近日,中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所李江研究員團(tuán)隊在Yb:YSAG激光陶瓷研究中取得系列進(jìn)展。該團(tuán)隊通過反應(yīng)燒結(jié)結(jié)合熱等靜壓后處理(HIP)技術(shù)成功制備了10 at.% Yb:Y3ScAl4O12激光陶瓷,Yb3+的1030nm處的發(fā)射峰半高寬約為10 at.% Yb:YAG陶瓷的1.3倍,非常有利于超快飛秒脈沖激光生成。團(tuán)隊與意大利國立光學(xué)系統(tǒng)研究所和意大利國立應(yīng)用物理研究所合作,實現(xiàn)了Yb:Y3ScAl4O12陶瓷的高效激光輸出。使用929.4nm光纖耦合激光二極管(LD)泵浦,實現(xiàn)了斜率效率為67.6%、激光輸出功率為11.3W的準(zhǔn)連續(xù)(QCW)激光輸出(目前報道的該種材料的最大激光輸出功率)。相關(guān)工作結(jié)果發(fā)表在美國陶瓷學(xué)會會刊上(J. Am. Ceram. Soc., 2019, doi: 10.1111/jace.16691)。
該團(tuán)隊研究了不同Yb3+摻雜濃度對Yb:Y3ScAl4O12陶瓷微觀結(jié)構(gòu)以及光學(xué)性能的影響,10 at.% Yb:Y3ScAl4O12激光陶瓷具有最優(yōu)的光學(xué)質(zhì)量和激光性能。另外也探究了不同Sc3+含量對10 at.% Yb:Y3ScxAl5-xO12陶瓷性能的影響。隨著Sc3+含量的增加,Yb3+發(fā)射峰的半高寬也在相應(yīng)地增加,其中Sc3+含量為1.5的10 at.% Yb:Y3ScxAl5-xO12陶瓷在1030nm處發(fā)射峰寬為10 at.% Yb:YAG的1.4倍,理論上能產(chǎn)生大約100fs的脈沖激光。對10 at.% Yb:Y3Sc1.5Al3.5O12透明陶瓷進(jìn)行激光性能測試,得到了10.8W的準(zhǔn)連續(xù)激光輸出,相應(yīng)的斜率效率為66.4%,可調(diào)諧激光波長范圍為86.2nm (988-1074.2nm),為目前報道的Yb:YSAG陶瓷的最大激光調(diào)諧范圍(J. Alloys Compd., 2020, 815: 152637)。另外,通過與華東師范大學(xué)李文雪研究員合作,10 at.% Yb:Y3Sc1.5Al3.5O12陶瓷采用平平腔和三鏡腔針方式均實現(xiàn)了高效連續(xù)激光輸出(Opt. Mater., 2019, 88: 339-344)。
Yb:YSAG激光陶瓷主要應(yīng)用于1μm波段的激光生成。2μm中紅外激光是一種非常重要的激光光源,它具有可被水強(qiáng)吸收,對人眼安全,可用石英光纖傳輸以及通過大氣透過率高等特點(diǎn)。Tm3+是2μm中紅外激光常用的激活離子,Tm:YSAG陶瓷相比于Tm:YAG陶瓷具有更長的熒光壽命,有利于能量的存儲,是一種很有前景的中紅外激光增益介質(zhì)。該團(tuán)隊采用真空燒結(jié)技術(shù)制備了高質(zhì)量的4 at.% Tm:Y3ScAl4O12透明陶瓷,并使用790nm光纖耦合LD泵浦,首次實現(xiàn)了該新型陶瓷材料的2μm激光輸出。激光工作波長為2015nm,最大激光輸出功率為0.54W,對應(yīng)的斜率效率為4.8%(J. Am. Ceram. Soc., 2019, doi: 10. 1111/jace.16873)。以上系列論文的第一作者為上海硅酸鹽所博士研究生馮亞剛,通訊作者為李江研究員。
相關(guān)研究工作得到中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計劃項目(院青年拔尖人才項目)、國家自然科學(xué)基金項目、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目、中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項目等資助。
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