前沿：国外期刊晶体类论文精选（三）——激光晶体（上）

撰文：张沛雄

摘要：

该研究利用提拉法首次成功制备了能够用于超强超短激光的Yb:GdScO₃晶体，并系统研究其热、光学和激光特性。该晶体在1025 nm (E//c)处的受激发射截面为0.46×10⁻²⁰ cm²，发射宽度为85 nm，比已知的Yb:CaGdAlO₄还要宽。在50 ℃时，热导率为5.54 W/(m⋅K)，与Yb:YAG相当。在连续激光输出中，激光输出中心波长1063.9 nm处的最大输出功率为13.45 W，光光转换效率为63.3%。这些结果表明，Yb:GdScO₃晶体是一种很有前途的超短脉冲激光器的候选晶体。

文章信息：

Yuhang Zhang, Shanming Li, Xiao Du, Jie Guo, Qiaorui Gong, Siliang Tao, Peixiong Zhang, Qiannan Fang, Shilie Pan, Chengchun Zhao, Xiaoyan Liang, and Yin Hang. Yb:GdScO₃ crystal for efficient ultrashort pulse lasers. Optics Letters, 2021, 46(15), 3641-3644.

DOI:10.1364/OL.431243

中国科学院上海光学精密机械研究所微纳光电子功能材料实验室研究人员，利用第一性原理计算出发，首次揭示掺钛α-Al₂O₃单晶在近紫外和可见光区存在可疑吸收特性的起源，其研究结果以题为“Theoretical study on near UV and visible optical absorption characteristics of Ti-doped α-Al₂O₃ single crystals”，发表于Materials Today Communications（《今日材料通讯》）。

摘要：

该工作用第一性原理方法研究Ti：α-Al₂O₃晶体近紫外(300 ~ 400 nm)和可见光(400 ~ 600 nm)吸收带的来源。具体计算了含有取代型Ti³⁺、间隙型Ti³⁺和各种离子对的Al₂O₃超晶格的电子和光学性能。结果表明，388 nm(报道)和325 nm(未报道)处的吸收峰都是由取代态Ti³⁺:3d轨道向相邻的Al³⁺:3s3p轨道电荷转移引起的。当间隙Ti³⁺与Al空位共存时，间隙Ti³⁺会松弛到相邻Al空位的位置，形成类似置换Ti³⁺的缺陷。线接触Ti³⁺-Ti³⁺、面接触Ti³⁺-Ti³⁺和点接触Ti⁴⁺-Ti³⁺离子对是造成可见吸收带多峰结构和小凸起的主要原因。此外，还从配体场理论和热活化的角度提出了导致这一现象的两个可能原因。

文章信息：

Qiaorui Gong, Chengchun Zhao, Shanming Li, Geng Zhao, Min Xu, Yin Hang, Theoretical study on near UV and visible optical absorption characteristics of Ti-doped α-Al₂O₃ single crystals. Materials Today Communications,  2021, 28, 102506.

DOI:10.1016/j.mtcomm.2021.102506

上海光学精密机械研究所研究团队与多伦多大学Sargent教授团队合作在钙钛矿超晶格激光领域的研究取得重要进展，提出一种创新性钠原子钝化的自组装策略，能够有效降低俄歇效应，从而使得低阈值的纳秒激光泵浦成为可能。其研究结果以题为“Quantum Dot Self-Assembly Enables Low-Threshold Lasing”，发表于Advanced Science。

摘要：

钙钛矿量子点(QDs)是当前新型微纳激光器的研究热点。由于存在俄歇效应，从飞秒激光泵浦到纳秒激光泵浦往往会导致激光的阈值升高两个数量级。该工作中研究者通过配体交换策略，提出一种创新性钠原子钝化的自组装策略，钝化量子点表面，诱导量子点自组装形成规则结构的三维超晶格微腔。新型超晶格微腔的俄歇效应明显降低，同时热效应也受到抑制，在低阈值的纳秒激光泵浦下实现激光输出。

文章信息：

Chun Zhou, Joao M. Pina, Tong Zhu, Darshan H. Parmar, Hao Chang,Jie Yu, Fanglong Yuan, Golam Bappi, Yi Hou, Xiaopeng Zheng, Jehad Abed, Hao Chen, Jian Zhang, Yuan Gao, Bin Chen, Ya-Kun Wang, Haijie Chen, Tianju Zhang, Sjoerd Hoogland, Makhsud I. Saidaminov, Liaoxin Sun, Osman M. Bakr, Hongxing Dong, Long Zhang, Edward H. Sargent. Quantum Dot Self-Assembly Enables Low-Threshold Lasing. Adv. Sci., 2021，2101125.

DOI:10.1002/advs.202101125

中国科学院合肥物质科学研究院研究团队自主设计并成功生长浓度梯度掺杂的Nd:YAG晶体，基于该激光晶体实现性能优越的激光脉冲输出，重复频率为2 kHz运行时的最大激光输出功率达到了24.2 W，激光器光光转换效率高达53.8%。其研究结果以题为“Superior performance of a 2 kHz pulse Nd:YAG laser based on a gradient-doped crystal”，发表于Photonics Research。

摘要：

该工作报道了一种自制的新型浓度梯度分布的Nd:YAG晶体棒，掺杂浓度范围为0.39~0.80at.%，实现了性能优越的1064 nm脉冲激光输出。光-光转换效率达到53.8%，最大输出功率为24.2 W，比相同Nd³⁺浓度的均匀晶体棒提高了35.9%。值得注意的是，实验结果也表明梯度浓度晶体沿棒轴产生了一个相对均匀的泵浦分布，大大降低了温度梯度，为未来高效率激光技术提供了一条新途径。

文章信息：

Meng’en Wei, Tingqing Cheng, Renqin Dou, Qingli Zhang, Haihe Jiang. Superior performance of a 2 kHz pulse Nd:YAG laser based on a gradient-doped crystal. Photonics Research, 2021, 9(7): 0700119.

DOI:10.1364/PRJ.424989

西班牙罗韦拉维吉利大学与中国科学院福建物质结构研究所光电材料化学与物理重点实验室研究团队合作，成功制备Yb³⁺:MgWO₄晶体，系统研究其光学性能，且实现输出中心波长 1056 nm，功率达到18.2 W，斜率效率为89%的偏振激光输出，其研究结果以题为“Spectroscopy and high-power laser operation of a monoclinic Yb³⁺:MgWO₄ crystal”，发表于Optics Letters。

摘要：

单斜(黑钨矿型)单钨酸盐晶体是稀土掺杂的理想材料。该文章系统报道了Yb³⁺:MgWO₄晶体室温和低温下的偏振光谱性能，且可实现高效的激光运转。结果表明，该晶体具有高受激发射横截面(6.2×10⁻²⁰ cm²@1056.7 nm E||𝑁𝑚)，大的基态Stark分裂(765 cm⁻¹)，大的增益带宽(26.1 nm为E||𝑁𝑔)，和强拉曼响应(最强模式在916 cm⁻¹)。基于Yb³⁺:MgWO₄激光晶体的固体激光实验中，激光输出中心波长为 1056 nm，输出功率达到18.2 W，斜率效率约为89%，且输出线性偏振激光。

文章信息：

Pavel Loiko, Mengting Chen, Josep Maria Serres, Magdalena Aguiló, Francesc Díaz, Haifeng Lin, Ge Zhang, Lizhen Zhang, Zhoubin Lin, Patrice Camy, Shi-Bo Dai, Zhenqiang Chen, Yongguang Zhao, Li Wang, Weidong Chen, Uwe Griebner, Valentin Petrov, Xavier Mateos. Spectroscopy and high-power laser operation of a monoclinic Yb³⁺:MgWO₄ crystal. Optics Letters, 2020, 45(7),1770-1773.

DOI:10.1364/OL.389627

山东大学晶体材料国家重点实验室的研究团队在倍半氧化物激光晶体的光谱展宽机理研究中取得新进展，通过在Yb：Y₂O₃晶体中共掺Lu³⁺离子，有效展宽其荧光发射光谱，并揭示光谱展宽的相关机制，其研究结果以题为“Broadening of the Fluorescence Spectra of Sesquioxide Crystals for Ultrafast Lasers”，发表于Cryst. Growth Des.。

摘要：

倍半氧化物晶体是一种很有前途的高功率超快激光增益基质，宽的荧光发射光谱非常有利于实现短脉冲激光的输出，从而提高激光的峰值功率。该研究工作中，研究者利用Lu₂O₃晶体在声子能量方面和对掺杂离子容忍度较高的优势，利用电子-声子耦合效应和配体工程，实现了以倍半氧化物为基质的荧光光谱展宽。本研究生长并表征了Yb: Lu_xY_2-xO₃(0≤x≤2)倍半氧化物混合晶体。Y³⁺离子的引入使荧光光谱的宽度约为Yb:Lu₂O₃的2倍，通过研究对八面体配体的扭曲和声子振动与晶体成分之间的关系，发现局部配位场畸变所引起的非均匀展宽和电子－声子耦合效应引起的展宽是光谱展宽的主要原因。该工作将为高功率超快激光器提供一系列新型的激光材料，并为设计高性能的功能材料开辟了新的途径。

文章信息：

Wenyu Liu, Dazhi Lu, Ruiqi Guo, Kui Wu, Shilie Pan, Yin Hang, Dunlu Sun, Haohai Yu, Huaijin Zhang, Jiyang Wang. Broadening of the Fluorescence Spectra of Sesquioxide Crystals for Ultrafast Lasers. Cryst. Growth Des., 2020, 20, 7, 4678–4685.

DOI:10.1021/acs.cgd.0c00473

山东大学晶体材料国家重点实验室的研究团队在激光自倍频研究中取得新进展，研究人员在Nd:GdCOB自倍频激光晶体中实现高达17.91 W的自倍频激光输出，其研究结果以题为“17.9 W continuous-wave self-frequency-doubled Nd:GdCOB laser”，发表于Optics Letters。

摘要：

在该工作中，研究者采用端面抽运平板结构，实现了Nd:GdCa₄O(BO₃)₃ (Nd:GdCOB)晶体自倍频(SFD)激光器的有效输出。结合自倍频晶体Nd:GdCa₄O(BO₃)₃热分布的理论指导，实现了最大输出功率达到17.91 W自倍频激光输出，激光中心波长为545.5 nm，是有报道以来最高的自倍频激光输出功率，光学转换效率达到20%。由于545.5 nm波长位于人眼敏感光谱区域，且该激光器结构紧凑，在激光显示、医疗、军事和科研等领域具有广阔的应用前景。

文章信息：

Jinheng Du, Jiyang Wang, Haohai Yu, Huaijin Zhang. 17.9 W continuous-wave self-frequency-doubled Nd:GdCOB laser. Optics Letters, 2020, 45(2), 327-330.

DOI:10.1364/OL.45.000327

西安电子科技大学物理与光电工程学院的研究团队在激光超短脉冲研究中取得新进展，研究人员采用Yb:CALYO晶体，首次在块状固体激光器中获得平均功率大于10 W、脉冲宽度小于100 fs的克尔透镜锁模运转，并通过对锁模稳区的理论分析提出了获得更高平均功率输出的可行方案。其研究结果以题为“10-W-scale Kerr-lens mode-locked Yb:CALYO laser with sub-100-fs pulses”，发表于Optics Letters。

摘要：

研究人员报道了基于双共焦腔的高功率纯克尔透镜锁模Yb: CALYO激光器，脉冲达到100 fs以内。输出脉冲在81兆赫兹平均功率10.4 W，脉冲宽度98 fs，对应的峰值功率为1.14 MW。这是有报道以来首次在块状固体激光器中获得平均功率大于10 W、脉冲宽度小于100 fs的克尔透镜锁模运转，并通过对锁模稳区的理论分析提出了获得更高平均功率输出的可行方案。研究者相信该研究结果可以为克尔透镜锁模激光器向更高平均功率的发展提供相关思路。

文章信息：

Wenlong Tian, Rui Xu, Li Zheng, Xuan Tian, Dacheng Zhang, Xiaodong Xu, Jiangfeng Zhu, Jun Xu, Zhiyi Wei. 10-W-scale Kerr-lens mode-locked Yb:CALYO laser with sub-100-fs pulses. Optics Letters, 2021, 46(6),1397-1330.

DOI:10.1364/OL.419370

江苏师范大学先进激光材料与器件重点实验室在单晶光纤激光研究中取得新进展。研究人员利用Tm:YAG键合单晶光纤，实现输出功率9.1 W、 斜率效率49.4%的2.02 mm激光输出。其研究结果以题为“Tm:YAG single-crystal fiber laser”，发表于Optics Letters。

摘要：

该研究工作中，研究人员设计了两端键合纯YAG晶体、中间是Tm:YAG晶体的单晶光纤，晶体直径为1 mm，从而实现更好的热管理，也增强泵浦效率。此外，通过在不同Tm:YAG单晶光纤中利用模式匹配，实现输出功率9.1 W、 斜率效率49.4%的2.02 mm激光输出。该设计思路同时结合了Tm:YAG的纤维几何结构和晶体优异的性能，有望运用于激光放大系统中。

文章信息：

Jian Liu, Jifei Dong, Yinyin Wang, Jun Guo, Yanyan Xue, Jun Xu, Yongguang Zhao, Xiaodong Xu, Haohai Yu, Zhengping Wang, Xinguang Xu, Weidong Chen, Valentin Petrov. Tm:YAG single-crystal fiber laser. Optics Letters, 2021, 46(18),4453-4457.

DOI:10.1364/OL.434618

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