铒激活3微米波段局部无序结构激光晶体ABX3O7(A=Ca,Sr,Ba;B=Y,La-Gd;X=Al,Ga)的研究

3微米波段激光在医学、军事、特殊气体检测、以及非线性光学等领域具有重要的应用价值。利用铒离子4I11/2到4I13/2跃迁实现激光输出是直接获得高光束质量和高性能3微米波段激光的理想途径之一。但现有的该波段可用激光材料还存在不少缺点，3微米波段激光的输出性能仍未能满足许多实际应用的需求。本项目计划深入地研究基质微观结构组成对3微米波段激光各种增益和损耗机制的影响规律，从具有局部无序结构的ABX3O7(A=Ca,Sr,Ba;B=Y,La-Gd;X=Al,Ga)晶体中优选出1～2种该波段激光的增益介质，并对激活离子及共掺退激离子浓度、晶体取向和泵浦方式等进行优化，实现高性能的3微米波段激光输出。同时，利用该类晶体具有的激光上能级储能特性好及增益谱带较宽的特性，采用InAs饱和吸收体对激光器进行被动调Q锁模，初步获得窄脉冲激光输出，为该波段固体激光在军事和民用等部门的广泛应用奠定坚实的基础。

铒离子3微米波段激光是固体激光领域的研究热点。本项目根据铒离子3微米激光运转特点，在综合考虑ABX3O7体系晶体结构特点及生长制备难易程度的基础上筛选出SrGdGa3O7作为铒激活3微米波段激光的基质晶体。由于晶体结构方面的原因，Er3+: SrGdGa3O7晶体中Er3+的优化浓度20 at.%主要是从晶体制备角度考虑的，而并非由光谱及激光运转特性确定。 Er3+: SrGdGa3O7晶体中Tm3+离子的引人，不但可以降低Er3+离子激光下能级离子的粒子布居数，还使得其3微米波段的荧光发射得以增强。通过对Er3+－Tm3+之间能量传递机理的详细分析研究，Er3+,Tm3+: SrGdGa3O7晶体中Tm3+离子的浓度被优化为1 at.%。采用提拉法生长出具有较好光学质量的20 at.%Er: SrGdGa3O7, 20 at.%Er3+, 1 at.%Tm3+: SrGdGa3O7，以及作为对比用的30 at.%Er:Gd3Ga5O12和30 at.%,0.5 at.%Tm3+:Gd3Ga5O12大单晶。搭建了3微米波段激光运转实验平台，在30 at.%Er:Gd3Ga5O12晶体获得了波长为2.82μm,斜率效率为14.2%，最高输出功率为1.79W的准连续激光输出。 退激离子Tm3+并没如预期的改善Er3+离子3微米波段激光的运转，在30 at.%,0.5 at.%Tm3+:Gd3Ga5O12晶体上2.82μm激光输出的最大斜效率仅为9.3%，最高输出功率也只达到1.0W, 这可能与Er3+与Tm3+离子间存在的一些对Er3+离子3微米波段激光不利的交叉弛豫过程在激光运转时被加强有关。本项目所涉及的20 at.%Er: SrGdGa3O7, 20 at.%Er3+, 1 at.%Tm3+: SrGdGa3O7则可能由于Er3+离子浓度低,未能通过相关的交叉弛豫过程有效突破Er3＋离子3微米激光固有的瓶颈效应而未获得激光输出。