超强激光科学卓越创新简报

(第四百零九期)

2023年7月20日

上海光机所以反常荧光特性助力新波段高功率激光，在掺Nd光纤中实现百瓦级900nm激光输出

　　近日，中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光单元技术实验室胡丽丽研究员团队与成都信息工程大学合作，报道了基于Nd³⁺掺杂石英光纤的百瓦量级900nm全光纤激光。相关成果以“High-power lasing at ～900 nm in Nd³⁺-doped fiber:a direct coordination engineering approach to enhance fluorescence”为题发表于Optica。

　　900 nm 激光可直接用于泵浦掺 Yb³⁺激光材料、大气探测和生物双光子成像，其倍频产生的深蓝激光在面向水下通信、原子冷却、激光存储及激光加工等领域具有重大意义。目前，研究者们主要通过半导体激光器、固体（晶体和陶瓷）激光器和掺Nd光纤激光器实现 900 nm 激光输出。而掺Nd石英光纤激光器小型轻量化、波长连续可调、光束质量高、易于实现高重复频率、通过光束合成可获得大脉冲能量等优点使其成为今年来的研究热点。但通常掺Nd³⁺激光材料的主要发射位于1060 nm，这导致900 nm激光效率低下且极易产生1060 nm自发辐射，强烈限制了其输出功率和应用。目前，研究者们通过空间滤波、低温运转、波导设计等方式被动地压制1060 nm自发辐射，然而全光纤结构的900 nm激光输出功率仍停留在瓦级水平，极大限制了900 nm激光的应用和发展。

　　该研究团队从基础理论出发，创新性地提出了一种直接配位工程方法将卤素引入石英玻璃中Nd³⁺的最紧邻配位，以提高成键的共价性，主动地增强了Nd³⁺的900 nm发射强度。引入碘元素的掺Nd³⁺石英玻璃显示出在掺Nd³⁺的材料中很少观察到的荧光反转现象，即其 900 nm发射强度超过了通常更强的1060 nm发射强度。使用该石英玻璃为纤芯的双包层光纤，在全光纤MOPA结构实现了比当前记录高50倍的功率(113.5 W)。该工作为900 nm高功率光纤激光器的开发和应用提供了新思路，同时为调节稀土掺杂材料的光谱性质提供了一条新的途径。

　　相关研究得到了国家自然科学基金的支持。

　　原文链接

图1. 石英玻璃的光谱特性。 a) 引入不同卤素的荧光光谱， b) ⁴F_3/2 能级到各下能级的积分荧光强度，c) 引入碘元素的Nd石英玻璃与商用Nd掺杂硅酸盐、磷酸盐、YAG晶体的荧光光谱. d) 荧光衰减光谱。

图2. a) MOPA结构光路图. b) 激光输入-输出曲线. c) 输出功率为113.5 W时的激光光谱图