掺Pr3+和Pr3+/Yb3+共掺YAG激光陶瓷上转换蓝光产生机理及实验研究

Trivalent praseodymium (Pr3 +) ions presents various visible spectral features, which is indicated that it’s one of the ideal rare earth ions which can produce visible laser directly. However, due to the lack of visible laser pump sources, the limitation of laser crystal growth-cycle and optical quality, visible laser based on Pr3+ has not gotten rapidly development today. In this project, upconversion technology is used to produce visible laser directly. Upconversion mechanism of energy-level transition and experiments of upconversion laser are studied based on Pr3+ and Pr3+/Yb3+ doped YAG laser ceramics. By means of spectrum measurement, the energy-level of Pr3+ in YAG laser ceramic are obtained, which can be used to analyze the upconversion mechanism of energy-level transition. The three-energy-level rate equation of upconversion blue laser transition is established under different upconversion mechanism. The simulation results are used to determine the optimal pumping scheme for conversion laser and guided the experiments of the upconversion blue laser. The potential of Pr3+ and Pr3+/Yb3+ doped YAG laser ceramics as a new upconversion laser material is explored further.

三价镨离子（Pr3+）在可见光波段具有丰富的谱线，是直接获得可见激光输出理想的稀土离子之一，然而受制于可见光泵浦源的发展滞后和激光晶体生长周期、光学质量的限制，时至今日Pr3+可见光激光器并未得到长足的发展。本项目利用上转换技术来获得可见激光输出。基于掺Pr3+和Pr3+/Yb3+共掺的YAG激光陶瓷，开展能级跃迁的上转换机理及上转换激光的实验研究。通过光谱测量的手段，获得Pr3+在YAG激光陶瓷中的能级信息，并用于分析能级跃迁的上转换机理。在不同上转换机理下建立上转换蓝光跃迁的三能级速率方程，确定实现上转换激光输出的最佳泵浦方案，用于指导并获得上转换蓝光激光输出，并进一步探索新型的掺Pr3+和Pr3+/Yb3+共掺的YAG激光陶瓷在上转换激光材料方面的发展潜力。

可见光波段的激光在彩色激光显示、高密度光存储、海洋水色和海资源探测等诸多方面有良好的应用前景。目前,在全固态激光器中获得可见激光的方法多采用非线性频率变换的技术手段。三价镨离子（Pr3+）的能级结构允许产生红光、深红光、橙光、绿光和蓝光等多条可见光谱线的跃迁，是目前为数不多的可直接获得可见激光输出理想的稀土离子之一，探索Pr3+激光器在可见光波段的输出潜力，对于拓展可见激光在军事和民用方面的应用，具有重要意义。. 本项目研制了新型的Pr:YLF激光晶体和Pr:YAG激光陶瓷，并开展了相应的介质吸收谱和发射谱的研究，结果表明掺Pr3+激光介质在442nm, 467nm, 479nm, 584nm, 594nm附近存在较强的吸收峰，其主吸收峰位于442nm附近；在479nm、522nm、546nm、607nm、640nm、697nm和720nm附近存在较强的发射，最强的发射谱线位于607nm和640nm附近，同时在蓝光480nm-490nm附近，也具有很强的荧光发射谱，这验证了利用Pr3+激光介质直接输出蓝光和其它波段可见光的可行性。基于掺Pr3+和Pr3+/Yb3+共掺YAG激光陶瓷建立了上转换蓝光跃迁的三能级速率方程，同时基于能级跃迁理论还建立了包含上转换和激发态吸收的三能级速率方程，模拟并讨论了能量传递上转换和激发态吸收对于泵浦阈值和反转粒子数空间分布的影响。分析结果表明，在Pr3+晶体中产生479 nm三能级激光输出时，上转换的存在会对激光输出产生影响，尤其是对于泵浦阈值的影响。完成了Pr3+激光器参量优化设计，在脉冲泵浦下，Pr：YLF晶体长度分别为3mm，4mm，5mm，6mm时的输出镜最优透过率分别为9%，10.2%，12.3%，14%；在连续泵浦下，Pr：YLF晶体长度分别为3mm，4mm，5mm，6mm时的输出镜最优透过率分别为6.7%，6.9%，7%，7%。搭建实验平台，获得了Pr:YLF激光器640nm橙光和479nm蓝光激光输出。其中在442nm脉冲染料激光器泵浦下，脉冲640nm激光能量输出最高达到142.3μJ，斜效率达12%。本研究结果说明利用Pr3+激光介质直接获得可见光激光输出方案的可行性，下一步可继续开展其性能优化研究及其它可见光波段激光输出的研究。