中紅外波段雷射因同時位於大氣窗口區和分子指紋區, 在大氣遙感, 光譜學分析, 醫療診斷, 光通訊及直接紅外對抗等領域具有應用價值. 在實現中紅外雷射輸出的多種手段中, 基於稀土離子 (Tm3+和Ho3+) 摻雜的釔/鑥鋁石榴石和過渡金屬離子摻雜的II-VI化合物 (TM2+:II-VI) 增益材料的固體雷射器具有重要作用. 近日, 中國科學院上海矽酸鹽研究所研究員李江帶領的透明與光功能陶瓷研究團隊, 製備了新型的高質量4at%Tm:LuAG陶瓷透明, 並與德國馬克斯伯恩非線性光學研究所合作, 在國際上首次實現了Tm:LuAG陶瓷的2022nm連續雷射輸出0.83W (泵浦源: 787nm鈦寶石雷射) , 斜率效率高達61% (輸出耦合鏡透過率TOC=5%) , 可調諧雷射波長範圍為1808~2073nm. 與哈爾濱工業大學合作, 研究團隊研製的0.8at%Ho:LuAG陶瓷實現了2100.7nm連續雷射輸出2.67W (泵浦源: 1907.5nm Tm:YLF雷射) , 斜率效率26.5% (國際報道最高值) , 光束質量M2=1.1.
稀土離子 (Tm3+和Ho3+) 摻雜的釔/鑥鋁石榴石透明陶瓷具有良好理化性能和光譜特性, 是綜合性能優異的2μm固體雷射增益介質. 研究團隊製備了高質量的Tm:YAG和Ho:YAG透明陶瓷, 並與德國馬克斯伯恩非線性光學研究所合作實現了高性能連續雷射輸出. 採用連續鈦寶石雷射器為泵浦源, Tm:YAG陶瓷實現2μm波段SESAM鎖模雷射輸出, 脈衝寬度3ps, 重複頻率89MHz下的平均輸出功率約為150mW. 採用1.9μm Tm光纖雷射同帶泵浦Ho:YAG陶瓷, 實現了2090.4nm和2094.0nm連續雷射輸出, 斜率效率高達88%和83%. 利用半導體可飽和吸收鏡 (SESAM) , 實現了Ho:YAG陶瓷在2059nm至2121nm範圍內的穩定鎖模運轉. 研究團隊在新型Tm/Ho:LuAG雷射陶瓷方向的突破, 進一步拓寬了高性能中紅外雷射材料的選擇範疇.
採用過渡金屬離子摻雜的II-VI化合物多晶陶瓷作為增益介質的固體雷射器, 具有超寬頻調諧, 高量子效率等優勢, 以及實現高功率, 高能量中紅外雷射輸出的潛力. 同時, 由於Cr2+/Fe2+:II-VI等材料無激發態吸收, 其理論品質因子(FOM值)無限大, 也可用作中紅外被動調Q雷射器的可飽和吸收體. 研究團隊採用熱擴散法, 製備了高光學質量的Cr:ZnS/ZnSe透明陶瓷材料, 並與哈爾濱工業大學教授姚寶權團隊合作, Cr:ZnSe陶瓷增益介質實現了室溫下最高功率為418mW, 斜率效率12.8%的連續雷射輸出. 以Cr:ZnS作為被動調Q的可飽和吸收體, 實現了Ho:YAP, Ho:LuAG等雷射器的窄脈寬, 高功率的PQS雷射輸出.
與沉積熱擴散法相比, 陶瓷製備方法可避免TM:ZnS/ZnSe中摻雜劑與基質在高溫下的共熔, 實現摻雜離子的均勻分布, 易於實現結構設計進行更好的熱管理. 此外, 陶瓷具有更優異的力學性能和抗熱震性, 製備工藝簡單, 成本低, 可規模生產等優點. 研究團隊採用濕化學法合成了Fe2+:ZnS納米粉體, 再採用熱壓燒結結合熱等靜壓燒結後處理工藝製備了高光學質量的Fe2+:ZnS透明陶瓷, 樣品在2.0μm處透過率為~45%, 5.0μm處透過率為~70%. 這是目前已報道的光學質量最優的熱壓Fe2+:ZnS透明陶瓷.
研究工作得到國家自然科學基金面上項目, 中科院前沿科學重點研究計劃項目等的資助.
