Ho3+/Pr3+共掺氟化铝基玻璃光纤2.86 μm激光性能研究 （特邀）

文中使用熔融淬火法制备了氟化铝基、氟化铟基和氟化锆基玻璃样品,通过浸水实验研究了其抗潮解稳定性,结果表明氟化铝基玻璃具有更好的抗潮解性能。因此制备了不同浓度的Ho3+/Pr3+共掺氟化铝基玻璃样品,测试了其透过光谱,表明该玻璃具有高的透过率和宽的透过窗口。在1 150 nm拉曼激光的激发下,获得了样品的发射光谱,并对其发光机理进行了分析。利用吸注法制备了2 Ho3+/0.2 Pr3+掺杂的氟化铝基玻璃预制棒,使用棒管法拉制了氟化铝基玻璃光纤。使用回切法测得光纤在793 nm处的损耗为1.8 dB/m。在1 150 nm激光泵浦下,利用8.6 cm长的Ho3+/Pr3+共掺氟化铝基玻璃光纤作为增益介质,获得了功率为207 mW的2.865 μm激光输出,斜率效率为11.4%。上述研究结果表明,氟化铝基玻璃光纤是一种稳定的中红外激光增益材料。     

2 μm超短脉冲全固态掺铥振荡器研究进展（特邀）

2 μm激光处于水的吸收峰,对人眼安全而且处于大气窗口波段,在空间通讯、遥感探测、环境监测、激光制导、红外对抗、外科手术等领域具有重要的应用价值。随着各类掺铥和铥钬共掺激光介质的不断丰富及锁模技术不断发展,2 μm波段超短脉冲全固态振荡器成为最近几年激光技术的研究热点之一。文中系统分析了2 μm波段激光基质材料和锁模技术,概括了近年来国内外2 μm 超短脉冲全固态掺铥振荡器的最新进展,并对代表性实验进行了分析介绍,最后对2 μm波段超短脉冲全固态掺铥振荡器的发展前景做出总结与展望。     

1.7 μm超快光纤激光器研究进展（特邀）

超快光纤激光器具有紧凑性高、光束质量佳、散热性好等优点,是一种极具发展潜力的激光光源。工作波长作为超快光纤激光器的重要参数,在一定程度上决定了激光器的应用领域。近年来,得益于1.7 μm波段的独特光谱特性,1.7 μm波段超快光纤激光器在生物医学、聚合物加工、光学成像等领域具有重要的应用价值。因此,研制高性能的1.7 μm波段超快光纤激光器成为激光领域的研究热点之一。文中综述了近期1.7 μm波段超快光纤激光器的研究进展,对目前获得1.7 μm波段超短脉冲的不同方式进行总结,分析其技术特点;同时,介绍了笔者所在课题组报道的1.7 μm波段耗散孤子超快光纤激光器及其放大系统的研究成果,概述了其工作原理、技术难点;最后,对1.7 μm波段超快光纤激光的应用前景及发展趋势进行了展望。     

2 μm GaSb基被动锁模激光器重复频率变化的研究（特邀）

半导体锁模激光器产生的高重复频率的光脉冲序列在众多领域都有着广泛的应用,而对于绝大多数应用,一个固定而准确的重复频率是必须的。由于此种激光器的重复频率主要由激光器波导的有效折射率和腔长来确定,激光器制成以及解理时的不确定性就可能会给其重复频率带来偏差。为了弄清此种激光器的各种工作条件会怎样影响其重复频率从而对上述的偏差进行补偿,设计并制成了一种2 μm GaSb基单量子阱锁模激光器。激光器采用两段式结构（增益区,饱和吸收体区）并可以在高达60 ℃实现稳定的锁模工作模式。系统地记录了此激光器重复频率随偏置条件（增益区电流,饱和吸收体区电压）以及工作温度的变化规律,并且对产生这些变化的原因进行了分析。这些工作能够让人们更加清楚地认识锁模激光器的特性,从而更好地达到各种应用所需要的重复频率。     

Tm3+/Ho3+共掺碲酸盐玻璃的中红外发光及能量传递机理

用高温熔融法制备了Tm3+/Ho3+共掺碲酸盐玻璃(TeO2-ZnO-Na2O),根据测量得到的吸收光谱,应用Judd-Ofelt理论计算分析了玻璃样品中Ho3+离子的强度参数Ωt(t=2,4,6)、自发辐射跃迁几率A、荧光分支比β和荧光辐射寿命τrad等各项光谱参数。同时,测量得到了不同Ho3+离子掺杂浓度下玻璃样品的荧光发射谱。结果显示,在808nm抽运光激励下Tm3+/Ho3+共掺碲酸盐玻璃样品发射出较强的2.0μm中红外荧光。分析表明,较强的Ho3+离子中红外荧光来自于Tm3+/Tm3+离子间共振的能量传递过程,以及Tm3+/Ho3+离子间基于零声子和单声子辅助非共振的两部分能量传递过程。由此进一步计算得到了Tm3+/Tm3+、Tm3+/Ho3+离子间的能量传递微观速率、临界半径和声子的贡献。最后,计算分析了Ho3+…5I7→5I8能级间跃迁的2.0μm波段吸收截面、受激发射截面和增益系数。研究表明,Tm3+/Ho3+共掺TeO2-ZnO-Na2O玻璃可以作为2.0μm波段中红外固体激光器的潜在增益基质。     

Dy3+/Tm3+共掺GeS2-Ga2S3-PbI2玻璃的制备及其中红外发光特性研究

用熔融淬冷法制备了Dy3+/Tm3+共掺(100-x)(0.8GeS2-0.2Ga2S3)-xPbI2(mol%,x=5,10,15,20)系列玻璃样品,测试了样品热稳定性、折射率、吸收光谱、近红外及中红外荧光光谱,研究了Tm3+浓度和PbI2含量对样品中红外发光特性的影响.在Dy3+/Tm3+共掺样品中,随着PbI2...     

Tm2O3掺杂锗酸盐玻璃2μm波段连续激光输出

报道了一种Tm2O3掺杂的新型FGe玻璃连续激光运转.实验中增益介质采用未镀膜的掺杂摩尔分数为1%的Tm2O3的GeO2-Ga2O3-BaF2-MO/F2(FGe)玻璃,在波长790 nm的钛宝石激光抽运下,使用两种输出耦合镜分别实现了连续激光振荡.在3%输出耦合镜下得到了83 mW的激光输出,斜率效率为13.7%,光...     

2 μm Tm,Ho:YLF激光抽运ZnGeP2光参量振荡技术研究

ZnGeP2晶体具有宽的透明范围(0.7～12 μm),较大的非线性系数(d36=75 pm/V),最高损伤阈值能量密度为10 J/em2,较高的热导率(0.18 W/(m·K)),因而非常适合作为高功率中红外光参量振荡器(OPO)晶体.理论上分析了ZnGeP2光参量振荡器相位匹配特性,实现3～5 μm连续调谐范围输出的Ⅰ类相位匹配角在52.5～55.2°之间.实验上,以15 W光纤耦合激光二极管(LD)抽运的2.05 μm高重复频率声光调Q Tm,Ho:YLF激光器作为抽运源,其最大平均功率4 W,脉冲宽度小于40 ns,脉冲重复频率100 Hz～10 kHz可调.为降低准三能级系统激光器阈值,提高激光脉冲能量抽取效率,Tm,Ho:YLF晶体采用液氮制冷方式,工作在77 K温度条件下.非线性频率转换晶体ZnGeP2长15 mm,55.7°切割,光参量振荡器谐振腔为平平腔,腔长约20 mm.在3.6 W的抽运功率下,脉冲重复频率10 kHz,实现了4.1 μm附近中红外激光输出,参量光脉冲宽度为20 ns,平均输出功率为0.7 W,光-光转换效率为20%,抽运光阈值功率为0.65 W.     

Tm,Ho：KY（WO4）2晶体实现红外激光超短脉冲激光输出

2009年9月,《OPTICS LETTERS》报道了英国圣安德鲁斯大学A.A.Lagatsky,F.Fusari等人利用Tm,HO∶KY（WO4）2晶体实现了3.3ps的红外超短脉冲激光输出。近年来,中远红外激光的研究受到越来越多的关注,已经有脉宽为190fs的Tm：Ho掺杂光纤激光器的报道．虽然该类激光器脉宽窄，但却有一个极大的缺陷，即功率水平太低．     

Er3+离子对Er3+/Tm3+共掺碲酸盐玻璃1.85μm波段光谱特性的影响

采用高温熔融淬火技术制备了1.0 mol% Tm3＋离子和x mol% Er3＋离子(x=0,0.5和1.5 mol%)掺杂 的系列碲酸盐玻璃,通过测量玻璃样品的差热扫描曲线(DSC)、X射线衍射(XRD)图和荧光光 谱,对不同 Er3＋浓度下的玻璃物理性能和Tm3＋离子荧光特性进行了研究。DSC结果显 示,研制的稀土掺杂碲酸盐玻璃 具有优异的热稳定性能,玻璃样品的析晶温度与转变温度之差大于130 ℃,而XRD图则证实了研制的玻璃 样品具有非晶结构特征。在808 nm泵浦激励下,随着Er3＋离 子的引入,Tm3＋离子³F₄→³H₆能级间跃迁产生 的1.85 μm波段荧光显著增强。当Er3＋离子掺杂浓度为1.0 mol%时,荧光强度提高了约76%,荧光强度的 显著增强归因于Er3＋离子和Tm3＋离子之间的能量传递。然而,随着Er 3＋离子掺杂浓度的继续增加,1.85 μm 波段荧光呈现出衰减现象,这归结于Er3＋离子浓度的淬灭效应。研究表明,具有合 适浓度Er3＋/Tm3＋共掺碲 酸盐玻璃是一种应用于1.85 μm波段固体激光器和光纤放大器的理想 基质材料。     

Infrared cross-section measurements for crystals doped withEr3+, Tm3+, and Ho3+

The absorption and emission cross sections of the transition between the ground spin-orbit multiplet and the lowest excited multiplet were measured for Er³⁺, Tm³⁺, and Ho³⁺ ions in a variety of crystalline hosts. The materials that were investigated include LiYF₄, BaY₂F₈, Y ₃Al₅O₁₂, LaF₃, KCaF₃ , YAlO₃, and La₂Be₂O₅. The absolute magnitudes of the emission cross sections were determined from the absorption spectra, with the aid of the principle of reciprocity. The calculated radiative emission lifetimes derived from these measured cross sections agree well with the measured emission decay times for most materials. The potential use of these rare-earth-doped materials in pulsed laser applications requires that the ground state exhibit adequate splitting to minimize the detrimental effects of the ground state thermal population, and also that the emission cross section be sufficiently large to permit efficient extraction energy. The systems based on Ho³⁺ in the eightfold coordinated sites of LiYF₄, BaY₂F₈, and Y₃Al₅O₁₂ appear to be the most promising     

8.8 W diode-cladding-pumped Tm3+,Ho3+-dopedfluoride fibre laser

A maximum output power of 8.8 W was generated from a diode pumped Tm³⁺,Ho³⁺-doped ZBLAN glass fibre laser. The laser operated with a maximum slope efficiency of 36% with respect to the incident pump power. The wavelength was measured to be 2056 nm and some instability was observed in the output     

LD泵浦的1.3at.%Er3+: CaF2中红外高功率固体激光器（特邀）

3 μm波段激光是高精度外科手术的理想光源,也可作为长波中红外光参量振荡器的有效泵浦源。LD直接泵浦Er3+掺杂晶体是获得2.7~3 μm波段中红外激光的有效技术途径,具有成本低、结构紧凑简单等优点。由于Er3+ 2.8 μm激光下能级阻塞问题,一般需要高浓度掺杂,但高浓度掺杂易引起强烈的光吸收,增强了激光晶体的热效应,从而阻碍了激光功率的提升。低声子能量的氟化钙晶体特有的萤石型结构使得三价稀土离子极易形成“团簇”,将低浓度Er3+掺杂到氟化钙晶体中即可获得高效率的中红外激光增益介质。笔者课题组使用温度梯度法成功生长了低浓度掺杂1.3at.%Er3+: CaF₂激光晶体,利用LD直接泵浦获得了2.2 W的中红外激光输出,这是目前利用LD端面泵浦同类晶体中的最高中红外激光输出功率。同时,文中还对上转换泵浦方式下该晶体的2.8 μm激光特性进行了研究。实验结果表明,低浓度掺杂的1.3at.%Er3+: CaF₂晶体是一类具有产业化前景的中红外激光材料,有望推动长波中红外激光器向着结构紧凑、成本低的方向发展。     

Gain measurement and upconversion analysis in Tm3+, Ho3+ co-doped alumino-zirco-fluoride glass

The small signal gain coefficients were measured in Tm³⁺,Ho³⁺ co-doped alumino-zirco-fluoride glass. A gain of 15%/cm at 2.05 μm was obtained for pump power density of 42 kW/cm². The temperature increase of the glass was found to be more than 150 K with this pump power, which was estimated from a comparison between fluorescence intensities of Tm^{3+ 3} F₄-³H₆ and Ho^{3+ 5} I₇-⁵I₈. An upconversion rate constant of 12.5×10^-17 cm³ sec^-1 from a coupled (Tm^{3+ 3}F₄, Ho^{3+ 5}I₇) level to a coupled (Tm^{3+ 3}H₅, Ho^{3+ 5}I₆) level was determined by fitting the experimentally obtained gain coefficients to the calculated one which takes into consideration any temperature increase     

Laser action from Ho3+, Er3+, and Tm3+in YAlO3

Laser action has been observed for the following rare-earth ions in YAlO3:Ho³⁺(sensitized with Er³⁺and Tm³⁺), Er³⁺, and Tm³⁺(sensitized with Er³⁺) at wavelengths of 2.123, 0.851, and 1.861 μm, respectively. Measurements of spectroscopic properties, fluorescence kinetics, and laser performance of these ions in YAlO3are reported.     

Tuning of a Tm3+:Ho3+: silica fiber laser at2 μm

Thermal tuning of a Tm³⁺:Ho³⁺:SiO₂ glass fiber laser was investigated. As a function of fiber length and temperature, the emission wavelength can be varied between 1960 and 2032 nm. The bandwidth of the laser emission is about 2 mm. Besides the wavelength also the change of threshold and slope efficiency with temperature and fiber length and the fiber absorption were measured     

磷酸盐玻璃中稀土离子Ce~(3 )、Tb~(3 )、Er~(3 )和Tm~(3 )的能量转移和敏化过程的研究

本文报道了磷酸盐玻璃中Tb~(3 )和Ce~(3 )的浓度猝灭效应。在KrF激光(248毫微米,10毫微秒)激发下,测出磷酸盐玻璃中不同浓度Ce~(3 )或Tb~(3 )离子的荧光寿命。着重讨论了磷酸盐玻璃中Ce~(3 )→Tb~(3 )、Er~(3 )和Tm~(3 )的能量转移和敏化过程。     

中红外硅基调制器研究进展（特邀）

硅材料在1.1~8.5 μm有非常低的吸收损耗,因此硅基光电子学有望扩展到中红外波段。并且随着通信窗口扩展、气体分子检测、红外成像等应用需求的出现,硅基中红外波段器件研发工作的开展势在必行。在中红外波段硅基光电子器件中,硅基调制器有着举足轻重的地位:它是长波光通信链路中不可或缺的一环,还可以应用在片上传感系统中提高信噪比、实现光开关等功能。研究发现,相比于近红外波段,硅和锗材料在中红外波段有更强的自由载流子效应和热光效应,因此,基于硅基材料的中红外调制器具有独天得厚的优势。系统总结了中红外硅基调制器的发展趋势和研究现状,介绍了基于硅和锗材料的电光调制器以及热光调制器的工作原理和最新研究进展,最后对中红外硅基调制器进行了总结与展望。     

中红外超强超短激光研究进展（特邀）

近年来,可调谐中红外新波段超强超短激光的出现与迅速发展,开辟了强场物理领域中迄今仍很少探索过的参量空间,为开拓超强超短激光与物质相互作用的新物理、新效应及新应用提供了新机遇。文中总结了中红外超强超短激光近年来的发展趋势与研究方向。针对光参量放大、光参量啁啾脉冲放大、中红外脉冲后压缩以及中红外新型光场调控技术4个研究方向,较全面地分析各自的国内外研究现状,并对未来中红外超强超短激光的发展趋势进行了展望。