基于宽光谱稀土离子掺杂氟化物混晶的超快激光器研究

With the development of the diode-pumped ultra-fast laser technology, the broad-spectrum fluoride mixed crystal doped with rare earth ion is becoming more attractive. At 1μm wavelength, by doping Nd3+ ion and codoped Y3+ ion to reconstruct the distributed structure of Nd3+ ion, an unevenly widening of the spectrum of Nd3+ ion and low threshold femtosecond laser output can be achieved. At 3μm wavelength, by doping high ~10at% Er3+, it becomes a potential competitive mid-IR lasers crystal due to its relatively low doping concentration and low phonon energy. This project will study the physical and spectroscopic characteristics of the Nd/Y codoped CaF2-SrF2 crystal and Er doped CaF2-SrF2 crystal. For the first time, we will theoretically and experimentally investigate the characteristics of passive mode-locking ultra-fast laser of Nd,Y:CaF2-SrF2 at 1μm wavelength and Er:CaF2-SrF2 laser at 3μm wavelength under diode pumping, focusing on the stable ultra-fast laser operating conditions with novel carbon saturable absorber as modulator element. That would reveals the 3μm wavelength CW mode-locking mechanism by which the ultra-fast laser output with broad tunability and high power can be achieved. The results of this project would help the development of small scale femtosecond laser device , which has a great scientific significance.

随着LD泵浦超快激光技术的发展, 具有宽光谱特性的稀土离子掺杂氟化物混晶受到人们的关注。在1μm波段, 通过Nd3+离子共掺Y3+调控Nd3+的局域配位结构，可实现Nd3+光谱的非均匀加宽, 获得低阈值、高效飞秒激光输出; 在3μm波段, 掺入浓度约10at.%Er3+离子即可实现激光输出, 较低的掺杂浓度和低声子能量的独特优势使之成为极具竞争潜力的中红外激光晶体。本项目拟在对Nd,Y:CaF2-SrF2、Er:CaF2-SrF2混晶的物理与光谱特性进行全面表征的基础上,首次从理论和实验上研究LD泵浦Nd,Y:CaF2-SrF2晶体在1μm波段、Er:CaF2-SrF2晶体在3μm 波段的被动锁模超快激光特性。重点探索以碳基饱和吸收体为调制元件的超快激光稳定运转条件, 揭示3μm 波段的锁模激光机理, 实现宽调谐、高功率超快激光输出。相关研究结果对发展小型飞秒激光器件具有重要的科学意义。

随着LD泵浦超快激光技术的发展，在几十飞秒到亚皮秒超快时域中，实现LD直接泵浦的效率高、低成本小型全固态超快激光，有重要的应用价值。本项目分别针对Nd3+掺杂、Er3+掺杂的新型氟化物晶体，从理论和实验两方面，重点开展了LD泵浦1μm波段、2.8μm波段的短脉冲和超短脉冲激光特性研究。在1μm波段，我们在Nd3+：CaF2/SrF2晶体中掺入晶格调剂离子，打破了“团簇”效应，有效展宽了晶体的光谱范围, 获得了LD泵浦低阈值高效率的百飞秒量级超快激光输出；在2.8μm波段，我们巧妙的利用Er3+掺杂CaF2-SrF2 晶体的“团簇”效应，在Er3+离子极低掺杂浓度（3at.%）下，克服了2.8μm激光振荡自终止效应，实现了LD泵浦Er: CaF2-SrF2晶体的1.41 W连续激光输出，斜效率达39.2%。同时结合目前新型中红外波段可饱和吸收体，开展了一系列LD直接泵浦Er掺杂CaF2-SrF2晶体的调Q、锁模激光特性研究，实现了2.8μm波段的短脉冲和超短脉冲激光稳定运转。分别搭建了两个波段超快激光实验系统，优化了谐振腔参数，完成了项目的预期目标。研究表明，具有宽光谱特性的稀土离子掺杂氟化物晶体在全固态超快激光器件中有重要的发展前景。一代材料，一代器件，本项目的成功实施对此类激光晶体的优化生长、对新型中红外可饱和吸收体的制作研究也提供了重要的参考依据，相关研究结果对发展小型超快激光器件具有重要的科学意义。鉴于相关理论和实验研究，本课题还对其它几种稀土离子掺杂（Yb3+、Tm3+）氟化物激光晶体的超短脉冲激光特性进行了研究，取得了一些创新性成果。在本项目的资助下，在Opt. Lett.、Opt. Express、Laser Phys. Lett.、Opt. Mater. Express 等SCI 期刊上发表论文30余篇，培养硕士研究生6名、博士研究生2名。