西安光机所攻坚克难，首次实现室温下掺钬复合碟片激光器

近日，来自中国科学院西安光学精密机械研究所（以下简称“研究所”）副所长付玉喜研究员领衔的研究团队，公布了一项关于新型掺钬激光器的最新研究成果。该激光器的发射波长接近2µm，未来可以为医疗和材料加工应用领域，提供一种新型紧凑的经济型光源。

研究论文发表在《光学快报》（Optics Express）杂志上，文中详细介绍了这一实验装置。研究人员使用了波长为1940nm的掺碲光纤激光器，来泵送碟片掺钬氟化钇锂（Ho:YLF）晶体。论文报告说，在波长约为2060nm处，连续波、近衍射限制的输出达到了26.5W的最大值。这是业界首次实现室温下的Ho:YLF复合碟片激光器。

复合碟片
工作在2µm光谱范围内的激光器因对眼睛的安全性、高吸水性和低大气衰减而备受推崇。然而该研究指出，传统2µm激光器通常需要低温冷却来控制热效应，从而增加了系统的复杂性和成本。因此，目前的高功率设计不适合用于结构紧凑、空间有限的应用场景，或是移动平台上。

由于晶体的折射率高于空气的折射率，因此存在全内反射的临界角。当入射角超过这个临界值时，抗反射涂层表面将完全反射，从而导致光子在晶体内振荡，增强ASE效应。在本项研究中，为了提高机械强度和减轻ASE效应，研究团队考虑到全内反射的临界角，并对复合碟片设计进行了优化。

Ho:YLF碟片激光器示意图。(a)显示了基于12-pass泵浦模块的薄盘激光器的三维视图。(b)显示了实验装置，包括带有水冷式碳化硅散热器的复合薄盘激光头

如上图所示，研究人员采用了具有相同横截面几何形状的未掺杂YLF盖层。在这项工作中，未掺杂YLF盖层的厚度设计为2mm，从而能够在半径达2mm的泵浦区域内有效抑制纵向ASE。此外，通过将指数匹配的YLF盖层粘合到掺杂盘上，荧光被有效地引导出掺杂区，从而进一步改善了对纵向ASE的抑制。

他们在尺寸为8mm×8mm×0.5mm的复合碟片上，将掺杂2%钬离子的切面Ho:YLF激光晶体与未掺杂的氟化钇锂盖层粘合在一起。复合碟片的后表面还镀有一层高反射层，有效波长为1900-2100nm，覆盖了泵浦波长和发射波段。设计中没有使用低温冷却系统，而是采用了水冷式碳化硅散热器。

研究团队在论文中总结道：通过优化晶体的掺杂浓度和厚度、增加泵通过次数、加强散热策略，以及进一步提高泵功率，以进一步扩大输出功率。未来还需要进行研究，以探索Ho:YLF复合碟片放大器的性能。

Ho:YLF复合碟片晶体示意图。(a)Ho:YLF复合碟片的三维示意图。(b)焊接到碳化硅散热器上的Ho:YLF复合碟片照片。(c)Ho:YLF复合碟片沿泵浦光传播方向的横截面图
 

飞秒潜力
虽然该项研究还处于早期阶段，但其结果已经凸显了Ho:YLF碟片激光器作为高效紧凑型2µm光源的潜力，有望应用于精密材料加工、激光手术和遥感领域。此外，研究小组还认为Ho:YLF晶体的大带宽为在2µm附近处产生高平均功率和高脉冲能量的TW级飞秒脉冲，提供了一条前景广阔的途径。

这种能力有利于高功率单周期远红外飞秒激光脉冲的产生，和软X射线系统中高通量阿秒脉冲的产生等应用。研究人员将Ho:YLF复合碟片激光器，视为进一步开发高功率2µm激光系统的概念验证。他们希望这项研究成果能为从事Ho:YLF激光系统研究的激光工程师和科学家，提供有价值的参考。

ASE效应（Amplified Spontaneous Emission）‌是指在外界光泵作用下，固体或液体物质中的自发辐射光被放大，形成相干辐射的现象。ASE效应在光学材料中具有重要应用，特别是在钙钛矿材料中，ASE效应可以显著增强其光致发光量子产率，达到90%以上，并在三维、二维和纳米晶粒中存在自发辐射增强现象。‌

碟片激光器是一种基于薄片状激光晶体的全固态激光器，可实现高转换效率、高光束质量、高峰值功率和大脉冲能量的激光运转。碟片激光器可以通过增加泵浦光斑尺寸，来提高输出功率。在大能量输出时，大面积的泵浦光斑会引起严重的ASE效应，导致激光的转换效率下降。