基于稀土掺杂微腔的连续波上转换白光微型激光器

撰稿|姜博（华中科技大学）

近日，华中科技大学张新亮、施雷课题组在ACS Photonics上发表最新文章，利用单个铒-镱-铥共掺的氧化硅回音壁模式微腔，首次在室温连续波泵浦条件下实现了基于稀土元素的上转换白光微型激光器，并系统研究了掺杂浓度、掺杂比例及提取方式对出射激光颜色的影响。

相比于传统的LED，白光激光具有相干性及更高的功率密度，有望用于照明、成像、可见光通信等领域。已报道的工作里利用离散器件来分别产生三原色激光，但这样会增加系统的体积、复杂性和成本。而基于单个谐振腔实现白光激光需要在较大波长范围内平衡三原色的光学增益与谐振腔反馈并克服不同原色增益材料与微腔之间的兼容性。已有多种增益物质用于实现白光激光，包括半导体、染料、合金、气体等。稀土元素由于其丰富的能级、较高的量子效率、优异的热稳定性和抗电磁干扰能力、非常高的上转换效率，也是实现白光激光的理想体系。基于稀土元素的荧光粉与白光LED、脉冲光泵浦的上转换白光激光与上转换白光随机激光已被报道，但脉冲光泵浦和基于散射的反馈方式在实际应用中会使其受到显著限制。

华中科技大学研究人员在氧化硅微球腔中掺杂了铥、铒、镱三种元素作为增益物质，基于所提出的新型掺杂方法上的优势，掺杂后的氧化硅微球腔在1620 nm处的负载Q值超过10⁸，在位于可见波段的766 nm与634 nm处的负载Q值也超过了10⁷。使用975 nm的连续波半导体激光器对掺杂微腔进行泵浦，可以同时实现红、绿、蓝三原色激射，并通过耦合光纤获取白光激光。

图1. 基于稀土元素的连续波上转换白光微型激光器示意图及器件性能表征。

当泵浦光功率超过阈值时，基于耦合光纤提取的出射光功率迅速增加，伴随着发射峰线宽的压窄，且Purcell增强的荧光峰逐渐湮灭，这表明三原色激光的同时出射。

图2. 基于耦合光纤提取的出射功率和发射峰线宽随泵浦功率的变化。

当泵浦功率达到约8 mW时，基于耦合光纤提取的三原色激光达到平衡。相应的色度坐标约为（0.297, 0.323），接近标准白光的色度坐标（0.312, 0.329）。由于此时三原色激光接近饱和，继续增加泵浦功率时色度不再明显改变。

图3. 基于耦合光纤提取的激射光谱及激光色度坐标。

研究人员对比了基于散射和基于耦合光纤所获取的激光颜色。可以发现，当耦合光纤输出的激光是白色时，而散射光则偏向于蓝色。这是由以下几个原因导致的：（1）长波长激光与耦合光纤之间的耦合效率更高；（2）短波长激光受到的表面散射更强；（3）短波长激光的模式分布更密集，且能量分布更集中于微腔表面，从而进一步增强了其散射强度。

图4. 基于耦合光纤（图a）和基于散射（图b）所获取的激光，以及不同颜色激光的模式分布。

研究人员进一步研究了不同掺杂浓度时的出射激光颜色，使得散射光也能趋于白色。总体而言，在该体系中增加铥、铒、镱元素的浓度，将分别增强蓝光、绿光、红光强度。从而可以利用这个规律，对出射激光的颜色进行调控。

图5. 不同掺杂比例时的微球腔散射光。

本工作首次在室温连续波泵浦条件下实现了基于稀土元素的连续波上转换白光激光，并系统研究了微腔的掺杂浓度、掺杂比例及提取方式对出射激光颜色的影响。该研究成果以“Room-temperature continuous-wave upconversion white microlaser using a rare-earth-doped microcavity”为题在线发表在ACS Photonics上，并被选为当期封面论文。相关工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室开放课题、应用光学国家重点实验室开放课题等项目的资助。

论文信息：

https://doi.org/10.1021/acsphotonics.2c00379