掺Pr3+固体激光器研究进展概述

       与普通光源相比，激光具有高亮度、高方向性、高单色性以及高度的时间空间相干性等特点。激光器的种类多种多样，其中固体激光器有着结构紧凑、结实耐用、输出能量大、峰值功率高等特点。目前，利用固态增益介质产生激光的方式较为常见，而其中较早的研究是直接利用掺杂稀土离子的下转换产生激光。在镧系稀土离子中，由于Pr3+与其他稀土离子相比具有特殊的光谱特性，存在丰富的激光发射谱线，且谱线的波长范围几乎覆盖了整个可见光区域，因此在过去二十年间被广泛探索。

       长久以来，对Pr3+产生下转换可见激光的研究由于缺乏理想的泵浦源而受到限制，但随着体积小、价格适宜、商业化的蓝光激光二极管(LD)和光斑质量好、波长可灵活扩展的光泵半导体激光器(OPSL)的出现，掺Pr3+固体激光器迎来了快速发展。目前掺Pr3+固体激光器输出的波段已经覆盖了蓝光、绿光、橙光、红光、近红外光等范围，无论是在连续波还是调Q和锁模都有着广泛的研究。

        厦门大学电子科学与技术学院蔡志平教授研究团队在《光电工程》2022年第4期上发表了题为“掺Pr3+固体激光器研究进展概述”的综述文章。主要按照掺Pr3+固体激光器连续、脉冲和单纵模三种输出类型综述了每种输出类型的研究历程和现状，以及对未来掺Pr3+固体激光器的发展做了展望。

       首先，文章介绍了连续型掺Pr3+固体激光器的研究进展。随着对掺镨材料特性和激光技术的深入研究，以及泵浦源技术的快速发展，掺Pr3+固体激光器的激光功率被不断优化和提高，部分波段的输出功率突破了瓦级。

       2008年，Ostroumov等人[1]利用两个OPSL作为泵浦源，对Pr:YLF晶体进行双端泵浦，获得了输出功率超过4 W的522 nm绿光。2014年，同样是采用OPSL泵浦Pr:YLF晶体，Metz等人[2]获得输出功率均超过1 W的七种不同波长的激光(523 nm、546 nm、604 nm、607 nm、698 nm、720 nm)，其中523 nm绿光的输出功率为2.9 W。2020年和2021年，Lin等人[3-4]分别报道了迄今为止我们已知的利用蓝光LD泵浦Pr:YLF晶体在607 nm和639 nm波长处的最高输出功率，其中607 nm橙光的输出功率为4.88 W，639 nm红光的输出功率高达8.14 W。

       除此之外，由于多波长激光器在激光医学、彩色显示、彩色打印等领域有着日益增长的需求，因此多波长输出的掺Pr3+固体激光器同样也受到了人们的广泛关注。

图1 几种典型Pr:YLF连续型可见光激光的研究现状（每个标记点对应的是输出波长和泵浦Pr:YLF晶体所使用的泵浦源类型）

       其次，文章介绍了脉冲型掺Pr3+固体激光器的研究进展。脉冲激光具有窄脉冲宽度、高峰值功率的特点，在原子光谱研究以及量子信息等领域有着重要而又广泛的应用，目前实现超快激光的技术主要有调Q和锁模。在调Q方面，利用掺Pr3+晶体作为激光增益介质实现的脉冲输出较多在可见光和中红外波段，但脉冲宽度主要集中在纳秒（ns）量级水平。

       2009年，Fibrich等人[5]实现了闪光灯泵浦Pr:YAP调Q激光器，利用LiNbO3普克尔斯盒电光调制器，通过主动调Q的方式在室温条件下获得了脉冲能量为5 mJ、线宽为1.4 nm、脉宽为50 ns、相应峰值功率为100 kW的747 nm激光输出，并且又使用BBO晶体进行倍频产生了373.5 nm的激光输出，其输出脉冲能量为30 μJ，脉宽为34 ns，线宽为1.1 nm，相应峰值功率为0.9 kW。2021年，Qi等人[6]通过使用倍频Q开关Nd:YAG激光器泵浦的光学参量振荡器为泵浦源泵浦Pr:YLF晶体，获得了重复频率为10 Hz，脉冲宽度约30 ns，脉冲能量约为63 μJ的604 nm橙光输出。

       对于锁模，利用锁模技术获得的激光脉冲宽度相比调Q技术要更窄，目前在掺Pr3+固体激光器中实现的锁模脉冲输出主要集中在可见光波段，并且实现的脉冲宽度主要在皮秒(ps)量级。

       1996年，Sutherland等人[7]利用氩离子(Ar+)激光器泵浦Pr:YLF晶体，最终稳定输出了波长为613 nm、脉冲宽度为400 fs的锁模脉冲，这是首次通过克尔透镜锁模从连续固体激光器中直接在可见光中产生的飞秒脉冲。2019年，Zhang等人[8]报道了由蓝光LD泵浦的克尔透镜锁模Pr:LLF激光器，通过对激光增益中群速度色散的理论计算，采用补偿的方法实现了平均输出功率约为48 mW、光谱宽度为0.37 nm、平均重复频率约为106.8 MHz、脉冲宽度为1.1 ps的604 nm激光。

       最后，文章介绍了单纵模型Pr3+固体激光器的研究进展。单纵模激光器具有窄谱线输出和低相位噪声等特点。2020年，Zhang等人[9]提出了一种相比于通过复杂低效的Nd3+激光器和频混频更为简单的产生橙色光谱单频激光的方法，首次报道了蓝光LD泵浦的单频橙光Pr:YLF激光器，单频σ偏振607 nm处的激光最大输出功率可达175 mW，斜率效率约为16.6%，线宽约为6 MHz；单频π偏振604 nm处的激光最大输出功率可达91 mW，斜率效率约为8.9%，线宽约为22 MHz，两种单频橙光激光器的波长调谐范围分别为0.15 nm和0.35 nm。

       掺Pr3+固体激光器在连续、脉冲、单纵模三种输出类型方面都有着显著的研究成果。目前为止，连续激光在绿光、橙光、红光等部分波段的输出功率突破了瓦级。对于脉冲激光，调Q方面利用掺Pr3+固体激光器获得的激光脉冲宽度一般在几十纳秒到几百纳秒之间，可见光波段的锁模脉冲宽度从十几皮秒到几百皮秒不等。单纵模方面利用掺Pr3+晶体实现单频激光输出的研究工作目前主要集中在紫外、橙光以及红光处，其余波段的单纵模激光器还有待实现。总之，掺Pr3+固体激光器的频段还可扩展，功率可望进一步提高。

       该综述受到国家自然科学基金资助项目（61975168）的支持。

论文来源：https://cn.oejournal.org/article/doi/10.12086/oee.2022.210364

内容来源：https://mp.weixin.qq.com/s/7b-iRak5nrQJ4QpQzUBmuw

参考文献：