带内泵浦Ho3+掺杂过氧化物晶体2μm波段超快激光特性研究

2 μm ultrafast lasers have important applications in many fields such as industry, military, environment and communications. Peroxide crystals developed in recent years are excellent materials for the mid-infrared solid-state lasers especially for high power lasers owing to their low phonon energy, high thermal conductivity and damage threshold. Among these, Lu2O3 crystal can maintain its high thermal conductivity even if doped with high concentrations of Er3+, Ho3+ ,Yb3+ or other active ions，this is because of the close relative atomic masses between the Lu atoms and the lanthanide active ions. In this project, we study the lasing properties of the Ho3+:Lu2O3 crystal. By studying the thermal and the spectra properties of the crystal， and by employing in-band pump to the Ho3+:Lu2O3 crystal, we expect to obtain high power 2 μm CW lasing output. Employing GaSb-SESAM with high damage threshold as mode-locker, we expect to realize the high power, stable operation of CW mode-locking of Ho3+:Lu2O3 laser, and expect to obtain above 5 Watt pico- and subpicosecond ulrafast laser pulses output, which would provide the regular basis for the realization of high efficiency all solid-state 2 μm ultrafast lasers.

中红外2 μm波段超快激光在工业、军事、环境、通讯等领域具有广泛的应用。过氧化物晶体具有低声子能量、高热导率、高损伤阈值等优点，是优异的中红外固体激光基质。Lu2O3晶体由于Lu原子与镧系激活离子具有相近的原子质量，因此在Lu2O3基质中掺杂高浓度Er3+，Ho3+，Yb3+等激活离子，也不会导致晶体热导率显著下降，是获取高功率激光输出的理想介质。本项目以新型过氧化物晶体Ho3+:Lu2O3为研究对象，研究晶体的热效应及光谱特性，利用带内泵浦技术实现2μm波段高功率连续激光输出，并以高损伤阈值的GaSb-SESAM作为锁模元件，实现Ho3+:Lu2O3超短脉冲激光的高功率稳定运转，获得2μm波段高于5W的皮秒-亚皮秒超快激光输出，揭示2μm波段高功率超快激光的稳定运转条件。

中红外2μm波段超快激光在工业、军事、环境、通讯等领域具有广泛的应用。过氧化物晶体具有低声子能量、高热导率、高损伤阈值等优点，是优异的中红外固体激光基质。Lu2O3晶体由于Lu原子与镧系激活离子具有相近的原子质量，因此在Lu2O3基质中掺杂高浓度Er3+，Ho3+，Yb3+等激活离子，也不会导致晶体热导率显著下降，是获取高功率激光输出的理想介质。. 本项目以新型Ho3+:Lu2O3晶体为研究对象，通过对晶体的导热性能及光谱特性的研究，分析了能级跃迁的动力学过程，利用带内泵浦实现了2 μm波段高功率连续激光 输出，并利用GaSb-SESAM作为锁模元件，探究了2 μm波段高功率超快激光的稳定运转条件，实现了2 μm波段皮秒-亚皮秒超短激光脉冲的高功率稳定输出。揭示了2μm波段高功率超快激光的稳定运转条件。本项目.1）利用1.94um，5.4 W 的Tm:YAP激光器作为泵浦源，通过单端泵浦Ho3+:Lu2O3晶体，实现了斜效率为41% 的2.1 um连续激光输出，在5.4W的泵浦功率下，得到的最大输出功率为2.25 W，主要激光晶体未见异常。.2）采用Z型谐振腔结构，利用GaSb-SESAM做为饱和吸收体，实现了Ho3+:Lu2O3激光器的连续锁模运转，在4.9 W的泵浦功率下，得到了脉宽为27 ps，输出波长为2.09 um，输出功率为430 mW的锁模脉冲，继续提高泵浦功率，GaSb-SESAM出现了部分表面损伤。.3）作为对比，本项目还研究了2 um波段Tm3+掺杂、Ho3+掺杂YAP, YAlO3,LuAG等脉冲激光的输出特性，结合拓扑绝缘体等新型饱和吸收材料作为调制器件，研究对比了GaSb-SESAM与新型饱和吸收材料的调制特性。通过研究对比，GaSb-SESAM具有相对较短的饱和恢复时间和较高的损伤阈值，更适合用于产生高功率超短激光脉冲。. 通过本项目的实施，不仅有效提高了中红外2 μm波段超快激光的功率输出特性，为获得2 μm波段高功率超快激光提供了规律性依据，为将中红外超快激光的应用推广提供了参考和更丰富的选择。