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新型材料拓展固体激光器的性能

作者：Jeff Hecht 来源：激光世界

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陶瓷材料、掺杂过渡金属的Ⅱ-Ⅵ族材料以及光泵浦半导体激光器，正在将固体激光器的工作范围向新的波长和更高的功率扩展。

尽管固体激光器的泵浦源和谐振腔设计已随着时间的推移不断发展变化，但是其工作物质的发展却相对缓慢。固态物理学是一门复杂的学科，对于商业应用来讲，改进和优化现有的激光材料（如玻璃、YAG和YLF），早已比研发新型激光材料具有更低的成本，而且也更容易实现。

然而，随着近几十年来基础研究的发展，人们对激光材料有了更好的理解，上述情况正在发生改变。新型固体激光器正在跨越实用化的门槛，其中包括光泵浦而非电驱动的半导体激光器。目前，以三种新型材料为增益介质的新一代固体激光器日益引起了人们的关注：陶瓷激光器、掺杂过渡金属的Ⅱ-Ⅵ族晶体（如硒化锌）激光器和光泵浦半导体激光器（OPSL)。

陶瓷激光器

陶瓷是多晶材料，由许多小的、方向随机的小颗粒熔化而成。日常生活中常见的陶瓷是不透明或半透明的，这是因为它们内部存在很多对光产生散射的瑕疵。但是如果能够小心谨慎地将这些颗粒熔化在一起，并保持足够清洁，消除大部分散射瑕疵，这样制备出的陶瓷的透明度便足以满足很多光学应用的需求。

陶瓷激光材料的测试研究始于20世纪60年代，但此后陶瓷激光材料并没有得到人们的足够关注。直到1995年，日本名古屋World Lab的Akio Ikesue报道了一种Nd：YAG陶瓷激光器，其性能完全可以与单晶激光器的性能相媲美。这在业界掀起了陶瓷激光器研究的热潮。[1]

陶瓷具有很多优点，与采用传统熔体凝固方法生长的单晶材料相比，陶瓷能够制备成更大的尺寸。陶瓷材料中能够掺杂更高浓度的激光离子，制备成光纤形式，并能够制造单晶材料生长无法实现的内部结构。研究人员希望当技术完全成熟后，陶瓷生产能够比传统晶体生长更便宜。此外，研究人员还希望通过一种称为固态晶体生长的处理过程，将一些微晶陶瓷与种子晶体相接触进行烧结，将它们转变成单晶。

研究人员已经对Nd：YAG陶瓷进行了大量研究工作。研究发现，与传统的单晶YAG相比，多晶YAG陶瓷具有更好的热光和光机械性能。陶瓷Nd：YAG似乎有望输出更高的功率。美国劳伦斯•利弗莫尔国家实验室研制的固体热容激光器，其采用Nd：YAG 陶瓷放大器，产生的平均功率达到了创纪录的67kW（见图1）。[2] 2008年9月，美国国家研究委员会发表的一份报告指出，陶瓷平板激光器是近期可用作对抗火箭、大炮和迫击炮武器的固体激光器。[3]

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图1：劳伦斯•利弗莫尔国家实验室研制的固体热容激光器，采用陶瓷平板放大器，产生的平均功率达到67kW

一些利用传统单晶生长技术不能生长的材料，也可以制成陶瓷，特别是“三氧化二物”，如Lu2O3、Sc2O3和Y2O3。它们能够掺杂稀土激光离子，并且熔点高于2400℃。Ikesue在2008年12月《Nature Photonics》上发表的综述文章中介绍说，三氧化二物陶瓷所具有的高热导率和宽带宽，使其有望用在高功率和超短脉冲激光器中。[4]最近的研究表明，掺镱Lu2O3陶瓷的光泵浦斜率效率已经达到86％。[5]

Ikesue认为，陶瓷激光器技术仍在发展，但它们已经获得了“传统单晶技术无法实现的激旋光性能”。

掺杂过渡金属的Ⅱ-Ⅵ族中红外激光器

20世纪90年代中期，业界首次展式了掺杂过渡金属（如铬、铁）的宽禁带Ⅱ-Ⅵ硫族化合物中红外激光器。[6]美国阿拉巴马大学伯明翰分校的研究人员在最近发表的一篇综述文章中指出，这些材料的光谱和激旋光性能“与钛宝石在中红外波段的性能非常类似”，这使它们对激光器的发展颇具吸引力。[7]

早期的工作集中在硒化锌（ZnSe）上，这是由于硒化锌研究比较成熟、成本低廉并且在宽波长范围内都具有透明性。该类材料中研究最多的是Cr2+：ZnSe，能够采用二极管泵浦，输出波长范围1.9～3.1µm。在该波长范围内，大部分器件可以实现连续运转，并且光学转换率能超过60％。阿拉巴马大学的研究小组与Photonics Innovations和空军研究实验室合作，通过优化材料质量，采用薄板增益介质改善热性能，最近获得了13W的连续输出，这个输出功率值受到了泵浦功率和热管理的限制。

ZnS的属性也非常具有吸引力。与ZnSe相比，ZnS具有更高的热导率和更好的抗光学损失性能，但是ZnS的过渡金属掺杂技术还不太成熟。阿拉巴马大学的研究人员Sergey Mirov：“我们相信ZnS具有美好的未来”。他的研究小组已经在掺铬ZnS上获得了成功，利用非选择性谐振腔获得了超过10W的输出功率，并在1.95～2.85µm的范围内获得了超过7W的调谐输出。另一种有希望的材料是掺铁ZnSe。Fe2+：ZnSe已实现了室温下的激光输出，量子级联激光器是目前在3.7～5.1µm范围内最佳的可调谐激光器，Mirov对室温下Fe2+：ZnSe在该波长范围内获得更宽的调谐性表示乐观。

Mirov认为功率水平还能进一步提高。“我们正在考虑获得几百瓦、甚至更高的功率输出”。他也在期待新的应用，例如利用掺铬硫化物激光器可调谐的优点，将其工作波长调谐到或调谐出强的水吸收带，从而使激光外科手术刀能够改变进入组织的渗透深度。

光泵浦半导体激光器

掺杂的Ⅱ-Ⅵ族化合物可能最终能够采用电泵浦，但是对始于20世纪90年代的其他OPSL，电泵浦却不是必要的。[8]这类装置也被称作VECSEL（垂直外腔面发射激光器），该名称突出了其与VCSEL的密切关系。

研究人员为了改进电激发垂直腔面发射激光器的功率限制，利用复杂的外部结构控制电流。光泵浦半导体激光器保留了布拉格反射器作为VCSEL的后腔镜，以及通过激活区的量子阱发射激光（见图2）。然而，激光发射不是通过二极管结处的载流子复合，而是通过泵浦二极管照射盘片表面进行泵浦。OPSL采用外腔，即输出镜与半导体分离，这样就留下了空间以放置谐波发生器等腔内光学组件。

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图2：一个二级管激光泵浦源（图中未画出）照射附着于热沉的半导体盘片，泵浦激活区的量子阱（插图）。光泵浦半导体激光器在外腔中产生振荡，谐振腔内可以加入谐波发生器等腔内光学组件。后腔镜是位于OPSL背面的布拉格反射镜。

与电复合相比，光泵浦能够激发更宽的区域，产生更大的发射面积，从而提供更好的光束质量和更高的功率。而且，其另一个最大的优点是能够对增益介质进行设计，以获得所需的吸收带和发射波长。

相干公司将该技术商品化，并在去年凭借输出3W的577nm黄光OPSL获得了PhAST/Laser Focus World创新奖，该波长与氧络血红蛋白的吸收峰相匹配。产生该精确波长能够将激光能量集中在糖尿病、视网膜病和湿性黄斑变性所影响的视网膜组织中，这是一个重要的医学进展。577nm激光是通过对输出波长为1154 nm的OPSL光束倍频产生的。

由于光泵浦设计灵活强大，因而已被用于许多各种不同的III-V族半导体，基频输出从红光的640nm到红外的2.3µm。基频功率可达几十瓦，二次谐波功率可达约20W（见图3）。这类激光器结构简单紧凑，并且能够设计成激光波长满足特定应用的要求，包括临床治疗，并能替代体积更大、成本高昂的488nm氩激光器。

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图3：光泵浦半导体激光器产生的波长和功率

研究人员表示该领域正在迅速发展。三次和四次谐波产生正在将输出波长向更深的紫外波段推进，这在小型光刻系统中具有潜在应用价值。研究人员正在研究基频输出在1.9～2.8µm的光源，目前已实现了980nm二极管泵浦的砷锑化镓铟（GaInAsSb）单片的2.3 µm波长输出，[9]其应用前景包括人眼安全波长的传感和自由空间通讯。

展望

固体激光器的传统激活离子，如钕和镱远未到被淘汰的时候。可靠的性能和成熟的技术使它们能够占据一定的位置。但是随着陶瓷激光器的发展，它们可能以不断增加的形式出现，并实现更高功率。

参考文献：
1. Z. Liu et al., IEEE Phot. Tech. Lett. 18(12) (2006).
2. C. Gmachl et al., Nature 415, p. 883 (2002).
3. S. Howard et al., IEEE Sel. Top. Quant. Elect. 13(5) p. 1054 (2007).
4. Y. Bai et al., Appl. Phys. Lett. 92, p. 101105-1 (2008).
5. G. Wysocki et al., Appl. Phys. B 92, p.305 (2008).
6. T. Day et al.,“Miniaturized external-cavity quantum-cascade lasers for broad tunability in the mid-infrared,”CLEO and 2006 QELS (May 2006).
7. R. Maulini et al., Appl. Phys. Lett. 88, p. 201113, 2006.
8. www.daylightsolutions.com.
9. T. Risby and S. Solga, Appl. Phys. B 85, p. 421 (2006).
10. MIRTHE (mid-InfraRed Technologies for the Health and Environment), an NSF Engineering Research Center headquartered at Princeton University (www.mirthecenter.org).(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (11/26/2009)


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