上海光机所以反常荧光特性助力新波段高功率激光，在掺Nd光纤中实现百瓦级900nm激光输出

原创 上海光机所

900 nm 激光可直接用于泵浦掺 Yb³⁺激光材料、大气探测和生物双光子成像，其倍频产生的深蓝激光在面向水下通信、原子冷却、激光存储及激光加工等领域具有重大意义。目前，研究者们主要通过半导体激光器、固体（晶体和陶瓷）激光器和掺Nd光纤激光器实现 900 nm 激光输出。而掺Nd石英光纤激光器小型轻量化、 波长连续可调、光束质量高、易于实现高重复频率、通过光束合成可获得大脉冲能量等优点使其成为今年来的研究热点。但通常掺Nd³⁺激光材料的主要发射位于^—1060 nm，这导致^—900 nm激光效率低下且极易产生^—1060 nm自发辐射，强烈限制了其输出功率和应用。目前，研究者们通过空间滤波、低温运转、波导设计等方式被动地压制^—1060 nm自发辐射，然而全光纤结构的^—900 nm激光输出功率仍停留在瓦级水平，极大限制了^—900 nm激光的应用和发展。

图1. 石英玻璃的光谱特性。a) 引入不同卤素的荧光光谱， b) ⁴F_3/2 能级到各下能级的积分荧光强度，c) 引入碘元素的Nd石英玻璃与商用Nd掺杂硅酸盐、磷酸盐、YAG晶体的荧光光谱. d) 荧光衰减光谱。

该研究团队从基础理论出发，创新性地提出了一种直接配位工程方法将卤素引入石英玻璃中Nd³⁺的最紧邻配位，以提高成键的共价性，主动地增强了Nd³⁺的^—900 nm发射强度。引入碘元素的掺Nd³⁺石英玻璃显示出在掺Nd³⁺的材料中很少观察到的荧光反转现象，即其^—900 nm发射强度超过了通常更强的^—1060 nm发射强度。使用该石英玻璃为纤芯的双包层光纤，在全光纤MOPA结构实现了比当前记录高50倍的功率(113.5 W)。该工作为^—900 nm高功率光纤激光器的开发和应用提供了新思路，同时为调节稀土掺杂材料的光谱性质提供了一条新的途径。

图2. a) MOPA结构光路图. b) 激光输入-输出曲线. c) 输出功率为113.5 W时的激光光谱图。