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光學工程
中科院上海硅酸鹽所高功率激光晶體研究獲進展

激光技術經過半個多世紀的發展,超強超短激光技術是其前沿,受到國際上各個發達國家和經濟體的重視,而具有寬帶發射光譜特性的激光材料是超強超短激光器的關鍵基礎元件之一。稀土離子摻雜的堿土氟化物AeF2晶體(Ae: Ca、Sr、Ba)一個顯著的特點是激活離子的多重局域配位結構,形成類似于玻璃的寬光譜特性,同時具有晶體材料高的熱導率,已成為主要的超強超短增益介質材料之一。此外,這類激光材料還具有以下優點:非常寬的透射范圍,可以從深紫外一直到中紅外;低的非線性折射率(n2),可以降低高強度激光泵浦作用下的非線性效應;較低的聲子能量,有利于提高熒光量子效率;具有負的折射率溫度系數(即熱光系數),在高能量密度下有利于獲得高質量的激光光束;可以獲得大尺寸單晶等。

中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員蘇良碧、徐軍團隊自2003年開始系統開展了Yb:CaF2晶體的研究工作,提出“在稀土摻雜堿土氟化物(AeF2,Ae = Ca, Sr, Ba)激光晶體中摻入M+(或Me3+),可以在原子、分子和基團尺度上調控稀土離子的局域配位結構”的學術思想,發現在Yb3+:CaF2晶體中調整Na+和Yb3+的濃度比可以調節其吸收和發射光譜性能,并可形成獨特的光譜性能,即在低溫下(<80K)仍然具有寬吸收和發射光譜,有利于實現Yb3+離子低溫四能級超快激光輸出。與德國耶拿大學(POLARIS工程)、奧地利維也納技術大學合作,分別實現了全LD泵浦的TW(太瓦,1012瓦)級超強超短激光輸出和低溫飛秒激光放大,使該晶體成為國際上發展新一代全LD泵浦超強超短激光裝置的主要增益介質之一。

最近,上海硅酸鹽所在Y3+,Nd3+:CaF2激光晶體中研究發現,通過調整摻雜離子Y3+、Nd3+的比例和組成,可以改變激活離子Nd3+在晶格中的微觀局域配位結構,從而使得該晶體的光譜參數可以在一定范圍進行調控:發射波長1040~1070nm、發射帶寬(FWHM)15~31nm、發射截面1.5~4.5*10-20cm2、壽命200~1000μs等。由此,賦予了Nd:CaF2晶體材料新的生命力:2012年3月首次采用鈦寶石泵浦實現了Nd,Y:CaF2晶體的激光輸出;特別是2014年,與上海交通大學教授謝國強、錢列加等合作,采用LD泵浦實現了103fs的SESAM鎖模超短脈沖激光輸出,這是國際上首次在摻Nd的激光晶體中實現百飛秒鎖模激光輸出。此外,與中科院物理研究所魏志義研究員合作,實現了Nd,Y:SrF2晶體高效率的飛秒(332fs)鎖模激光輸出:激光斜率效率最高達67%,這是迄今Nd激光晶體中飛秒激光輸出的最高效率。該晶體在高能重頻激光系統中也展現出良好的應用前景。

以上工作得到了國家自然科學基金面上項目、重點項目和優秀青年基金,以及國家“863”計劃的資助。


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