度来讲，该波段在激光激射体系上还难以达到1~2 μm掺Yb3+、Er3+及Tm3+石英光纤激光器的成熟度（即采用商用LD包层泵浦直接实现高效激光输出），从而发挥出光纤激光器的全部优势。该团队提出采用红光LD泵浦双包层Er3+/Dy3+共掺氟化物光纤，通过直接激励Er3+高能级4F9/2，借助Er3+与Dy3+间以及内部的能量传递和Dy3+的带内吸收过程（图1），不仅可以有效释放Er3+长寿命能级4I11/2和4I13/2上的离子，加速离子循环，促进Er3+中4F9/2→4I9/2跃迁实现3.5μm附近激光高效激射，同时还可以激活Dy3+中6H13/2→6H15/2跃迁大幅拓展辐射带宽。图1 659 nm红光泵浦的Er3+/Dy3+共掺氟化物光纤简化能级示意图。ET：能量传递；ETU：能量传递上转换；CR：交叉驰豫；MR：多声子弛豫在自由运转状态下（F-P腔），采用21%输出耦合可以获得斜效率为8.8%的3.4μm单波带激光输出，最大功率为0.8W ；采用40%输出耦合可以获得斜效率为10.7%的3.3μm和3.5μm双波带激光输出，最大总功率为0.95W，进一步的功率提升仅受限于当前泵浦功率。在波长调谐状态下（Littrow结构光栅），可以获得3.05~3.7μm波长连续调谐激光输出（图2）。图2 659 nm红光LD泵浦的Er3+/Dy3+共掺氟化物光纤激光器。（a）实验装置示意图（包含自由运转和波长调谐结构）；（b）自由运转状态下的功率演化和光谱图；（c）波长调谐状态下的功率和光谱演化图相较于现有的3~4 μm光纤激光器，该团队提出的红光LD泵浦的Er3+/Dy3+共掺氟化物光纤激光器，不仅具有简单的结构和高的运转效率，同时还可以实现宽带激光波长覆盖，为未来商用3~4 μm激光器小型化和集成化提供了新的机遇，同时该系统超宽的增益带也为中红外宽带信号放大以及少周期超短脉冲产生等提供了机会。

光纤激光器被称为第三代激光器，其中“高性能稀土掺杂石英光纤”作为光纤激光器的“心脏”被列入国家战略性先进电子材料。其制备技术和产品长期被国外垄断，成为制约中国高功率光纤激光器发展的“卡脖子”元件。 　　从本世纪初，为解决我国高功率光纤激光器的稀土掺杂激光光纤“卡脖子”难题，为追赶我国在稀土掺杂激光光纤方面与国际先进水平差距，单元技术实验室胡丽丽研究员组织研究团队开展光纤研制工作和平台建设，创建了溶胶凝胶结合高温烧结制备稀土掺杂石英玻璃的新方法，阐明了稀土离子掺杂石英玻璃的发光、光学性能与局域结构的关联，并建立了相互作用的结构模型。提出了MCVD结合纳米溶胶液浸泡制备高掺杂离子分散性光纤预制棒的新思路，全面攻克了万瓦级光纤高效、高稳定性及高可靠性的技术难题，批量研制的光纤在GF和工业领域实现近万台套的规模应用。2011年以来胡丽丽研究员带领激光光纤研究团队持续开展稀土掺杂石英玻璃结构与性能的基础研究、大模场掺镱光子晶体光纤、大模场高功率包层结构稀土掺杂石英光纤、耐辐照稀土掺杂石英光纤等的研制，打破了国外对我国高功率激光光纤的垄断，解决了我国高功率光纤激光器关键元件国产化“卡脖子”问题。满足了高功率光纤激光器对核心元件的重大需求，为我国实现高功率光纤激光器最强“心脏”自主可控做出了重要贡献。 　　近十年来，胡丽丽研究员带领团队不断探索和总结，撰写了《稀土掺杂石英光纤及应用》著作，由上海科学技术出版社出版，并面向国内外发行。该著作获2022年度国家科学技术学术著作出版基金资助出版，获评2023年2月榜“世纪好书”。 　　作为第一完成人和突出贡献者，胡丽丽研究员获2016年上海市技术发明奖特等奖一项、2017年国家技术发明奖二等奖一项、2022年中国科学院杰出科技成就奖一项，获“全国三八红旗手”“上海市第十六届十大科技精英”等荣誉称号。