中红外激光（2~5μm）覆盖多个大气传输窗口及众多分子化学键吸收峰“指纹”区域，在空间光通讯、环境监测、医疗、军事等领域均有重要的应用前景。产生中红外激光的技术众多，其中基于直接泵浦稀土掺杂晶体的中红外激光技术，具有结构简单、可连续输出、光束质量高等优点。直接泵浦铒离子（Er3+）掺杂激光晶体是实现3μm波段中红外激光的最重要技术之一。为了解决Er离子3μm激光输出通道的下能级（4I13/2）寿命远高于上能级（4I11/2）引起的激光振荡自终止效应，一般采取Er离子高浓度掺杂的方式，其掺杂浓度往往高于30 at%，甚至50 at%。但是，高浓度掺杂会引起激光晶体热导率大幅度下降，以及激光上能级（4I11/2）浓度猝灭增强，从而导致3μm波段输出功率受限和激光效率偏低。

中国科学院上海硅酸盐研究所研究员苏良碧课题组，以低声子能量的氟化锶（SrF2）晶体为掺杂基质，利用该晶体特殊的萤石型结构形成的掺杂稀土离子的“团簇”效应，在Er3+离子极低掺杂浓度下（<5 at%）克服3μm激光振荡自终止效应，实现了高效率的双波长激光输出。当Er:SrF2晶体中Er3+离子掺杂浓度为4 at%时，3μm激光下能级寿命是上能级的1.58倍，小于4 at% Er:CaF2晶体的1.66倍，更低于33 at% Er:YAG晶体的60.4倍，30 at% Er:YSGG晶体的2.62倍，以及15 at% Er:YLF晶体的3.25倍。同时，该晶体的光谱参数品质因子（发射截面与荧光寿命的乘积）为7.45×10-20 ms•cm2，高于Er:CaF2晶体的3.89×10-20 ms•cm2，也远高于Er:YAG晶体的0.3×10-20 ms•cm2和Er:YLF晶体的1.64×10-20 ms•cm2。该课题组与山东师范大学教授刘杰合作，采用激光二极管直接泵浦4at.% Er:SrF2晶体（未镀膜），实现了高斜效率、双波长中红外激光输出，斜效率22.0%，在保证晶体不被损坏的前提下，获得最高平均输出功率483 mW，激光波长约为2789 nm和2791 nm（2016 Scientific Reports 6, 36635）。

此前，该课题组和山东师范大学合作，采用石墨烯作为可饱和吸收体，在4at% Er:CaF2晶体中实现了2.8μm被动调Q脉冲激光输出，脉冲宽度1.3 μs，重复频率62 kHz，平均输出功率172 mW （2016 Optical Materials Express 6, 1570-1575；2016 Optical Materials Express 6, 409-415）。在此基础上，通过共掺去激发离子Pr3+，在3 at% Er, 0.03 at% Pr:CaF2晶体中，首次实现了2.8 μm自调Q脉冲激光输出（即不需要额外的可饱和吸收体），脉冲宽度718 ns，重复频率52 kHz，平均输出功率262 mW（2016 Optics Letters 41, 4660-4663）。

以上工作得到了国家自然科学基金面上项目、重点项目和优秀青年基金的资助。

来源：上海硅酸盐研究所