钬、镨双掺杂氟化镥锂晶体2.9μm中红外激光特性研究

In recent years, mid-IR (MIR) lasers operating around 2.9 μm have attracted much attention for numerous applications in biological, medical and sensing technologies because of the vibrational absorption band of water in this spectral region. It can also be used in efficient and high quality pump sources for longer wavelength MIR lasers and optical parametric oscillator. In this project, we proposed to investigate the optical and laser properties of Pr3+ and Ho3+ ions co-doped Ho3+,Pr3+:LiLuF4 fluoride crystal. We will well demonstrate the mid-IR lasing characteristics from theoretical and experimental researches, including the influence of doping concentration of Ho3+ and Pr3+ ions on the characteristics of absorption and emission spectroscopic, the mid-IR light emission and multi-phonon relaxation, 2.9 μm laser operation at continuous wave, active or passive Q-switched and mode-locked regimes. We will also explore the cascading output properties for 2.9 and 2.1 μm. We well mainly focus at lasing broadly tunable and continuous wave mode locked operating in the rang of 2.8-3.02 μm. This project will connect crystal physics and laser technique together for basic research on rare earth ions doped fluoride crystals. The results well open a new pathway of directly pumped MIR lasers, as well as extends the MIR laser techniques in the future.

2.9μm波段激光在军事、生物、医学和科学研究等领域具有重要应用。本项目拟对具有潜在应用价值的钬、镨双掺杂氟化镥锂晶体（Ho3+,Pr3+:LiLuF4）进行探索：从理论和实验上系统地分析Ho3+、Pr3+离子掺杂浓度对其吸收和发射光谱的影响，特别是对激光上能级和下能级荧光寿命的影响，研究其中红外发光和多声子弛豫特性，探索最佳掺杂浓度；研究Ho,Pr:LLF晶体在2.9 μm波段处的连续波、主被动调Q开关和锁模不同模式下的中红外激光输出特性；研究2.9 μm（5I6→5I7）和2.1 μm （5I7→5I8）级联跃迁输出特性；重点研究Ho,Pr:LLF晶体2.9 μm波段石墨烯锁模超短脉冲激光输出特性。本项目着眼于稀土氟化物晶体基础研究，将晶体物理和激光器优化设计相结合，研究结果对探索理想中红外激光晶体材料，扩展现有中红外光源技术途径等方面具有重要的科学意义和应用价值。

2.9 μm波段激光与水的强吸收峰位置重叠，因而水对它的吸收率特别高，使其在多水软组织的薄层内被吸收，因此可以在对软组织周围不产生任何热损伤的前提下进行精确切割，是精细外科手术理想的工作波段，被广泛应用于生物和医学领域。另外2.9 μm波段激光可以作为红外光参量振荡器的泵浦源，能够获得5~8 μm更长波长的高功率红外光源，可用于红外照明、激光雷达、光电对抗、自由空间通信、化学和生物探测、环境污染监测等领域。此外，2.9 μm波段中红外超短脉冲激光在中红外频率梳、阿妙超短脉冲、人工动态带隙以及地基临近空间探测等方面具有不可替代的作用。如上所述，由于2.9 μm中红外激光具有重要的应用背景和极大需求，它已成为近年来国内外研究开发的重点领域。. 本项目的主要研究目标：针对目前国际上处于发展萌芽阶段但具有重要应用前景的2.9 μm波段中红外激光，本项目利用新材料和新技术，解决该波段连续波调谐和超短脉冲产生等问题，填补国内空白。通过对Ho,Pr:LLF晶体光谱特性测试与表征，确定实现2.9 μm激光输出最佳的Ho3+、Pr3+离子掺杂浓度，实现其在2.9 μm连续波可调谐（输出功率瓦级，调谐范围：2.8~3.02 μm）、调Q纳秒（输出功率~500 mW，脉冲宽度~50 ns，重复频率~kHz）和石墨烯锁模超短脉冲（输出功率100~500 mW，脉冲宽度~100 fs量级）输出，评估它在中红外固态激光技术中的应用潜能，为其实用化奠定基础。. 在项目执行期间，对Ho,Pr:LLF晶体光谱特性进行了研究，确定了最佳的Ho3+、Pr3+离子掺杂浓度比，并探索了其他新型2.9 µm附近中红外激光晶体材料；采用光纤拉曼激光器作为泵浦源实现了Ho,Pr:LLF晶体在2.9 μm波段瓦级激光输出，采用石墨烯和黑磷等新型二维材料作为饱和吸收体，实现了~百纳秒被动调Q激光输出；采用石墨烯作为饱和吸收体，优化谐振腔腔型结构，实现了~719 fs连续波锁模激光输出。相应的结果与Ho3+、Pr3+离子掺杂的ZBLAN光纤相比，表明Ho,Pr:LLF体块晶体在2.9 µm波段中红外全固态激光技术中具有巨大的应用潜能，通过优化Ho3+、Pr3+离子掺杂浓度，必能实现~10 W级高功率2.9 µm波段中红外激光输出。总体说来，完成了指标，达到了预期目的。