新型晶体提高中红外激光器的性能

中科院合肥物质科学研究院（HFIPS）孙敦陆研究员领导的研究小组采用Czchralski（Cz）方法成功合成了新型中红外Ho,Pr:YAP和Er:YGGAG晶体，并通过热键合技术提高了激光二极管（LD）侧泵浦Er:YSGG晶体的连续波激光性能。研究成果发表在《光学快报》上。

2.7~3 μm 中红外激光器位于水分子的强吸收波段，在生物医学、光学遥感、非线性光学等领域具有广泛的应用前景。

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利用 1150nm 拉曼激光对 Ho,Pr:YAP 晶体进行末端泵浦的实验装置示意图。

在最近的一项研究中，科学家们找到了一种使激光器更强大、更高效的方法。通过调整激光材料中的成分，他们发现激光的性能可以得到改善。具体来说，他们增加了一种Ho³⁺ 离子成分的浓度，并添加了适量的另一种 Pr³⁺离子成分。

这一调整抑制了 “自终止效应”，从而提高了激光的运行效率。利用 Cz 方法，他们培育出了一种新型 Ho、Pr：YAP 晶体，可在 3 微米左右的范围内发射激光。与老式的 Ho:YAP 激光器相比，这是一项重大改进，因为它开始工作所需的泵浦功率更低，输出激光的效率更高。

此外，科学家们还发现，通过在 YAG 晶体中共同掺入适量的 Gd³⁺和Ga³⁺离子，晶体的无序性会增加，从而导致中红外区域的宽发射。利用 Cz 方法生长出了一种新的 Er:YGGAG 晶体，从而实现了 2.8 微米左右的中红外可调谐超短激光。

为了解决连续波激光输出的限制，研究人员开发了一种热键合技术。通过将未掺杂的 YSGG 晶体与另一块 Er:YSGG 晶体的两个端面粘合在一起，他们成功地降低了 “热效应”。这使得激光性能大大提高，最大输出功率达到 28.02 瓦。

这些研究人员为开发全固态中红外激光器奠定了材料基础，并为设计和开发新型高效中红外激光器增益材料提供了参考。

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论文链接：https://dx.doi.org/10.1364/OE.517771