Tm-Ho: SrGdGa3O7无序激光晶体生长及2μm波段超短脉冲研究

Ultrashort pulse (picosecond and femtosecond) lasers in the 2-μm spectral range will offer new possibilities for coverage of the mid-infrared spectral range with solid state ultrafast laser sources. Eye safe lasers emitting in the 2-μm spectral range have potential applications in the fields of medicine, laser radar and atmosphere monitoring.The development of such mode-locked lasers operating in the 2-μm spectral range based on rare-earth doped fibers and bulk crystals started only recently. The research planned will be focused on development of novel short and ultrashort pulse bulk solid state lasers operating in the 2-μm spectral range based on specially designed Tm and Ho co-doped disordered SrGdGa3O7 crystal. Tm-Ho: SrGdGa3O7 crystal have broader absorption and emission spectra. Strong inhomogeneous broadening of the pumping band improves spectral overlap with the relatively broad emission band of a diode laser (DL). A broad fluorescence linewidth facilitates the production of short, mode-locked pulses. Tm-Ho: SrGdGa3O7 single crystals were grown by the Czochralski method. Characterization on Tm, Ho: SrGdGa3O7 crystal quality, thermal properties，optical properties and laser performance were carried out. The main objective will be to fill the gap in the 2-μm spectral range where short and ultrashort pulse solid-state lasers have shown only unsatisfactory performance or simply do not exist.

2μm激光位于人眼安全波段，在大气中传输特性好，可覆盖水分子和CO2分子的吸收带，其超短脉冲在软X射线阿秒脉冲产生、激光雷达、医学治疗等领域具有重要需求。超短脉冲的产生需要超宽光谱，决定于激活离子和基质材料。国内外对2μm超短脉冲研究处于起始阶段。 本项目提出铥（Tm）和钬（Ho）共同掺杂的无序激光晶体-SrGdGa3O7，对其2μm超短脉冲产生进行研究。采用提拉法生长Tm-Ho: SrGdGa3O7晶体，通过对其热学、光谱和激光性能的系统表征，建立浓度-无序度-光学质量-热学-光谱之间的关系，指导完善生长工艺；采用色散补偿技术及相应锁模元件，探索2μm超短脉冲实现的可能性。 本项目的研究可以为2μm超短脉冲激光产生提供新的思考，具有科学意义和实用前景。

超快激光正在从近红外1μm波段向2μm中红外波段拓展，2μm波段超快激光器在中红外超连续谱产生、时间分辨分子光谱学、光通信、频率计量、光医学等领域具有潜在的应用。本项目提出的铥（Tm）和钬（Ho）共同掺杂的无序激光晶体SrGdGa3O7晶体是一类无序超快激光晶体。SrGdGa3O7 晶体属于一类无序黄长石晶体，分子式是ABC3O7，其中，A=Ca，Sr，Ba；B=La，Gd；C=Ga，Al。空间群是p421m 。无序结构形成许多结构上不同的激活中心，造成光谱包括吸收光谱和发射光谱的非均匀加宽，并使得受激发射截面减小。宽的吸收光谱，大大提高了激励能的利用率；而宽的发射谱线是产生锁模（尤其是飞秒脉冲）激光所梦寐以求的。本项目从材料制备、热学性质、光学性质、激光性质几个方面对Tm-Ho:SrGdGa3O7晶体进行了研究,内容与结果如下：.1.晶体生长.讨论温场、籽晶、生长气氛及转速等工艺参数对于晶体生长的影响，生长透明、无开裂等宏观缺陷的质量良好的晶体。.2.基本物理性质.2.1晶体物相和结构研究。Tm-Ho: SrGdGa3O7系列晶体属于黄长石结构，空间群为p421m ，摇摆曲线半峰宽最小达到18”，晶格完整度高，Tm3+和HO3+的分凝系数分别约为0.65和0.84。.2.2热学性质（热膨胀、比热、热扩散和热导率）表征。热膨胀系数在10-6/K数量级，各向异性小；室温下比热为0.407J/gK；热扩散系数为λ11=0.68mm2/s，λ33=0.64mm2/s。室温下晶体的热导率为 κ11=1.55W/m/K， κ33=1.47 W/m/K，高于玻璃的热导率。Tm-Ho: SrGdGa3O7晶体热导率随温度升高而升高，表现了与玻璃类似的性质，无序晶体的特征。.2.3吸收和发射光谱测量，利用J-O理论计算了光谱参数。σ偏振吸收强于π偏振吸收，具有大的吸收半峰宽和发射半峰宽，受激发射截面较小，荧光寿命长，宽的发射谱线使这种材料适合于锁模和可调谐激光器中的应用。.3.激光性能.Tm-Ho: SrGdGa3O7晶体的连续激光性能研究。在输出透过率为1.5%时，在泵浦功率为9.12W，实现最大输出功率163mW。.Tm-Ho: SrGdGa3O7晶体的研究，对于中级对称晶系无序晶体光谱和热学性质的研究，分析无序结构与超快激光性能的关系，新型超快激光材料的探索具有重要意义。