掺铒钒酸镥钆系列单晶生长及人眼安全连续及脉冲红外激光输出

All solid state lasers have played an important role in modern science and technology, as well as in military regime and intended to high power, miniature and abundant laser wavelengths. The research and development of eye-safe lasers has been one of hot pots recently in modern laser technology. Laser crystal is the most material basis of all solid state lasers. Since 1990's the erbium doped laser crystals have attracted many attentions. Er:YAG and Er:YVO4 crystals have been grown and their laser performance have been investigated. In this proposal, we will focus our intention to the erbium doped gadolium, and lutetium vanadate serious (Er:GdxLu1-xVO4) crystals. The relationships among the contents of the crystals and dopants (including sensitized ions), homogeneity, and laser characters will be fully investigated. A series of high quality laser crystals will be obtained to meet the needs of eye-safe CW and pulsed laser performances. By this research, the basic roles of the solid solution series laser crystals such as the relationship between the basic properties (thermal conductivity, spectra, etc.) and laser characters (efficiency, power and sensitized ions etc.) will be explored. A prototype of eye safe lasers will be manufactured.

全固态激光器在高科技产业、科学研究及国家安全等方面有许多不可替代的重要作用，目前正向高功率、小型化和拓展波长的方向发展。人眼安全全固态激光器是当前激光技术发展的一个前言和研究热点。激光晶体是全固态激光器的材料基础。自90年代开始，以铒为激活离子的激光晶体为人们所重视，对Er:YAG和Er:YVO4晶体的生长及激光特性进行了研究。. 本项目以掺铒钒酸钆镥（Er:GdxLu1-xVO4,x=0-1）系列晶体为对象，研究晶体组分、激活离子浓度、敏化离子种类及晶体质量的均匀性对晶体激光特性的影响。以人眼安全连续和超快（脉冲）激光运转为目标，获得优化的掺铒钒酸钆镥晶体。通过本项目的研究将获得固溶体激光系列晶体基本性质（如热导、光谱等）与激光特性（效率、功率、敏化等）间的变化规律，得到优化的人眼安全激光晶体，并实现人眼安全连续和脉冲运转，获得人眼安全全固态激光器原型器件。

随着激光技术和应用的发展，人们对不同波段激光的需求日益迫切，特别是在各种不同应用中人眼安全激光的需求巨大。人眼安全激光是指波长在1.45-1.7 μm窗口区内的红外激光。根据以前报道，三价铒（Er3+）离子的4I13/2→4I15/2在不同激光增益晶体中典型的发射波段位于1.5-1.65 μm，显然是被人眼安全波段覆盖，属人眼安全激光。因此，对于铒离子掺杂激光晶体材料的研究具有重要的科学意义和潜在的应用价值。针对国内外研究现状和脉冲人眼安全激光重要需求，基于钒酸盐晶体的特性，在本项目中，我们采用提拉法优化掺铒钒酸镥钆系列晶体生长工艺，获得了大尺寸、不同掺杂浓度（1 at%-5 at%）的掺铒钒酸镥钆系列晶体。结果发现，铒离子高掺杂时，其离子间交叉弛豫效应可有效降低下能级寿命，形成有效粒子束反转，实现激光辐射。同时，高掺杂可克服铒离子吸收截面小的本征难题，获得泵浦光的有效吸收。另外，我们采用铒和镱离子共掺的方式，利用交叉弛豫实现能量从镱离子到铒离子间传递，进一步增大了吸收和提高了吸收效率。通过计算机理论模拟晶体生长过程，以提拉法生长了掺铒和镱钒酸镥钆系列晶体，该晶体具有高质量，沿a方向生长，尺寸约为φ25 mm×20 mm。通过热学性能和光谱性能表征，该系列晶体可以实现脉冲激光运转和人眼安全超快激光。在晶体生长和基本物理性能研究基础上，以1.5 µm光纤作为泵浦源，我们首次实现了铒掺杂钒酸镥晶体1.6 µm人眼安全波段激光高效输出，其最大输出功率为4.6 W和斜效率为64%。此外，铒离子也可以实现2.7 μm波段激光输出。通过ABCD矩阵计算了激光谐振腔，搭建了2.7 μm波段激光平台，以Er:YGG氧化物晶体为激光增益介质，国际首次实现了瓦级激光输出，其输出波长为2.8 μm。.在国内外学术刊物上发表论文 10 篇，授权发明专利 2 项，申请发明专利 1 项，培养研究生 5 名。