2 μm摻鈥固體激光器研究進展

吳春婷， 姜 妍， 戴通宇， 張晚秋

(1. 長春理工大學(xué) 吉林省固體激光技術(shù)與應(yīng)用重點實驗室， 吉林 長春 130022; 2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 可調(diào)諧激光技術(shù)重點實驗室， 黑龍江 哈爾濱 150001； 3． 長春中國光學(xué)科技館， 吉林 長春 130022)

1 引 言

輸出中心波長范圍位于2 μm波段附近的摻鈥固體激光器在氣象監(jiān)測、激光測距、激光雷達、遙感、醫(yī)療、工業(yè)加工和生命科學(xué)領(lǐng)域等方面具有廣泛應(yīng)用[1-4]。尤其是在軍事方面，2 μm激光對大氣和煙霧的穿透能力強，可以用于激光測距和激光雷達，對于激光測距機相干多普勒測風雷達和水蒸氣拋面差分吸收激光雷達系統(tǒng)等可以提供一個理想的光源。在醫(yī)學(xué)方面，人體組織吸收峰值在1.93 μm附近，因此2 μm激光對組織的吸收不是很強烈，從而對組織的穿透深度就比較淺，在手術(shù)中利用汽化與切割相結(jié)合的方式，可以有利于血液的凝結(jié)，進一步減小手術(shù)創(chuàng)傷，較傳統(tǒng)手術(shù)更安全，并發(fā)癥少，而且2 μm波段激光在手術(shù)中不會對醫(yī)生視覺系統(tǒng)造成影響，從而給醫(yī)生提供清晰的手術(shù)視野，這將有利于提高外科手術(shù)精度。在工業(yè)加工方面，隨著2 μm激光技術(shù)的成熟，焊接、切割、打印以及膜層刻蝕等方面的技術(shù)都可以得到進一步的提高，從而提升了工業(yè)加工的水平。可以為3～5 μm、8～12 μm可調(diào)諧光參量振蕩器提供有效的泵浦源，有利于產(chǎn)生更優(yōu)質(zhì)的可調(diào)諧中紅外波段激光，可應(yīng)用于石油開采、大氣中溫室氣體檢測、數(shù)據(jù)通信和激光光譜學(xué)研究等[5-6]。經(jīng)過近十幾年的快速發(fā)展，隨著激光增益介質(zhì)的不斷拓展和2 μm激光技術(shù)的逐漸成熟，實現(xiàn)高功率、高重頻、窄脈寬和高光束質(zhì)量的2 μm激光輸出是目前研究的重點。

2 μm摻鈥固體激光器通常選用1.9 μm摻銩激光器作為其泵浦源，屬于準二能級系統(tǒng)[7-11]。在產(chǎn)生激光的過程中，準二能級系統(tǒng)具有泵浦能量損耗小和量子虧損極小等特性，使得2 μm摻Ho固體激光器具有高效率和低熱負載的優(yōu)點，能夠減少2 μm摻Ho固體激光器的熱效應(yīng)，從而獲得高功率的鈥激光輸出。

對于摻鈥固體激光器的激光工作物質(zhì)而言，根據(jù)不同的成分和性質(zhì)，常用的基質(zhì)材料主要可以分為氧化物晶體、氟化物晶體、釩酸鹽晶體、硅酸鹽晶體和鎢酸鹽晶體等[12-13]，其中以 Ho∶YAG、Ho∶YAP和Ho∶YLF晶體的實際應(yīng)用較為廣泛。隨著激光晶體生長技術(shù)的成熟，近年來對于Ho∶YAG陶瓷、Ho∶LuAG和釩酸鹽晶體的激光器研究逐漸增多。

2 摻鈥固體激光器概述

選擇1.9 μm激光作為泵浦源來泵浦的2 μm摻鈥固體激光器為準二能級系統(tǒng)。Ho離子的能級在其摻雜基質(zhì)的晶體場作用下，分裂成多重態(tài)的Stark能級[14-17]。在Stark能級系統(tǒng)中，它的激光上能級是泵浦終態(tài)，激光終態(tài)則位于激光離子的基態(tài)Stark能級上，因此能夠避免激發(fā)態(tài)向激光上能級弛豫產(chǎn)生的能量損耗。2 μm單摻Ho離子激光器能級躍遷原理如圖1所示。

激光介質(zhì)中吸收了1.9 μm泵浦光的5I8基態(tài)Ho離子向5I7態(tài)的Stark能級躍遷，此時位于5I7態(tài)的Ho離子又向5I8基態(tài)的Stark能級躍遷，在這個過程中產(chǎn)生了波長為2 μm的鈥激光，摻雜Ho離子在不同激光介質(zhì)中輸出的2 μm波段的波長有一定差異。Ho離子在5I7和5I8能級間的躍遷過程中，因為泵浦終態(tài)能級就是激光上能級，所以也就沒有了泵浦終態(tài)能級和激光上能級之間的弛豫過程，從而也就沒有泵浦能量的損耗。另外，對泵浦光的吸收和產(chǎn)生激光的過程都是在5I7和5I8這兩個能級間發(fā)生的，所以其具有量子效率損耗小的特點。這些特點可以減少2 μm摻Ho固體激光器的熱效應(yīng)，從而獲得高效率和高功率的激光輸出。

圖1 2 μm單摻Ho離子激光器能級躍遷示意圖

3 摻鈥激光晶體及其激光器發(fā)展現(xiàn)狀

在基質(zhì)材料中摻雜一定濃度的激活離子作為固體激光器的激光工作物質(zhì)。其中，工作物質(zhì)中摻雜的激活離子是發(fā)光中心，激光特性由它的能級結(jié)構(gòu)所決定，而工作物質(zhì)的物理、化學(xué)和機械性能則主要是由基質(zhì)材料所決定的。摻鈥離子工作物質(zhì)的基質(zhì)材料主要有氧化物、氟化物、釩酸鹽、硅酸鹽晶體以及鎢酸鹽晶體等，其中以YAG、YAP、YLF和YVO4晶體為主要代表。根據(jù)晶體的光譜特性以及物理特性可知，Ho∶YAG晶體作為較常見的摻雜基質(zhì)，其熱傳導(dǎo)相對于其他晶體較高，為0.13 W/(cm·K)，熱性能良好。Ho∶YAP晶體相比于其他晶體，其在很多波長處都有較大的有效吸收截面，而且各吸收峰線寬較寬，例如吸收峰在1 977 nm，吸收截面為E∥a:0.85×10-20cm2、E∥b:0.54×10-20cm2和E∥c:0.70×10-20cm2，吸收線寬分別為 14，7，11 nm，位于吸收強度稍弱的位置1 917 nm 附近，3種偏振相應(yīng)的吸收截面分別達到了0.74×10-20，0.67×10-20，0.69×10-20cm2， 吸收線寬分別為 8，6，8 nm。在 1 911 nm處，3種偏振下吸收截面都為 0.42×10-20cm2，另外，在1 930 nm和1 946 nm處存在著強度略低的吸收峰，因此對泵浦源波長的選擇相對較廣。Ho∶YLF晶體相比于其他晶體，熱膨脹系數(shù)高，13.3×10-6/K∥a,8.3×10-6/K∥c，可以有效抑制熱透鏡效應(yīng)。對于Ho∶YVO4晶體而言，其自然雙折射系數(shù)大，在2 μm處折射率為1.939 3⊥c; 2.140 1∥c，因此有利于減小熱效應(yīng)帶來的影響。接下來本文主要從以常用的基質(zhì)材料為工作物質(zhì)的摻鈥固體激光器的發(fā)展現(xiàn)狀進行介紹。

3.1 摻鈥氧化物晶體及其激光器發(fā)展現(xiàn)狀

氧化物晶體主要包括石榴石晶體和鋁酸鹽晶體兩類[18-22]，分別以YAG晶體和YAP晶體為代表。其中YAG晶體是一種復(fù)合氧化物，具有石榴石結(jié)構(gòu)，屬于立方晶系，該晶體為光學(xué)各向同性，可作為優(yōu)異的激光晶體基質(zhì)。

2003年，BAE公司的Budni[23]用1.91 μm Tm∶YLF晶體諧振泵浦的調(diào)Q運行的 Ho∶YAG激光器，實驗裝置如圖2所示。在60 Hz時，得到了2.09 μm的50.6 mJ單脈沖能量，此時脈沖寬度為14 ns，光束質(zhì)量M2=1.2。

圖2 Ho∶YAG調(diào)Q振蕩器

2004年，英國的Shen等[24]第一次報道了一臺高效率單頻環(huán)形Ho∶YAG激光器，實驗裝置如圖3所示。采用1.9 μm的Tm光纖激光器作為泵浦源，Ho∶YAG激光晶體棒的摻雜摩爾分數(shù)為2%，長度為10 mm。泵浦功率為8.8 W，得到了3.7 W的2.1 μm的Ho∶YAG單頻激光輸出，光束質(zhì)量因子M2<1.1。

2011年，復(fù)旦大學(xué)的Chen等[25]報道了一臺高功率和高效率多晶Ho∶YAG陶瓷激光器，實驗裝置如圖4所示。泵浦源是1 907 nm的摻Tm光纖激光器。當Ho∶YAG陶瓷摻雜摩爾分數(shù)為1.5%、泵浦功率35 W時，得到21.4 W的2 097 nm連續(xù)激光輸出，斜率效率為63.6%，光-光轉(zhuǎn)換效率為61.1%。

圖3 環(huán)形腔Ho∶YAG激光器

圖4 Tm光纖激光器泵浦Ho∶YAG陶瓷激光器

2012年，德國LISA機構(gòu)的 Lamrini 等[26]利用1.9 μm的LD作為泵浦源，泵浦Ho∶YAG晶體，諧振腔采用平平腔，實驗裝置如圖5所示。實現(xiàn)了最大輸出功率為55 W的2.122 μm連續(xù)運轉(zhuǎn)，斜率效率為62%。

圖5 Tm激光器泵浦Ho∶YAG激光器

2012年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的 Shen等[27]利用1.91 μm的Tm∶YLF激光對雙Ho∶YAG晶體進行泵浦，激光器諧振腔內(nèi)雙Ho∶YAG晶體采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，實驗裝置如圖6所示。實現(xiàn)了最大輸出功率為103 W的連續(xù)運轉(zhuǎn)，斜率效率為67.8%，激光器輸出波長為2.097 μm和2.122 μm。

圖6 1.91 μm Tm∶YLF固體激光器泵浦Ho∶YAG激光器

2013年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)Chen等[28]實現(xiàn)了基于Cr2+ZnS飽和吸收體的Ho∶YAG被動調(diào)Q固體激光器輸出，實驗裝置如圖7所示。中心波長為2.09 μm，最大平均輸出功率和脈沖能量分別為16.6 W和2.37 mJ，最小脈沖寬度為36.6 ns，重復(fù)頻率為10.6 kHz。

圖7 Ho∶YAG被動調(diào)Q 激光器

對于Ho∶YAG激光器研究[29-36]，國外主要以美國BAE公司為主，國內(nèi)主要以哈爾濱工業(yè)大學(xué)為主。Ho∶YAG激光器泵浦源主要以1.9 μm的Tm∶YLF激光器和Tm光纖激光器為主，采用1.9 μm LD直接泵浦研究較少[37-39]。在高功率激光運轉(zhuǎn)時，Ho∶YAG晶體的熱致雙折射效應(yīng)會發(fā)生退偏損耗，從而影響激光的輸出功率[40-41]。為了減少高功率泵浦下的熱效應(yīng)，從而進一步提高輸出功率和壓窄脈寬，近年來對Ho∶YAG陶瓷激光器多有研究。

YAP晶體屬于斜方晶系結(jié)構(gòu)，各向異性，負雙軸晶體，具有非常優(yōu)異的自然雙折射特性，更有利于獲得較高功率的偏振激光輸出[42-46]。

2008年，哈爾濱工業(yè)大學(xué) Duan等[47]報道了一臺室溫下連續(xù)運轉(zhuǎn)的Tm∶YLF激光泵浦Ho∶YAP連續(xù)激光器，實驗裝置如圖8所示。選擇19.4 W、1.91 μm的Tm∶YLF激光作為泵浦源，得到了10.2 W、2 118 nm的Ho∶YAP激光輸出。 斜率效率為64%，光-光轉(zhuǎn)換效率為52.6%，光束質(zhì)量為1.4。

圖8 1.91 μm Tm∶YLF激光泵浦Ho∶YAP激光器

2014年，哈爾濱工程大學(xué)的Wang等[48]研究了一高效率Tm光纖激光器帶內(nèi)雙端泵浦Ho∶YAP激光器，實驗裝置如圖9所示。連續(xù)運轉(zhuǎn)下，泵浦功率19.8 W，輸出11.0 W的2 118 nm激光，斜率效率為62.1%。調(diào)Q模式下，重頻10 kHz，輸出功率10.7 W，最大脈沖能量1.07 mJ，最窄脈寬29 ns，峰值功率36.9 kW。

圖9 Tm光纖激光器泵浦a軸Ho∶YAP激光器

2015年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的Cui等[49]采用Tm∶YAP激光器泵浦加入了Cr2+∶ZnS可飽和吸收體的Ho∶YAP調(diào)Q激光器，實驗裝置如圖10所示。當泵浦功率為32.1 W時，獲得最大平均輸出功率6.1 W、重頻7.5 kHz、脈寬93.6 ns的2 118 nm Ho∶YAP激光輸出，x、y方向的光束質(zhì)量因子分別為1.4和1.6，接近衍射極限。這是第一次進行Ho∶YAP被動調(diào)Q激光器研究。

圖10 L型共振泵浦2.118 μm Ho∶YAP激光器

2016年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的Duan等[50]利用1.9 μm Tm光纖激光器泵浦Ho∶YAP激光器，實驗裝置如圖11所示。在連續(xù)運轉(zhuǎn)下，泵浦功率25.9 W時，得到3.07 W的2 117.8 nm激光輸出，光-光轉(zhuǎn)換效率為11.9%。加入聲光調(diào)Q后，得到2.87 W的2 117.8 nm的脈沖光輸出，最短脈寬254.8 ps，重頻81.52 MHz，M2=1.6。這是第一次對主動鎖模Ho∶YAP激光器進行報道。

圖11 Tm光纖激光器泵浦Ho∶YAP連續(xù)鎖模激光器

YAP晶體被用作激光晶體時，相比于 YAG晶體，其熱傳導(dǎo)系數(shù)高[51-58]，可以迅速轉(zhuǎn)移走泵浦過程中產(chǎn)生的能量，而且晶體輸出功率也不易飽和。該晶體在1.97～1.98 μm有較大的偏振吸收系數(shù)[59-63]，在1.9 μm附近有多個吸收截面較大、帶寬較寬的吸收峰，比如1 917，1 947，1 975 nm，和摻Tm激光器發(fā)射譜相吻合，通常用Tm激光器泵浦Ho∶YAP激光器[64-69]。對于摻Ho離子基質(zhì)而言，Ho∶YAP晶體發(fā)射波長較長，比如1 977，2 056，2 118 nm[53，70-72]。

摻鈥氧化物晶體常用的還有LuAG晶體，但對其研究相對較少。2009年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的Yao等[73]利用輸出波長為1.9 μm的Tm∶YLF固體激光器作為泵浦源，端面泵浦Ho∶LuAG調(diào)Q激光器。在連續(xù)運轉(zhuǎn)下，泵浦功率14.1 W，得到5.4 W的2 100.7 nm連續(xù)輸出，斜率效率為67%，M2=1.03。在調(diào)Q運轉(zhuǎn)下，重頻3 kHz時，得到1.5 mJ單脈沖能量，重頻5 kHz時，得到平均功率4.5 W激光輸出，脈寬為28 ns。 2010年，上海光機所的Tang等[74]實現(xiàn)了1.9 μm的Tm∶YLF激光泵浦Ho∶LuAG調(diào)Q激光器。得到了11 W的2.1 μm連續(xù)激光輸出，斜率效率83%。在調(diào)Q運轉(zhuǎn)下，重頻2 kHz，單脈沖能量4.1 mJ，脈寬20 ns，重頻5 kHz時，峰值功率高達91 kW，光束質(zhì)量因子為1.02。

3.2 摻鈥氟化物晶體及其激光器發(fā)展現(xiàn)狀

氟化物晶體主要以氟化釔鋰晶體(YLF)為代表，常用的主要包括BaYF、LuLF和KYF等[75-77]。其中YLF晶體屬于四方晶系結(jié)構(gòu)，光學(xué)各向異性，輸出線偏振激光。YLF晶體有兩個等價的a軸和一個c軸。a軸方向生長的晶體可獲得兩種偏振的激光，一種π偏振光，另一種σ偏振光。與YAG晶體相比，YLF激光器有高效率、低閾值和良好的熱穩(wěn)定性等優(yōu)點。

2011年，意大利米蘭理工大學(xué)的Coluccelli等[78]實現(xiàn)了基于半導(dǎo)體飽和吸收鏡的Ho∶YLF 被動鎖模固體激光器輸出，實驗裝置如圖12所示。輸出激光中心波長為2.06 μm，平均輸出功率為0.58 W，最小脈沖寬度為1.1 ps，重復(fù)頻率122 MHz。

圖12 Ho∶YLF被動鎖模激光器

2013年，挪威DR研究所的Fonnum等[79]使用1.94 μm的摻Tm3+光纖激光器作為泵浦源，實現(xiàn)了基于電光Q開關(guān)的2.051 μm的Ho∶YLF主動調(diào)Q固體激光器輸出，實驗裝置如圖13所示。在重頻為1 Hz下，獲得最大脈沖能量和最小脈沖寬度分別為550 mJ和14 ns。

圖13 摻Tm3+光纖激光器泵浦Ho∶YLF激光器

2016年，清華大學(xué)的Ji等[80]使用1.94 μm的光纖耦合LD作為泵浦源，實現(xiàn)了基于聲光Q開關(guān)的高斜效率Ho∶YLF調(diào)Q激光器，實驗裝置如圖14所示。在連續(xù)運轉(zhuǎn)下獲得了最大1.63 W的輸出功率，斜率效率為89.2%。在調(diào)Q運轉(zhuǎn)下，重頻100 Hz時，獲得了最大脈沖能量1.1 mJ的2.06 μm激光輸出，最小脈沖寬度為43 ns。

圖14 LD泵浦Ho∶YLF主動調(diào)Q固體激光器

對于摻鈥氟化物晶體激光器研究[81-83]，國內(nèi)國外相對其他基質(zhì)研究較少，YLF晶體是一種易脆的晶體,拉伸強度和脆裂極限都較低，在高功率泵浦下，因為熱效應(yīng)的存在，容易影響其激光輸出特性。

LuLF晶體屬于四方晶系，正單軸晶體，白鎢礦型結(jié)構(gòu)。其光軸與c軸平行，光譜具有偏振吸收和輸出特性，可以直接輸出偏振激光，具有負的折射率溫度系數(shù)可以減輕熱透鏡效應(yīng)[84-88]。屬于同成分熔化，在晶體生長的過程中不需要添加過多的LiF，所以形成包裹物的概率很低，生長出來的晶體光學(xué)質(zhì)量高，激光性能好[89-91]。

2010年，Kim等[92]首次報道了Ho3+∶LiLuF4晶體的激光輸出，他們是利用摻雜摩爾分數(shù)0.25%的Ho3+∶LiLuF4晶體，1 937 nm的 Tm光纖激光器作為泵浦源，獲得了5.1 W、2 066 nm和5.4 W、2 053 nm激光輸出， 斜率效率達到76%。2010年，法國的Schellhorn[93]實現(xiàn)了Tm光纖激光器泵浦Ho∶LLF晶體調(diào)Q激光器，腔型結(jié)構(gòu)為折疊腔。在重頻為100 Hz時，得到了2 052 nm、24.8 mJ的π偏振激光，脈寬為47 ns。2011年，Schellhorn[94]又實現(xiàn)了2 067.7 nm、20.5 W的高功率Ho3+∶LiLuF4連續(xù)激光輸出，斜率效率為58.4%。

室溫下，單摻Ho3+的LuLF晶體在近紅外波段較大吸收峰為1 148 nm和1 934 nm?？梢赃x擇1.1 μm的LD和摻Y(jié)b離子光纖激光器或者1.9 μm的LD或摻Tm3+激光器進行泵浦。該晶體在2 μm 波段具有比較寬且平滑的吸收光譜和發(fā)射光譜，從而泵浦源的選擇范圍更廣，激光器的穩(wěn)定性也更優(yōu)異，也有利于可調(diào)諧激光和超快激光的產(chǎn)生，因此Ho∶LiLuF4晶體比較適合用于產(chǎn)生2 μm波段的激光，具有很大的研究價值。

3.3 摻鈥釩酸鹽晶體及其激光器發(fā)展現(xiàn)狀

釩酸鹽晶體主要包括GdVO4和YVO4等晶體[93-97]，屬于四方晶系，正單光軸晶體，具有鋯石結(jié)構(gòu)。這類晶體的光學(xué)性能、機械性能、熱力學(xué)性能以及化學(xué)性能都比較優(yōu)秀。

2011年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的Yao等[98]使用1.94 μm的Tm∶YAP固體激光器作為泵浦源，在室溫下實現(xiàn)了中心波長為2.053 μm的Ho∶YVO4固體激光器的連續(xù)運轉(zhuǎn)，最大輸出功率為8.58 W，實驗裝置如圖15所示。

2012年，美國AR實驗室的Newburgh等[99]使用1.966 μm的光纖激光器作為泵浦源，在液氮制冷(80 K)下實現(xiàn)了Ho∶YVO4固體激光器的連續(xù)運轉(zhuǎn)，實驗裝置如圖16所示。輸出激光中心波長為 2.068 μm，最大輸出功率大于9 W，斜率效率高達92%。

2015年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)Yao等[100]使用中心波長為1.94 μm的摻Tm3+光纖激光器作為泵浦源，使用Cr2+ZnS作為飽和吸收體，在室溫下實現(xiàn)了中心波長為2.053 μm的Ho∶YVO4被動調(diào)Q固體激光器輸出，實驗裝置如圖17所示。獲得最大平均輸出功率和最大脈沖能量分別為8.1 W和70.3 μJ，最小脈沖寬度為161.6 ns，相應(yīng)的重復(fù)頻率為114.6 kHz。

圖15 Tm∶YAP激光器泵浦Ho∶YVO4激光器

圖16 Ho∶YVO4連續(xù)固體激光器

隨著釩酸鹽晶體生長技術(shù)逐漸成熟，近年來對Ho∶YVO4激光器進行了研究，主要以國內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究居多，但最大輸出功率限制在10 W，如何在常溫下實現(xiàn)更高功率的激光輸出是未來的研究重點。

圖17 Tm光纖激光器Ho∶YVO4被動調(diào)Q固體激光器

2014年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的Yao團隊[101]實現(xiàn)了基于聲光Q開關(guān)的Ho∶GdVO4主動調(diào)Q固體激光器輸出，實驗裝置如圖18所示。在重復(fù)頻率為5 kHz下，獲得的最大脈沖能量和最小脈沖寬度分別為0.9 mJ和4.7 ns，輸出激光中心波長為2.048 μm。

圖18 Ho∶GdVO4主動調(diào)Q激光器

2015年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的 Yao團隊[102]采用1.942 μm的摻Tm3+光纖激光器作為泵浦源，在室溫下實現(xiàn)了Ho∶GdVO4固體激光器的連續(xù)運轉(zhuǎn)，實驗裝置如圖19所示。輸出中心波長為2.048 μm，最大輸出功率為 11.2 W，斜率效率為40.1%。

圖19 Ho∶GdVO4連續(xù)激光器

2016年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)Yao團隊[103]實現(xiàn)了基于 Cr2+ZnS飽和吸收體的Ho∶GdVO4被動調(diào)Q固體激光器脈沖輸出，實驗裝置如圖20所示。獲得最大平均輸出功率為8.4 W的2.049 μm 激光輸出，最小脈沖寬度為 43.2 ns，相應(yīng)的重復(fù)頻率為126.7 kHz。

圖20 Ho∶GdVO4被動調(diào)Q固體激光器

對于Ho∶GdVO4激光器研究主要是在近幾年，以國內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究為主。GdVO4晶體本身吸收截面大，吸收譜帶寬，使得激光閾值較低；雖然熒光壽命比氟化物短，但受激發(fā)射截面要比氟化物大得多，熒光壽命與發(fā)射截面的乘積和氟化物基本相當，利于能量儲存，而且易于實現(xiàn)高重頻窄脈寬的激光輸出。其次，熱機械性能、熱導(dǎo)率、化學(xué)穩(wěn)定性與YAG晶體相當，有較高的激光損傷閾值，由于晶體的天然雙折射效應(yīng)要比熱致雙折射效應(yīng)大，使得輸出激光為線偏振光，而且可以消除高功率激光運行時的退偏振損耗。利用1.9 μm Tm光纖作為泵浦源，輸出功率可達到10 W以上。

GdVO4晶體在生長技術(shù)方面，比氟化物晶體更加成熟，短的生長周期更有利于得到高質(zhì)量的光學(xué)晶體[104-105]，從而更容易獲得高質(zhì)量的激光輸出，因此具有可觀的研究前景。

3.4 摻鈥硅酸鹽晶體及其激光器發(fā)展現(xiàn)狀

硅酸鹽晶體主要包括Y2SiO5(YSO)、Sc2SiO5(SSO)、CaAl2SiO7(CAS)和 SrY4(SiO4)3O(SYS)等。硅酸鹽晶體本身具有較低的對稱性，因此晶體的聲子能量較大，由于基質(zhì)晶體場的作用使得摻入激活離子的能級劈裂大，下能級玻爾茲曼占有因子較小，易于實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，同時可使吸收譜和發(fā)射譜實現(xiàn)均勻展寬，吸收和發(fā)射截面較大。但是硅酸鹽晶體的熱力學(xué)參數(shù)較差，而且激活離子熒光壽命短[106-107]，這些缺點影響了激光輸出性能，因此很少應(yīng)用于高功率激光器研究。

3.5 摻鈥鎢酸鹽晶體及其激光器發(fā)展現(xiàn)狀

鎢酸鹽晶體屬于單斜晶系的一種雙光軸晶體，以KY(WO4)2(KYW)為代表，常用的有 KGd-(WO4)2(KGdW)、KLu(WO4)2(KLuW)等[108-110]。鎢酸鹽晶體中激活離子的分凝系數(shù)較大，較易實現(xiàn)高濃度摻雜，由于離子間距大也使得猝滅濃度低，吸收和發(fā)射截面較大。此外，晶體生長工藝成熟，可得到高質(zhì)量的光學(xué)晶體。2010年，西班牙的Mateos等[111]利用KLu(WO4)激光泵浦Ho∶KLu(WO4)2連續(xù)激光器，這是第一次對Ho∶KLu-(WO4)2晶體進行研究，實現(xiàn)了最大輸出功率為648 mW的Ho激光輸出，激光中心波長為2 078 nm，斜率效率為55%。

然而晶體本身有嚴重的熱透鏡效應(yīng)，限制了鎢酸鹽激光器在輸出功率方面的提升，因此對于鎢酸鹽晶體激光器研究也較少。

4 總結(jié)與展望

單摻Ho固體激光器是目前獲得2 μm激光輸出的有效途徑，它具有量子損耗小、受激發(fā)射截面大、且上能級壽命長的優(yōu)點，這使得摻鈥固體激光器在運行時激光介質(zhì)熱積累較小，更容易實現(xiàn)較高功率和高脈沖能量的2 μm激光輸出，而且其上轉(zhuǎn)換損耗和再吸收損耗均較低，使得摻Ho3+固體激光器無論在常溫還是低溫的工作條件下，激光器輸出性能均較為出色，不過在實際應(yīng)用中低溫下使用液氮等制冷設(shè)備并不是很便捷。

單摻Ho固體激光器的泵浦方式通常以1.9 μm銩激光器端面泵浦為主，相對于其他泵浦方式，具有高功率、高光束質(zhì)量、高效率及高穩(wěn)定性等優(yōu)點。摻銩固體激光器晶體基質(zhì)主要有Tm∶YLF、Tm∶YAG、Tm∶YAP等，它們的激光發(fā)射波長均處于Ho晶體相對較強的吸收光譜范圍內(nèi)，因而得到了一系列的研究。

對于單摻Ho離子的激光物質(zhì)而言，可以選擇的常用基質(zhì)材料主要有氧化物晶體、氟化物晶體、釩酸鹽晶體、硅酸鹽晶體和鎢酸鹽晶體等。在常溫下，由于這些基質(zhì)材料在晶體的結(jié)構(gòu)、成分以及晶體場作用等方面存在著差異，而且對Ho離子的多重態(tài)劈裂產(chǎn)生不同影響，使得以這些材料為基質(zhì)的摻Ho激光介質(zhì)在激光性能上表現(xiàn)出明顯的不同。通常選擇YAG、YAP、YVO4和YLF晶體作為基質(zhì)，進行常溫下高功率、高效率、高光束質(zhì)量摻Ho固體激光器的研究。

表1列出了以常用的摻鈥工作物質(zhì)進行的調(diào)Q激光器研究情況。目前在國內(nèi)外對2 μm摻鈥固體激光器的研究中，脈沖Ho激光器的調(diào)Q方式絕大多數(shù)為聲光調(diào)Q，對于電光調(diào)Q和被動調(diào)Q的鈥激光器研究還相對較少，而且聲光Q鈥激光器的峰值功率、脈寬還不是很理想，有待進一步的研究分析。

表1 2 μm調(diào)Q激光器

根據(jù)對激光輸出特性的不同需求，可以選擇不同的摻雜基質(zhì)。隨著激光增益介質(zhì)的不斷拓展，1.9 μm泵浦源激光技術(shù)的逐步成熟以及國防、軍事和民用等領(lǐng)域?qū)? μm激光器的需求，研究高效緊湊、高重頻窄脈寬的2 μm摻鈥固體激光器具有重要意義。