掺铥倍半氧化物陶瓷—2 μm波段激光的优先选择

黄海涛

封面文章|司晓云,黄海涛,钱丽娟,滕晓晓,樊程祥. 2 μm波段掺铥倍半氧化物陶瓷激光器研究进展[J]. 激光与光电子学进展, 2019, 56(9): 090001

2 μm波段激光处在大气窗口、水的强吸收带和人眼安全区,在透明塑性材料加工、大气环境监测(CO2、N2O等气体在2 μm波段有吸收峰)、临床医学治疗(如高精确组织切除、牙科手术等)、激光雷达、自由空间光通信等领域具有重要的应用,而且还可以作为ZnGeP2、GaAs等中红外光参量振荡器及Cr2+激光器的抽运源。

Tm3+在800nm左右(3H63H4)有较强的吸收,可以与目前成熟的商品化AlGaAs 半导体激光器(LD)的发射波长相匹配,从而实现直接LD抽运全固态2μm波段激光运转。特别是,当Tm3+掺杂浓度优化后,相邻Tm3+离子之间存在较强的(3H4, 3H6)→(3F4,3F4)交叉弛豫过程,这可使2 μm波段激光跃迁过程的量子效率达到2,大大提高了LD抽运2 μm波段激光器的运转性能。另外,Tm3+在1.6~1.7 μm波段也存在较强的吸收,对应3H63F4跃迁。由于抽运光激发能级与激光上能级同处于一个大能级,故该抽运方式称为同带抽运或共振抽运,该抽运方案允许采用低掺杂浓度的掺铥激光介质,可在一定程度上减少激光材料中的热效应。


1 Tm3+能级结构图

因此,利用半导体激光器(LD)抽运Tm3+掺杂增益介质产生2 μm波段(3F43H6)激光是一条最直接的技术路径,具有结构简单、稳定性好、效率高等优点。

激光介质的选择

激光介质是发展高效率中红外固体激光器的关键环节。具有低声子能量的立方晶系倍半氧化物(如Y2O3、Sc2O3和Lu2O3)是一种有前景的Tm3+掺杂激光基质材料,这归功于其独特的优势:

1)    热导率高、声子能量小。介质较低的声子能量有助于降低无辐射跃迁几率。

2)    吸收光谱宽。Tm:YAG等晶体最强吸收峰位于785 nm附近,而Tm3+掺杂倍半氧化物晶体的吸收峰则可拓展到808 nm附近,因此可以采用性价比更高的商品化808 nm LD作为抽运源。

3)    荧光发射谱线特性优良。Tm3+的能级(尤其是3H6)存在较强的Stark劈裂,导致了较强的荧光谱线展宽,并使得Tm3+掺杂倍半氧化物晶体的发射谱线拓展到2.1 μm,且具有较大的受激发射截面。

4)    非线性折射率大。大的非线性折射率一方面也有利于实现克尔透镜锁模,另一方面有利于通过自位相调制加宽脉冲光谱,获得更短脉冲。

倍半氧化物陶瓷—不走寻常路

但是倍半氧化物晶体也存在一个很大问题,其熔点高达2400℃,并且存在相变点低于熔点的问题。尽管国内外的激光材料学家们在探索倍半氧化物单晶生长方法方面进行了一些工作(如Bridgman method、micro-pulling down method、热交换法等),然而到目前为止,仅可以生长很小尺寸的可用单晶材料。

近年来迅速发展的新型激光陶瓷是继单晶、玻璃之后又一值得瞩目的激光材料。

激光陶瓷成型工艺简单,烧结温度只有1800℃,大大低于单晶生长的熔融温度及相变温度,可制备出高光学质量、大尺寸的倍半氧化物激光陶瓷,并可实现激活离子的高浓度均匀掺杂,已在高平均功率超快激光领域取得重要应用。

2012年,俄罗斯科学院的O. L. Antipov等人实现了LD抽运Tm:Lu2O3陶瓷激光器高效运转,获得了26 W 2066 nm连续激光输出,相应的斜效率为42%。

2013年,芬兰坦佩雷理工大学E. J. Saarinen等人报道了1.97 μm Tm:Lu2O3陶瓷圆盘激光器,该圆盘激光器由1.2 μm 半导体圆盘激光器(SDL)腔内抽运。由于Tm:Lu2O3陶瓷并未加装冷却装置,1.97 μm激光的的输出功率限制在250 mW。

2016年, 俄罗斯Npogarev Mordovia State University 的P. A. Ryabochkina等人报道了809 nm波长LD抽运的Tm: Y2O3陶瓷在1.95 μm和2.05 μm波长的激光特性,在激光输出波长为1.95 μm时,激光的最大功率为2.4W,输出波长为2.05 μm时,激光的最大输出功率为0.3 W。

2017年,江苏师范大学的研究团队利用体布拉格光栅(VBG)作为选模元件,实现了785 nm LD 抽运2101 nm Tm: Y2O3陶瓷激光器连续和被动调Q运转。在连续激光运转下,波长锁定的Tm: Y2O3陶瓷激光器工作在2101.5 nm,线宽(FWHM)为0.4 nm,输出功率为1.1 W;在基于金纳米棒的被动调Q运转中,获得的最大平均输出功率为455 mW,最小脉冲宽度为609 ns,脉冲重复率为79 kHz。


图2 江苏师范大学制备的Y2O3陶瓷及其微观结构

图3自由运转及VBG波长锁定下Tm: Y2O3陶瓷激光器输出光谱

新型混晶型陶瓷—取其精华,按需调控

但能否真正实现物尽其用是一个值得思考的问题。如Tm: Sc2O3 3H6 能级的Stark劈裂最强,因此其2.0~2.1 μm内荧光谱线展宽效应最强(存在2120 nm和2148 nm两个峰)。但是由于Tm与Sc的摩尔质量相差巨大,故随Tm3+掺杂浓度的增加,Tm:Sc2O3的热导率显著减小。但要实现高效的3F4→3H6激光运转,Tm3+掺杂浓度一般应大于2at.%。对于Tm:Lu2O3,尽管其荧光谱线展宽适中,但其热导率随Tm3+掺杂浓度变化则很小。

最佳的增益介质应该是集Tm:Y2O3,Tm:Sc2O3和Tm:Lu2O3所长,即同时具有高的热导率、宽的荧光谱线及大的受激发射截面等优点。借鉴Nd3+掺杂钒酸盐混晶(mixed crystal)激光性能调控方面的成功经验,通过制备新型Tm3+掺杂倍半氧化物激光陶瓷满足以上苛刻的要求。相对于晶体来说,激光陶瓷制备技术上的优势使其更容易节组分的配比,从而实现掺杂离子的吸收和发射光谱更加有的裁剪和调控,为2~2.1 μm超快激光产生注入新的活力。

2017年,江苏师范大学的研究团队报道了新型Tm:LuScO3混晶型倍半氧化物陶瓷激光器。他们通过使用固态反应烧结方法成功的制备出了Tm:LuScO3陶瓷,并测量了室温下的吸收和发射谱。Tm:LuScO3陶瓷在1.9 μm波段的发射峰位于1970 nm,区别于Tm:Lu2O3的1940 nm 及Tm:Sc2O3的1980 nm发射峰。同时Tm:LuScO3荧光谱在2050~2150 nm范围内呈现单峰特性,且谱线更加平坦光滑,这表明混晶型倍半氧化物陶瓷具有可调控的光谱特性,在超快激光产生中具有重要的应用前景。

2017年,中国工程物理研究院化工材料研究所的研究团队通过热等静压法合成了4.76at.% Tm:(Lu2/3Sc1/3)2O3陶瓷。将Tm:(Lu2/3Sc1/3) 2O3陶瓷的光谱和激光性质与Tm:LuScO3单晶的光谱和激光性质进行比较,表明陶瓷具有非常宽且平坦的增益截面,如图4所示。


图4 Tm:(Lu,Sc)2O3陶瓷的测试光谱。(a) 3H63F4跃迁过程对应的吸收光谱及发射光谱;(b) 3F43H6跃迁的增益谱

2018年,德国马克斯-玻恩非线性光学与超短脉冲光谱学研究所等单位的研究人员进一步实现了Tm:(Lu2/3Sc1/3)2O3陶瓷的fs锁模激光运转。他们使用InGaAsSb量子阱SESMA和啁啾色散补偿镜,在3%输出耦合器条件下获得了230 fs 脉冲输出,中心波长2078 nm (线宽为20 nm),重复频率为89 MHz,最大平均输出功率为175 mW。当采用0.2%输出耦合器时,脉冲宽度为63 fs,其中克尔效应在脉冲压窄过程中发挥了重要作用。

发展展望

随着应用需求的不断拓展,对2μm波段激光高功率、高光束质量、超短脉冲的追求是一个必然趋势。对于掺铥固体激光器来说,热效应是限制激光器高功率、高光束质量输出的最主要原因,而超短脉冲的产生则涉及对掺铥介质荧光谱的选择与调控。相对于传统的Tm:YAG、Tm:YLF等介质,倍半氧化物介质的热导率更高,荧光光谱更宽并且更加平滑,可支持更短激光脉冲的产生。进一步结合陶瓷制备技术的独特优势,掺铥倍半氧化物陶瓷为新型增益介质结构化和功能化设计提供了更多可能性。笔者提出以下发展方向:

(1)基于复合结构激光陶瓷的热效应调控

陶瓷制备工艺容易实现多层、多功能复合结构点,为激光系统的自由设计提供了新机遇,而这一点对于单晶工艺是难以实现的。可充分利用激光陶瓷独特的制备优势,通过增益介质结构和冷却方式的优化,探索获得改善热效应的综合性方案,如制备复合结构的激光陶瓷(如Y2O3+Tm:Y2O3+Y2O3)或者梯度掺杂型激光陶瓷,为实现高效率、高功率、高光束质量激光输出提供解决方案。

(2) 基于混晶型陶瓷的光谱调控技术

如何实现倍半氧化物介质热导率与光谱特性的平衡是一个重要的研究课题。混晶型陶瓷即可以保持倍半氧化物本身高的热导,又由于其“混晶”结构导致了激活离子吸收和发射光谱的展宽,从而呈现出更加独特的光谱特性。综合Tm:Sc2O3与Tm:Lu2O3各自优势制备的Tm:(LuxSc1-x)2O3陶瓷呈现出更加显著的光谱展宽效应,并且能够根据需求对热导率、增益带宽、受激发射截面等参数进行调控(调节x值),为2.0~2.1 μm波段超快激光器提供更加理想的增益介质。