中红外4μm固体激光器实现近极限效率连续运转

中红外4μm固体激光器实现近极限效率连续运转

主编推荐 | 中红外4 μm固体激光器实现近极限效率连续运转

Chinese Optics Letters 2024年第8期Editors’ Pick：

Yanlong Shen, Yingchao Wan, Feng Zhu, Tongxing Chai, Yousheng Wang, Ke Huang, "High-power compact continuous-wave Fe:ZnSe laser at 4 µm with >50% overall conversion efficiency," Chin. Opt. Lett. 22, 081405 (2024)

导读

该研究以实现高功率、高效率中红外4μm波段连续激光输出为目标，通过对激光器基本组成要素进行全面优化，即提升泵浦吸收效率、创新设计并制备出增益介质与谐振腔一体化腔体，实现了斜率效率接近理论极限的中红外4μm波段连续激光输出结果，为后续更高功率连续输出奠定坚实基础。研究成果在红外泵浦、气体光谱诊学、效应机理研究以及红外对抗等领域有着十分广阔的应用前景。

研究背景

目前，中红外4μm波段固体连续激光的产生途径主要有两大类，一是基于非线性频率变换技术，即利用连续激光泵浦非线性晶体或高非线性光纤，通过光学差频产生（DFG）、光参量振荡（OPO）或受激拉曼等获得3.74.2 μm激光输出；或是基于直接泵浦固态增益介质中掺杂离子实现粒子数反转振荡输出，即分别利用3μm 或888 nm连续激光泵浦掺Fe2+离子的硫系晶体或掺Ho3+的氟化物光纤，获得3.64.3 μm激光输出。相比较其他方法，利用连续激光泵浦掺Fe2+离子的硫系晶体的方法兼具高稳定性、高光束质量和高功率等优点，然而目前限制该激光器功率输出的主要因素是缺少高功率3μm连续体制泵浦源。因此，在泵浦功率有限的情况下，提高总转换效率是提升激光功率面临的主要问题，这也对后续进一步提升输出功率至关重要。

研究结果

为解决上述问题，西北核技术研究院沈炎龙副研究员团队开展了理论分析与数值模拟计算，提出了有效降低振荡腔损耗、提升激光转换效率的方法，基于低损耗短腔结构，实现激光介质与谐振腔一体化设计与制备，并研制了泵浦吸收效率更高的2.9 μm光纤激光器，获得了当前总效率最高的中红外4μm波段固体连续激光输出。相关成果发表在Chinese Optics Letters 2024年第22卷第8期。

图1 中红外4μm波段固体连续激光实验结构示意图及部分实验结果

在该研究工作中，采用自研Fe2+吸收截面更大的波长为2.9 μm光纤激光器作为泵浦源；基于粒子速率方程和功率传输方程，分析计算最优膜系参数。为解决短腔谐振腔易失谐以及膜系与晶体材料匹配度不强等问题，通过双向准直法和电子束蒸镀法，获得超高平行度晶体端面，并将设计的最优膜系均匀地沉积在晶体平行端面，从而制备出谐振腔与增益介质一体化的激光振荡腔体，最大限度降低泵浦环节泵浦光耦合损耗和谐振环节的激光振荡损耗，以获得高转换效率激光输出，如图1所示。

从实验结果可以看出，更长泵浦波长和更短腔谐振腔在基于Fe:ZnSe晶体实现中红外4μm波段激光高转换效率输出有着显著优势，与理论模拟结果非常吻合。同时，增益介质和谐振腔一体化设计有效提升了激光器输出功率稳定性。该项工作获得了光-光总转换效率超50%的激光输出，该实验结果将推动中红外4μm波段固体激光技术在连续运转体制方面向更高功率发展。未来，团队将围绕红外探测和光谱诊断领域等需求，专注于高功率、高稳定中红外窄线宽连续激光高效产生和光谱调控技术，并应用于痕量气体组分诊断及红外探测器效应机理研究，助力相关技术发展。

本文原文来自Chinese Optics Letters