【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所(簡稱“安光所”)孫敦陸研究員課題組在中紅外激光技術(shù)領(lǐng)域取得一系列重要突破。該團(tuán)隊(duì)圍繞2.8微米波段Er:SGGG(摻鉺鈧鎵釓石榴石)激光晶體，在材料制備、泵浦結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和激光性能優(yōu)化等方面獲得了系統(tǒng)性進(jìn)展，相關(guān)成果已連續(xù)發(fā)表在國際光學(xué)權(quán)威期刊上。這一研究不僅提升了我國在中紅外激光材料領(lǐng)域的核心競爭力，也為該波段激光在生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域的實(shí)用化鋪平了道路。
瞄準(zhǔn)關(guān)鍵波段：2.8微米激光的獨(dú)特價(jià)值與應(yīng)用前景
中紅外波段(特別是2.8微米附近)的激光被稱為“水分子的吸收指紋區(qū)”。由于水分子對該波長的光有極強(qiáng)的吸收，使其在生物組織切割、手術(shù)止血等醫(yī)療領(lǐng)域具有無可替代的優(yōu)勢——手術(shù)精度高、創(chuàng)傷小、愈合快。同時(shí)，該波段激光在大氣中有特定的傳輸窗口，也是環(huán)境光學(xué)遙感、激光雷達(dá)、紅外對抗以及非線性光學(xué)頻率變換的關(guān)鍵光源。然而，長期以來，能夠高效、穩(wěn)定產(chǎn)生該波段激光的增益介質(zhì)材料有限，制約了相關(guān)設(shè)備的發(fā)展。安光所團(tuán)隊(duì)的研究正是針對這一核心材料難題展開。
核心突破一：創(chuàng)新材料制備，實(shí)現(xiàn)高效脈沖激光輸出
研究團(tuán)隊(duì)首先從材料源頭進(jìn)行創(chuàng)新。他們采用提拉法，成功制備出高摻雜濃度(30at.%)的Er:SGGG晶體。SGGG作為一種混合石榴石晶體，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)能使激活離子(Er³?)的吸收和熒光光譜有效展寬，更利于吸收泵浦光。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該晶體在970納米泵浦波長處的吸收帶寬達(dá)19納米，這降低了對泵浦光源波長穩(wěn)定性的苛刻要求。
基于此優(yōu)質(zhì)晶體，團(tuán)隊(duì)使用常見的970納米激光二極管進(jìn)行單端面泵浦。在脈沖工作模式下(重頻400赫茲，脈寬300微秒)，成功實(shí)現(xiàn)了峰值輸出功率達(dá)404毫瓦的2.8微米激光，光光轉(zhuǎn)換斜率效率高達(dá)15.6%。這一結(jié)果證明了Er:SGGG晶體作為高效中紅外脈沖激光增益介質(zhì)的巨大潛力。
核心突破二：設(shè)計(jì)雙端泵浦，大幅提升連續(xù)激光功率
脈沖激光適用于許多場景，但諸如激光手術(shù)、連續(xù)波遙感等應(yīng)用則需要高功率的連續(xù)激光。然而，高功率泵浦下產(chǎn)生的嚴(yán)重?zé)嵝?yīng)是制約連續(xù)激光性能的世界性難題。
為此，安光所團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)了雙端泵浦激光結(jié)構(gòu)。顧名思義，該結(jié)構(gòu)從晶體兩端同時(shí)注入泵浦光，使泵浦能量和熱負(fù)荷在晶體內(nèi)部均勻分布，極大緩解了局部過熱問題。采用這一“降溫妙招”后，Er:SGGG晶體實(shí)現(xiàn)了450毫瓦的2.8微米連續(xù)激光輸出，光束質(zhì)量也保持良好。這標(biāo)志著向高功率、實(shí)用化的中紅外連續(xù)激光器邁出了關(guān)鍵一步。
核心突破三：首創(chuàng)鍵合晶體結(jié)構(gòu)，攻克光束質(zhì)量與熱管理難題
為進(jìn)一步優(yōu)化性能，團(tuán)隊(duì)在晶體結(jié)構(gòu)上做了更精妙的“微創(chuàng)手術(shù)”——研發(fā)了鍵合激光晶體。他們將未摻雜的透明SGGG晶體與摻鉺的Er:SGGG增益介質(zhì)通過光學(xué)鍵合技術(shù)“無縫焊接”在一起，制備出SGGG/Er:SGGG和SGGG/Er:SGGG/SGGG(即“三明治”結(jié)構(gòu))兩種新型復(fù)合晶體。
這一設(shè)計(jì)的精妙之處在于：
顯著改善光束質(zhì)量：端帽式的透明SGGG晶體能有效抑制熱透鏡效應(yīng)，使激光輸出光束更純凈、發(fā)散角更小。在“三明治”結(jié)構(gòu)中，團(tuán)隊(duì)獲得了接近衍射極限的優(yōu)異光束質(zhì)量因子(M²因子低至1.06/1.11)。
高效管理熱量：鍵合結(jié)構(gòu)如同為增益介質(zhì)加裝了“散熱翅片”，大幅提升了散熱能力，允許晶體承受更高的泵浦功率。
提升輸出功率：在單端泵浦SGGG/Er:SGGG鍵合晶體時(shí)，連續(xù)激光輸出功率被進(jìn)一步提升至520毫瓦，斜率效率達(dá)到10.4%，創(chuàng)造了同類研究中的優(yōu)異指標(biāo)。
總結(jié)與展望：為新一代中紅外激光器提供“中國方案”
安光所的這項(xiàng)系列研究，從材料制備、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到性能優(yōu)化，完成了一次從基礎(chǔ)到應(yīng)用的閉環(huán)創(chuàng)新。它系統(tǒng)性地證明了Er:SGGG是一種綜合性能優(yōu)異、極具應(yīng)用潛力的2.8微米中紅外激光增益介質(zhì)。
該研究不僅為開發(fā)更緊湊、高效、穩(wěn)定可靠的新一代中紅外激光器提供了關(guān)鍵的“晶體心臟”選項(xiàng)，也對推動(dòng)高端醫(yī)療設(shè)備、先進(jìn)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)等領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。未來，隨著泵浦技術(shù)和散熱方案的進(jìn)一步優(yōu)化，基于Er:SGGG晶體的激光器有望實(shí)現(xiàn)更高功率輸出，從而開啟更廣闊的應(yīng)用市場，彰顯我國在尖端光電材料與器件領(lǐng)域的自主研發(fā)實(shí)力。
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