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一周晶体前沿，一周一期介绍国际权威期刊近期刊发的晶体类精选论文。为方便广大读者浏览，我们已将其摘要译成中文。本期推出由暨南大学张沛雄教授精心整理的关于太阳光泵浦激光晶体研究前沿。
1. 太阳光泵浦 Ce:Nd:YAG 实现 40 W 连续激光输出
2. 基于白光泵浦源的棒型 Ce:Cr:Nd:YAG 陶瓷激光器
3. Nd:YAG、Cr:Nd:YAG 及 Ce:Nd:YAG 在太阳光泵浦下的光谱匹配研究
4. 基于 Ce:Nd:YAG 晶体和菲涅耳透镜的高效 38.8 W/m2 太阳光泵浦激光器
5. 非连续太阳跟踪条件下太阳能激光功率的稳定发射
太阳光泵浦 Ce:Nd:YAG 实现 40 W 连续激光输出
近期，葡萄牙里斯本新大学 Dawei Liang 研究团队利用直径为 4 mm、长度为 35 mm 的Ce(0.1 at.%):Nd(1.1 at.%):YAG 激光棒，基于太阳光泵浦获得了 40 W 连续激光输出。相关研究成果以“40 W continuous wave Ce:Nd:YAG solar laser through a fused silica light guide”为题发表在Energies上。
图1 Nd3+ 和 Ce3+能级图
图2 Ce:Nd:YAG太阳能激光器功率随入射太阳能功率和抛物面镜直径D的变化
摘要：
通过直径为 2 m 的抛物面聚光器，研究了侧面泵浦的 Ce:Nd:YAG 太阳能激光器。激光头由光导和 V 形泵浦腔形成，能有效地将来自抛物面镜的集中太阳光辐射耦合并重新分布到直径为 4 mm、长度为 35 mm Ce(0.1 at.%):Nd(1.1 at.%):YAG 激光棒上。矩形光导确保太阳辐射沿激光棒均匀分布，使其能够承受高度集中的太阳能。在抛物面镜的全收集面积下，获得了 40 W 的最大连续波太阳激光输出，据研究人员所知，这是从太阳能辐射泵浦的 Ce:Nd:YAG 介质中获得的最高连续波激光功率，比侧面泵浦的 Ce:Nd:YAG 太阳能激光器功率提高了两倍，比矩形光导的 Cr:Nd:YAG 太阳能激光器最高功率提高了 1.19 倍。该研究表明在适当的泵浦配置下，Ce:Nd:YAG 介质很有希望将太阳激光输出功率提高到一个更高的水平。
文章信息：
J. Almeida, D. W. Liang, D. Garcia, et al. 40 W continuous wave Ce:Nd:YAG solar laser through a fused silica light guide. Energies, 2022, 15, 3998.
DOI: 10.3390/en15113998
基于白光泵浦源的棒型 Ce:Cr:Nd:YAG 陶瓷激光器
近期，日本关西大学 T. Saiki 研究团队开发了一种 Ce:Cr:Nd:YAG 陶瓷激光器，研究发现 Ce:Cr:Nd:YAG 中 Nd3+ 的荧光寿命与温度成正比，且掺入 Ce3+ 后可提高激光器的激光输出能量，其最大激光输出能量为 73 mJ，峰值功率为 330 W。相关研究成果以”Rod-type Ce:Cr:Nd:YAG ceramic lasers with white-light pump source” 为题发表在International Journal of Optics上。
图1 温度对荧光寿命的影响
图2 Ce/Cr/Nd:YAG陶瓷激光器能量图
摘要：
陶瓷有望作为基于太阳能泵浦的固体激光器的增益材料。先前开发出的 Cr3+ 掺杂 Nd:YAG 陶瓷激光器可以有效地将白光转换为近红外激光。光学特性的研究表明，在激发功率比 Nd:YAG（没有 Cr3+ 掺杂）小一个数量级的情况下，Cr:Nd:YAG 可以实现较大的增益。Ce3+ 掺杂后可以利用波长为 350 nm 或更小的激发光进行泵浦，以防止色心的产生。本文中，研究人员研制了一种利用太阳光或白炽灯光泵浦的杆状 Ce:Cr:Nd:YAG 陶瓷，测定了陶瓷的荧光寿命，观察了激光在自由运行模式下的振荡，并对其激光输出功率和激光阈值增益进行了数值计算。Cr:Nd:YAG 陶瓷的荧光寿命随温度升高而增加，表明存在交叉驰豫效应。Ce:Cr:Nd:YAG 陶瓷激光器的最大输出能量为 73 mJ，峰值功率为 330 W，其激光输出能量是相同 Nd3+ 和 Cr3+ 浓度下 Cr:Nd:YAG 陶瓷的两倍左右。
文章信息：
T. Saiki, T. Iwashita, J. Sakamoto, et al. Rod-type Ce:Cr:Nd:YAG ceramic lasers with white-light pump source. Int. J. Opt., 2022, 10, 8480676.
DOI:10.1155/2022/8480676
Nd:YAG、Cr:Nd:YAG 及 Ce:Nd:YAG 在太阳光泵浦下的光谱匹配研究
近期，北京理工大学赵长明教授研究团队以 Nd:YAG、Cr:Nd:YAG 及新 Ce:Nd:YAG 激光材料为研究对象，得到该三种激光材料在 AM1.5 地面太阳光谱下的重叠效率，分别为 17.34%、35.55%、33.41%；在 AM0 空间太阳光谱下的重叠效率分别为 15.4%、33.13%、32.92%。在接近光谱匹配效率的极限值时，AM1.5 模型下 Nd:YAG、Cr:Nd:YAG 及 Ce:Nd:YAG 所需吸收长度分别为 6.5、4.4 和 3.7 cm，AM0 模型下所需吸收长度分别为 7.3、4.3 和 3.8 cm。相关研究结果以“Nd:YAG、Cr:Nd:YAG 及 Ce:Nd:YAG 在太阳光泵浦下的光谱匹配研究”为题发表在《中国激光》上。
图1 Cr:Nd:YAG 和 Ce:Nd:YAG 的能级结构图
图2 AM1.5 和 AM0 模型下三种晶体的太阳光谱匹配效率随吸收长度的变化
摘要：
以 Nd:YAG、Cr:Nd:YAG 和 Ce:Nd:YAG 三种激光材料为研究对象，采取以空间应用和地面应用为导向的两种太阳光谱模型，计算了太阳辐射光谱与材料吸收光谱之间的重叠效率。将激光材料的吸收系数引入重叠效率，分析了经吸收系数修正后，激光材料的太阳光谱匹配效率随吸收长度的变化关系。当接近光谱匹配效率极限值时，地面太阳光谱模型下 Nd:YAG、Cr:Nd:YAG 和 Ce:Nd:YAG 所需吸收长度分别为 6.5、4.4 和 3.7 cm，空间太阳光谱模型下所需吸收长度分别为 7.3、4.3 和 3.8 cm，所研究的吸收长度为激光材料的长度参数设计提供了可供参考的最大值。同时采用 Ce:Nd:YAG 晶体计算出的所需吸收长度最短，预计泵浦光在该材料中传输时引入的散射损耗将最小，因此以 Ce:Nd:YAG 晶体作为激光材料时有望进一步提高和改善太阳光泵浦激光器的输出性能。
文章信息：
张佳，赵长明，蔡子韬，等. Nd:YAG、Cr:Nd: YAG 及 Ce:Nd:YAG 在太阳光泵浦下的光谱匹配研究[J]. 中国激光, 2023, 50, 1301002.
DOI: 3788/CJL221500
基于 Ce:Nd:YAG 晶体和菲涅耳透镜的高效 38.8 W/m2 太阳光泵浦激光器
近期，北京理工大学赵长明教授研究团队将 Ce:Nd:YAG 太阳光泵浦激光器（SPL）与采用相同设计的 Nd:YAG SPL 进行比较，得到 Ce:Nd:YAG 激光器的连续波输出功率为 26.93 W，有效太阳能收集面积为 0.69 m2，对应的收集效率和斜率效率分别为 38.8 W/m2 和 6.33%，分别是 Nd:YAG 激光器的 1.51 倍和 1.35 倍，且实验测试与模拟结果非常相似。该研究首次证明了 Ce:Nd:YAG 晶体的性能优于 Nd:YAG 晶体。相关研究成果以“Efficient 38.8 W/m2 solar pumped laser with a Ce(0.05%):Nd(1.0 %):YAG crystal and a Fresnel lens”为题发表在Optical Express上。
图1 Ce3+、Nd3+之间能量转移的机制，(1)为辐射，(2)为非辐射
图2 太阳能激光输出功率与入射太阳能功率的关系
摘要：
本文中，基于端侧泵浦直径为 6 mm、长度为 95 mm 的 Ce:Nd:YAG/YAG 凹槽键合晶体棒，显著提高了太阳能泵浦激光收集效率。Ce:Nd:YAG 激光器的太阳能收集和聚集系统由菲涅尔透镜、石英冷却水管和镀金锥形腔构成，能最大限度地吸收泵浦光，并将 Ce:Nd:YAG 激光介质中的热效应降至最低，据研究人员所知，这是首次用菲涅耳透镜太阳能收集和聚集系统泵浦 Ce:Nd:YAG 晶体。Ce:Nd:YAG 激光器中 0.69 m2 的有效太阳能收集面积可以产生 26.93 W 的连续波激光功率，对应于 6.33% 的斜率效率，收集效率（38.8 W/m2）比之前报道的菲涅耳透镜太阳能收集的最高值高 1.21 倍，创下了单光束太阳光泵浦激光器的记录。
文章信息：
Z. T. Cai, C. M. Zhao, Z. Y. Zhao, et al. Efficient 38.8W/m2 solar pumped laser with a Ce:Nd:YAG crystal and a Fresnel lens. Opt. Express., 2023, 31, 1340-1353.
DOI: 10.1364/OE.481590
非连续太阳跟踪条件下太阳能激光功率的稳定发射
近期，葡萄牙里斯本新大学 Dawei Liang 研究团队提出了一种多晶棒太阳能激光泵浦的方法，以提高非连续太阳跟踪条件下的激光稳定性。太阳辐射聚焦到椭圆形泵浦腔内的 5 个 Nd:YAG 棒上，通过 Zemax 和 LASCAD 软件的数值分析，得到直径为 3 mm、长为 15 mm 的 5 根 Nd:YAG 棒的最大多模太阳激光功率为 44.3W，光-光转换效率为 2.0%。相关研究成果以“Stable emission of solar laser power under non-continuous solar tracking conditions”为题发表在了Applied Optics上。
图1 5 个直径为 3.0 mm，长为15 mm 的 Nd：YAG 棒(1-5棒)，在注水的椭圆形泵浦腔内垂直对称组装，用于不同太阳跟踪误差在方位方向(∆α)的变化。(A) ∆α=0.0◦；(B) ∆α=0.3◦；(C) ∆α= 0.6◦
图2 由熔融石英非球面透镜、椭圆型泵浦腔和 5 根 Nd:YAG 棒组成的水冷太阳能激光头
摘要：
太阳能激光技术通常需要一个连续运行的高精度太阳能跟踪系统，但这会增加能耗并缩短系统的使用寿命。本文中，研究人员提出了一种多杆太阳能激光器泵浦方法，以增强非连续太阳跟踪条件下太阳能激光器的稳定性。利用定日镜，太阳辐射被重新定向到第一级抛物面聚光器，在其焦点处，非球面透镜进一步将太阳光集中到位于椭圆形泵腔内的 5 根 Nd:YAG 棒上。使用 Zemax 和 LASCAD 软件进行数值分析，结果表明 5 根直径为 6.5 mm、长度为 15 mm 的棒在 10% 激光功率损耗时的跟踪误差宽度为 2.20◦，比之前非连续太阳跟踪实验中的太阳能激光器高出 50%，且太阳能到激光的转换效率也达到了 2.0%。
文章信息：
M. Catela, D. W. Liang, C. R. Vistas, et al. Stable emission of solar laser power under non-continuous solar tracking conditions. Appl. Opt., 2023, 62, 2697-2706.
DOI:10.1364/AO.485158
编译丨张沛雄
编辑丨丁梦梦
本期编译
张沛雄，博士，教授。任广东省晶体材料和晶体激光技术与应用工程研究中心副主任，中国稀土学会稀土晶体专委会委员,《人工晶体学报》青年编委。长期从事体块光电功能晶体材料的研究，在新型稀土中红外氟化物激光晶体（LuLiF4 、YLiF4 、PbF2 等)的生长和发光调控、超快激光晶体光谱展宽调控、稀土掺杂铌酸锂/钽酸锂多功能晶体及其器件、磁光晶体研制等方面开展相关原创性研究工作。
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