基于掺钬氟化物3μm和2μm级联激光特性研究

Owing to the particularity of transition levels of 3-μm lasers, the traditional pump method inevitably leads to lower quantum efficiency. Compared with the near-infrared wavelength, the output recordes of 3-μm lasers have severely lagged behind. In view of the problem of long lifetime and large gap to the ground state of the lower laser level for 3-μm active ions, we will put forward the technique of "dual-wavelength cascade laser" to realize efficient, lower threshold 3-μm lasers in this project, which can depopulate the lower laser level effectively by generating the 2-μm laser, and reduce the heat caused by multi-phonon relaxation. The fluoride crystal which has the merits of lower phonon energy and negative temperatural coefficient of refractive index will be investigated. According to the laser dynamic process of the cascade laser, we will establish its appropriate theoretical model. After that, the mid-infrared characteristics of the Ho:LiLuF4 crystal will be researched to obtain high conversion efficiency 3-μm laser. The holmium-doped fluoride crystal cascade laser technique will solve the technique bottleneck of 3-μm solid state lasers, and explore a new route to realize high conversion efficiency for mid-infrared solid state lasers, which will lay a technical foundation to high power mid-infrared lasers.

由于3 µm激光跃迁能级的特殊性，传统抽运方式必然导致较低的量子效率，其激光输出指标相比于近红外波段严重滞后。在此研究背景下，本项目基于3 µm激活离子下能级寿命长、距离基态较远的特点，提出“双波长级联输出”的技术途径，通过2 µm激光的输出，消耗激光下能级堆积粒子数，促进3 µm激光的产生。旨在有效缩短粒子在激光下能级停留的时间，同时减少无辐射跃迁产生的热量，并以氟化物晶体这种具有低声子能量和负折射率温度系数等优点的基质为研究对象，研究和发展高效率、低阈值的3 µm激光新技术。主要内容包括：明确掺钬级联激光的动力学过程，建立正确的理论模型；采用级联激光技术，实验研究Ho:LiLuF4激光晶体中红外激光性能，实现高质量的3 µm激光输出，突破目前3 µm固体激光器的技术瓶颈，探索实现高转换效率的中红外固体激光技术新途径，为实现中红外激光的高功率输出奠定技术基础。

中红外波段（3~5 μm）激光由于在环境监测、医疗以及国家安全等方面都有着重要的应用，近年来逐渐成为国际激光技术领域的研究热点。相比于较成熟的1 um等近红外波段激光技术, 3 μm激光技术虽然起步较早，但发展相对缓慢。.基于3 μm激活离子下能级寿命长、距离基态较远的特点，本项目主要研究了掺退敏化离子掺钬氟化物晶体的中红外激光特性。首先理论研究了掺钬氟化物的激光动力学过程，分别讨论了激发态吸收（ESA）、能量上转换（ETU）和交叉弛豫（CR）等能量转移过程对Ho3+激光输出性能的影响，并从实验上得到了验证；根据测定的掺钬氟化物晶体的光学参数，建立了其激光热模型，并以此为依据设计了微通道冷却热沉；分别实现了1.15 μm泵浦的掺钬氟化物2 μm和3 μm的连续激光输出，这也是首次实现掺钬固体激光3 μm连续激光的输出，输出功率>100 mW。采用了自制的二维材料可饱和吸收体，研究了掺钬激光3 μm的脉冲激光性能，获得了最短385 ns的被动调Q激光输出。.研究结果表明，掺钬激光晶体有望成为获得高质量3 μm连续激光优秀的激光介质，同时也说明了掺入退敏化离子可以有效地缩短激光下能级寿命，是提高中红外激光输出性能的有效技术路径。以上结果为获得高效率的中红外固体激光提供了新的技术途径。