摻銩倍半氧化物陶瓷—2μm波段雷射的優先選擇

　　2 μm波段雷射處在大氣窗口、水的強吸收帶和人眼安全區，在透明塑性材料加工、大氣環境監測（CO2, N2O等氣體在2 μm波段有吸收峰）、臨床醫學治療（如高精確組織切除、牙科手術等）、雷射雷達、自由空間光通信等領域具有重要的應用，而且還可以作為ZnGeP2、GaAs等中紅外光參量振蕩器及Cr2+雷射器的抽運源。

　　Tm3+在800 nm左右（3H63H4）有較強的吸收，可以與目前成熟的商品化AlGaAs 半導體雷射器（LD）的發射波長相匹配，從而實現直接LD抽運全固態2μm波段雷射運轉。特別是，當Tm3+摻雜濃度優化後，相鄰Tm3+離子之間存在較強的(3H4,3H6)(3F4,3F4)交叉弛豫過程，這可使2 μm波段雷射躍遷過程的量子效率達到2，大大提高了LD抽運2 μm波段雷射器的運轉性能。另外，Tm3+在1.6~1.7 μm波段也存在較強的吸收，對應3H63F4躍遷。由於抽運光激發能級與雷射上能級同處於一個大能級，故該抽運方式稱為同帶抽運或共振抽運，該抽運方案允許採用低摻雜濃度的摻銩雷射介質，可在一定程度上減少雷射材料中的熱效應。

　　圖1 Tm

　　3+能級結構圖

　　因此，利用半導體雷射器（LD）抽運Tm3+摻雜增益介質產生2 μm波段（3F43H6）雷射是一條最直接的技術路徑，具有結構簡單、穩定性好、效率高等優點。

　　雷射介質的選擇

　　雷射介質是發展高效率中紅外固體雷射器的關鍵環節。具有低聲子能量的立方晶系倍半氧化物（如Y2O3、Sc2O3和Lu2O3）是一種有前景的Tm3+摻雜雷射基質材料，這歸功於其獨特的優勢：

　　1)熱導率高、聲子能量小。介質較低的聲子能量有助於降低無輻射躍遷機率。

　　2)吸收光譜寬。Tm:YAG等晶體最強吸收峰位於785 nm附近，而Tm3+摻雜倍半氧化物晶體的吸收峰則可拓展到808 nm附近，因此可以採用性價比更高的商品化808 nm LD作為抽運源。

　　3)螢光發射譜線特性優良。Tm3+的能級（尤其是3H6）存在較強的Stark劈裂，導致了較強的螢光譜線展寬，並使得Tm3+摻雜倍半氧化物晶體的發射譜線拓展到2.1 μm，且具有較大的受激發射截面。

　　4)非線性折射率大。大的非線性折射率一方面也有利於實現克爾透鏡鎖模，另一方面有利於通過自位相調製加寬脈衝光譜，獲得更短脈衝。

　　倍半氧化物陶瓷—不走尋常路

　　但是，倍半氧化物晶體也存在一個很大問題，其熔點高達2400℃，並且存在相變點低於熔點的問題。儘管國內外的雷射材料學家們在探索倍半氧化物單晶生長方法方面進行了一些工作（如Bridgman method、micro-pulling down method、熱交換法等），然而到目前為止，僅可以生長很小尺寸的可用單晶材料。

　　近年來迅速發展的新型雷射陶瓷是繼單晶、玻璃之後又一值得矚目的雷射材料。

　　雷射陶瓷成型工藝簡單，燒結溫度只有1800℃，大大低於單晶生長的熔融溫度及相變溫度，可製備出高光學質量、大尺寸的倍半氧化物雷射陶瓷，並可實現激活離子的高濃度均勻摻雜，已在高平均功率超快雷射領域取得重要應用。

　　2012年，俄羅斯科學院的O. L. Antipov等人實現了LD抽運Tm:Lu2O3陶瓷雷射器高效運轉，獲得了26 W 2066 nm連續雷射輸出，相應的斜效率為42%。

　　2013年，芬蘭坦佩雷理工大學E. J. Saarinen等人報導了1.97 μm Tm:Lu2O3陶瓷圓盤雷射器，該圓盤雷射器由1.2 μm 半導體圓盤雷射器（SDL）腔內抽運。由於Tm:Lu2O3陶瓷並未加裝冷卻裝置，1.97 μm雷射的的輸出功率限制在250 mW。

　　2016年, 俄羅斯Npogarev Mordovia State University 的P. A. Ryabochkina等人報導了809 nm波長LD抽運的Tm:Y2O3陶瓷在1.95 μm和2.05 μm波長的雷射特性，在雷射輸出波長為1.95 μm時，雷射的最大功率為2.4 W，輸出波長為2.05 μm時，雷射的最大輸出功率為0.3 W。

　　2017年，江蘇師範大學的研究團隊利用體布拉格光柵（VBG）作為選模元件，實現了785 nm LD 抽運2101 nm Tm:Y2O3陶瓷雷射器連續和被動調Q運轉。在連續雷射運轉下，波長鎖定的Tm:Y2O3陶瓷雷射器工作在2101.5 nm，線寬(FWHM)為0.4 nm，輸出功率為1.1 W；在基於金納米棒的被動調Q運轉中，獲得的最大平均輸出功率為455 MW，最小脈衝寬度為609 ns，脈衝重複率為79 kHz。

　　圖2 江蘇師範大學製備的Y

　　2O3陶瓷及其微觀結構

　　圖3 自由運轉及VBG波長鎖定下Tm:Y

　　2O3陶瓷雷射器輸出光譜

　　新型混晶型陶瓷—取其精華，按需調控

　　但能否真正實現物盡其用是一個值得思考的問題。如Tm:Sc2O33H6能級的Stark劈裂最強，因此其2.0~2.1 μm內螢光譜線展寬效應最強（存在2120 nm 和2148 nm兩個峰）。但是由於Tm與Sc的摩爾質量相差巨大，故隨Tm3+摻雜濃度的增加，Tm:Sc2O3的熱導率顯著減小。但要實現高效的3F43H6雷射運轉，Tm3+摻雜濃度一般應大於2 at.%。對於Tm:Lu2O3，儘管其螢光譜線展寬適中，但其熱導率隨Tm3+摻雜濃度變化則很小。

　　最佳的增益介質應該是集Tm:Y2O3，Tm:Sc2O3和Tm:Lu2O3所長，即同時具有高的熱導率、寬的螢光譜線及大的受激發射截面等優點。借鑑Nd3+摻雜釩酸鹽混晶（mixed crystal）雷射性能調控方面的成功經驗，通過製備新型Tm3+摻雜倍半氧化物雷射陶瓷滿足以上苛刻的要求。相對於晶體來說，雷射陶瓷製備技術上的優勢使其更容易調節組分的配比，從而實現對摻雜離子的吸收和發射光譜更加有效的裁剪和調控，為2~2.1 μm超快雷射產生注入新的活力。

　　2017年，江蘇師範大學的研究團隊報導了新型Tm:LuScO3混晶型倍半氧化物陶瓷雷射器。他們通過使用固態反應燒結方法成功的製備出了Tm:LuScO3陶瓷，並測量了室溫下的吸收和發射譜。Tm:LuScO3陶瓷在1.9 μm波段的發射峰位於1970 nm，區別於Tm:Lu2O3的1940 nm 及Tm:Sc2O3的1980 nm發射峰。同時Tm:LuScO3螢光譜在2050~2150 nm範圍內呈現單峰特性，且譜線更加平坦光滑，這表明混晶型倍半氧化物陶瓷具有可調控的光譜特性，在超快雷射產生中具有重要的應用前景。

　　2017年，中國工程物理研究院化工材料研究所的研究團隊通過熱等靜壓法合成了4.76at.% Tm:(Lu2/3Sc1/3)2O3陶瓷。將Tm:(Lu2/3Sc1/3)2O3陶瓷的光譜和雷射性質與Tm:LuScO3單晶的光譜和雷射性質進行比較，表明陶瓷具有非常寬且平坦的增益截面，如圖4所示。

　　圖4 Tm:(Lu,Sc)2O3陶瓷的測試光譜。(a)3H63F4躍遷過程對應的吸收光譜及發射光譜；(b)3F43H6躍遷的增益譜

　　2018年，德國馬克斯-玻恩非線性光學與超短脈衝光譜學研究所等單位的研究人員進一步實現了Tm:(Lu2/3Sc1/3)2O3陶瓷的fs鎖模雷射運轉。他們使用InGaAsSb量子阱SESMA和啁啾色散補償鏡，在3%輸出耦合器條件下獲得了230 fs 脈衝輸出，中心波長2078 nm (線寬為20 nm)，重複頻率為89 MHz，最大平均輸出功率為175 mW。當採用0.2%輸出耦合器時，脈衝寬度為63 fs，其中克爾效應在脈衝壓窄過程中發揮了重要作用。

　　發展展望

　　隨著應用需求的不斷拓展，對2 μm波段雷射高功率、高光束質量、超短脈衝的追求是一個必然趨勢。對於摻銩固體雷射器來說，熱效應是限制雷射器高功率、高光束質量輸出的最主要原因，而超短脈衝的產生則涉及對摻銩介質螢光譜的選擇與調控。相對於傳統的Tm:YAG、Tm:YLF等介質，倍半氧化物介質的熱導率更高，螢光光譜更寬並且更加平滑，可支持更短雷射脈衝的產生。進一步結合陶瓷製備技術的獨特優勢，摻銩倍半氧化物陶瓷為新型增益介質結構化和功能化設計提供了更多可能性。筆者提出以下發展方向：

　　（1）基於複合結構雷射陶瓷的熱效應調控

　　陶瓷製備工藝容易實現多層、多功能複合結構點，為雷射系統的自由設計提供了新機遇，而這一點對於單晶工藝是難以實現的。可充分利用雷射陶瓷獨特的製備優勢，通過增益介質結構和冷卻方式的優化，探索獲得改善熱效應的綜合性方案，如製備複合結構的雷射陶瓷（如Y2O3+Tm:Y2O3+Y2O3）或者梯度摻雜型雷射陶瓷，為實現高效率、高功率、高光束質量雷射輸出提供解決方案。

　　（2） 基於混晶型陶瓷的光譜調控技術

　　如何實現倍半氧化物介質熱導率與光譜特性的平衡是一個重要的研究課題。混晶型陶瓷即可以保持倍半氧化物本身高的熱導率，又由於其「混晶」結構導致了激活離子吸收和發射光譜的展寬，從而呈現出更加獨特的光譜特性。綜合Tm:Sc2O3與Tm:Lu2O3各自優勢製備的Tm:(LuxSc1-x)2O3陶瓷呈現出更加顯著的光譜展寬效應，並且能夠根據需求對熱導率、增益帶寬、受激發射截面等參數進行調控（調節x值），為2.0~2.1 μm波段超快雷射器提供更加理想的增益介質。

　　End