朱燦林,康民強(qiáng),2,鄧 穎,李威威,周 松,2,李劍彬,鄭建剛,朱啟華

(1.中國(guó)工程物理研究院 激光聚變研究中心,四川 綿陽(yáng) 621900;2.中國(guó)工程物理研究院研究生院,北京 100088；3.武漢理工大學(xué) 材料復(fù)合新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430070)

1 引 言

波長(zhǎng)3～5 μm波段的中紅外激光具有三大特性:位于大氣透過(guò)率最高的傳輸窗口,H2O/CO2對(duì)此波段具有強(qiáng)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(cè)、醫(yī)療手術(shù)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景,是激光領(lǐng)域中備受關(guān)注的一項(xiàng)技術(shù)[2-3]。

中紅外激光的產(chǎn)生方式包括:①半導(dǎo)體激光器,包括量子阱激光器與量子級(jí)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(jī)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(duì)簡(jiǎn)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(shì),一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。

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(guò)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(lái)的研究進(jìn)展,并對(duì)它們的技術(shù)路線以及發(fā)展前景進(jìn)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(jí)結(jié)構(gòu)豐富,同一種離子通常有多個(gè)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(xué)性能使其成為了激光領(lǐng)域中的一種重要激活離子。可以直接發(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(duì)應(yīng)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(jí)結(jié)構(gòu),能產(chǎn)生多種輻射波長(zhǎng)。其中能產(chǎn)生3.5 μm激光的能級(jí)躍遷為4F9/2→4I9/2,由于其激光上能級(jí)位置遠(yuǎn)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(shí)由于中間能級(jí)4I11/2的能級(jí)壽命較長(zhǎng),下能級(jí)的粒子吸收聲子在此處累計(jì),導(dǎo)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(zhǎng)泵浦方式,激光輸出性能才有了突破性進(jìn)展。

雙波長(zhǎng)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(jí),由于該能級(jí)壽命較長(zhǎng),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(jí)4F9/2,這些粒子產(chǎn)生3.5 μm的激光(圖中L過(guò)程)再通過(guò)多光子衰減(圖中MP過(guò)程)回到4I11/2,雙波長(zhǎng)泵浦的方式相對(duì)于直接泵浦(圖中P過(guò)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(dá)52 %,波長(zhǎng)3.604 μm,為當(dāng)時(shí)最長(zhǎng)波長(zhǎng)[4]。2017年,Frédéric Maes采用雙波長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)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(zhǎng)泵浦方式,同時(shí)利用一個(gè)含有黑磷的飽和吸收體實(shí)現(xiàn)被動(dòng)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(dá)到了120 mW,單個(gè)脈沖能量為1.83 μJ,脈寬2.05 μs,重復(fù)頻率66.33 kHz[6]。

圖1 雙波長(zhǎng)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(jiǎn)化能級(jí)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(lái)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(jí),采用級(jí)聯(lián)激光的方式,同時(shí)輸出1.4 μm與3.9 μm的激光。

圖2 Ho3+簡(jiǎn)化能級(jí)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(qiáng)的熱猝滅以及激光自終止效應(yīng)等,Ho離子3.9 μm激光研究進(jìn)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(guó)的Schneider等在液氮溫度下首次實(shí)現(xiàn)了Ho-3.9 μm激光輸(對(duì)應(yīng)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(guò)波長(zhǎng)長(zhǎng)(～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(guó)的Berrou采用889 nm激光泵浦10 % Ho∶InF3玻璃,首次實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)的最高值。此外,光-光效率達(dá)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(jí)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(xiàng)重要手段。圖3為Dy3+中6H15/2?6H13/2對(duì)應(yīng)的吸收譜和發(fā)射譜。該過(guò)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(jiǎn)化能級(jí)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(gè)波長(zhǎng)的激光均可作為泵浦源。

圖3 Dy3+中6H15/2?6H13/2對(duì)應(yīng)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(jiǎn)化能級(jí)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(dāng)光纖長(zhǎng)度增加到1.4 m時(shí),輸出波長(zhǎng)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(huì)對(duì)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(shí)現(xiàn)了2.8～3.4 μm(573 nm)的調(diào)諧激光輸出。優(yōu)化光纖長(zhǎng)度后(0.26 m)獲得最大輸出170 mW,斜效率21 %,輸出波長(zhǎng)2.95 μm,同樣存在激發(fā)態(tài)吸收問(wèn)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(shí)現(xiàn)了1.06 W激光輸出,斜效率達(dá)77 %,輸出波長(zhǎng)3.15 μm。采用帶內(nèi)泵浦的方式可以避免復(fù)雜的上轉(zhuǎn)換過(guò)程,但光纖內(nèi)部的熱機(jī)械應(yīng)力限制了功率的進(jìn)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(dá)10.1 W,斜效率58 %,輸出波長(zhǎng)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(dòng)鎖模的方式在摻 Dy的光纖中實(shí)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(fù)頻率可達(dá)42～60 MHz[14]。

另外,Dy離子6H11/2→6H13/2能級(jí)躍遷的中心波長(zhǎng)位于4.36 μm,也能產(chǎn)生中紅外激光。波長(zhǎng)深入到4 μm之后,對(duì)基質(zhì)的要求更高,氟化物玻璃因其聲子能量和透過(guò)范圍已不再適用,目前研究重點(diǎn)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(wèn)題,目前在光纖中尚無(wú)激光的報(bào)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(jí),如表1所示。

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

Dy3+的上能級(jí)6H11/2壽命(1 μs)遠(yuǎn)小于下能級(jí)6H13/2壽命(500 μs),嚴(yán)重的自終止效應(yīng)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(qiáng)等提出了利用雙波長(zhǎng)泵浦來(lái)去除自終止效應(yīng),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(duì)Dy∶InF3光纖進(jìn)行抽運(yùn),原理如圖5所示。1.7 μm泵浦光將Dy3+從基態(tài)抽運(yùn)至上能級(jí)6H11/2,同時(shí)利用2.3 μm的泵浦光將下能級(jí)6H13/2上的粒子抽調(diào)去更高的能級(jí),從而實(shí)現(xiàn)6H11/2和6H13/2能級(jí)之間的反轉(zhuǎn)布局,有效地克服了自終止效應(yīng)。經(jīng)建模分析,當(dāng)兩個(gè)泵浦源的功率分別為17.5 mW和20 W時(shí),輸出功率可達(dá)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(zhǎng)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(jí)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,具有各種能級(jí)寬度以及多種亞穩(wěn)能級(jí),產(chǎn)生的能級(jí)躍遷覆蓋了紫外至中紅外波段,如圖6所示。

圖6 Pr3+簡(jiǎn)化能級(jí)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(jí)壽命處于同一數(shù)量級(jí),難以形成布居反轉(zhuǎn)[22]。同時(shí)由于上下能級(jí)之間間距狹窄,不可避免的多光子弛豫會(huì)嚴(yán)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(wèn)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(bào)道較少。

2009年,A.Ferrier等人制備了一種Pr3+摻雜的不易潮解、非對(duì)稱的單晶體Tl3PbBr5,這種晶體在4.7 μm附近有一個(gè)寬的發(fā)射帶寬以及長(zhǎng)的上能級(jí)壽命,作者認(rèn)為這種材料未來(lái)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(xué)模型來(lái)研究Pr3+摻雜的硫化物光纖,結(jié)果表明當(dāng)光纖損耗能降到1 dB/m時(shí),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(shí)現(xiàn)了4.89 μm的激光輸出,其中泵浦源波長(zhǎng)2.04 μm,增益介質(zhì)為摻Pr的GAGS(Ge10As24Ga4Se62)光纖,輸出功率達(dá)到了1.28 W,效率為25 %[25]。

3 過(guò)渡金屬摻雜的固體激光器

Tm2+(二價(jià)過(guò)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(duì)象和發(fā)展方向。這種晶體材料具有以下優(yōu)點(diǎn):①Tm離子能級(jí)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(guò)程少；③強(qiáng)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(wú)輻射躍遷過(guò)程少,室溫下有較高的量子熒光效率；⑤化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定(幾乎不含其他價(jià)態(tài)),非中心對(duì)稱的四面體中心格位使吸收/發(fā)射截面大(10-18cm2量級(jí))；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(xué)性能與單晶幾乎無(wú)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(jí)躍遷過(guò)程,具有以下優(yōu)點(diǎn):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(dá)100 %)。但Fe2+上能級(jí)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(wú)輻射躍遷效應(yīng)明顯,因此只能采用窄脈寬光源抽運(yùn),且難以實(shí)現(xiàn)室溫大能量輸出。

1999年,美國(guó)Adams等在低溫環(huán)境下首次實(shí)現(xiàn)了Fe2+∶ZnSe(2 mm×10 mm×10 mm)晶體的激光輸出。實(shí)驗(yàn)采用Er∶YAG(2.698 μm,48 μs,100 Hz,150 μJ)作為泵浦源,激光波長(zhǎng)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)了125 ns脈寬,30.6 mJ的脈沖輸出,波長(zhǎng)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(zhǎng)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(yùn)行,是一種優(yōu)秀的泵浦源,但其體積龐大,價(jià)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(lái)實(shí)現(xiàn)被動(dòng)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(zhǎng)4.4 μm,重復(fù)頻率100 MHz,脈沖寬度為732 fs,輸出功率可達(dá)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(tái)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(jìn)展。

表2 Fe∶ZnSe激光器的主要研究進(jìn)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(guò)渡金屬離子摻雜的基質(zhì)材料。

稀土離子能級(jí)結(jié)構(gòu)豐富,同種離子具有多個(gè)發(fā)射峰,能實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)激光輸出。目前在Er3+、Ho3+、Dy3+中已實(shí)現(xiàn)了不同波段的輸出,Pr3+中出光的報(bào)道仍較少。稀土離子中激光上能級(jí)壽命通常遠(yuǎn)小于下能級(jí),存在嚴(yán)重的自終止效應(yīng),限制了其實(shí)現(xiàn)高功率、高效率輸出,目前可以通過(guò)共摻雜、雙波長(zhǎng)泵浦等方法來(lái)改善這一問(wèn)題,如在Dy3+中采用雙波長(zhǎng)泵浦可以有效去除自終止效應(yīng),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(wèn)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(wèn)題。

過(guò)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(wú)輻射躍遷等優(yōu)點(diǎn),可用于可調(diào)諧輸出和超快輸出,目前已實(shí)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(shí)現(xiàn)了飛秒級(jí)的輸出。但缺乏合適泵浦源,室溫下上能級(jí)壽命大幅降低,難以實(shí)現(xiàn)大能量輸出等一系列問(wèn)題,也在制約著其進(jìn)一步發(fā)展。

直接激射固體激光器原理簡(jiǎn)單,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔輕巧,雖然目前還存在一些問(wèn)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(huì)被進(jìn)一步發(fā)掘,推動(dòng)中紅外激光器朝更高功率,更高效率發(fā)展。