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三元晶体中红外激光器有望提高转换效率 背景介绍 因为中红外(MIR)波段覆盖了很多分子指纹区域，对于分子的探测和识别非常重要，因此研发新型MIR激光器是一直是激光技术的热门课题。 传统的MIR相干光源利用非线性光学频率转换产生MIR激光。两种常见的方法是光参量振荡器(OPO)和光参量放大器(OPA)。但是这种类型的光源使用光学晶体将短波长激光光束转换成MIR相干光束，它们的结构复杂、效率低且价格贵。 量子级联激光器(QCL)和带间级联激光器(ICL)的发展产生了结构紧凑且坚固的商用MIR光源，它们很适合低功率和低能量应用，但是输出要求高时可能无法满足。 还有一种MIR激光增益材料是过渡金属掺杂的II-VI族半导体，比如掺铁的硫化锌和锡化锌(Fe:ZnS和Fe:ZnSe)以及掺铬的硫化锌和锡化锌。实际上，使用这些材料的光纤激光器可输出高达20 W的功率。掺铁碲化镉和碲化锌(Fe:CdTe和Fe:ZnTe)是与Fe:ZnS和Fe:ZnSe类似的激光材料，但是波长更长。不过，这些碲化物都很难生产。 下面介绍的是美国研究者近期研制的一种MIR激光晶体Fe:CdMnTe (以下简称Fe:CMT)，激光器的输出波长是5.223 μm，平均功率可达810 mW，斜效率可达16.4%。光谱测量使用的是Thorlabs的OSA205光谱分析仪。 材料表征 研究者使用Bridgeman技术生长Fe:CdxMn1-xTe晶体，通过折射率测量确定x等于0.91。制备的样品使用傅里叶变换(FTIR)干涉仪测量吸收率，然后将样品切成矩形小块。选取其中一块低温冷却并通过FTIR测量透过率。另外，通过OPO产生3.45 μm脉冲激光激发这块晶体的荧光。荧光寿命在80 K时为111 μs，在70 K时为78.5 μs。另外通过光谱仪测量荧光光谱。根据这个信息计算出发射截面，如下图所示。  ▲ Fe:CMT样品在80 K的无校正吸收和发射截面，水和二氧化碳的吸收峰根据HITRAN验证 激光配置和测量 Fe:CMT实验样品的尺寸是2.65 × 4 × 7 mm，2.65 × 7 mm的两个面抛光且镀有4.5–5.5 μm波段的增透膜。样品安装在铜制冷凝器上一起放入抽真空(1 mTorr)杜瓦瓶并冷却到77 K。 X形激光腔配置包含三个反射镜(在4 μm泵浦波长的透过率大于98%，在4.5–5.5 μm波段具有高反射率)。输出反射镜在5.2 μm的反射率是65%。尽管激光腔最佳束腰的计算值是95μm，实际束腰的测量值是190 μm，两者差异很大，因此激光器可能没有达到最高效率。使用脉冲激光泵浦，其重频是400 Hz、脉宽是220 μs。  ▲ Fe:CMT激光器的实验配置，所有光学元件使用氟化钙基底 输出光谱使用Thorlabs的光谱分析仪测量，结果显示中心波长是5.223 μm，半高宽是1 nm。这么窄的带宽是研究者没有预料到的，因为Fe:CMT等三元晶体的缺陷一般比Fe:ZnS等二元晶体要多，所以一般也会有波长展宽。研究者认为窄线宽归功于Bridgeman晶体生长技术的均匀性。  ▲ Fe:CMT激光器的输出光谱  ▲ Thorlabs OSA205C光谱分析仪(1.0 - 5.6 μm) 下图所示为激光输出功率和泵浦功率的关系曲线，在最高的810 mW输出时的总效率是10.1%。激光输出阈值约为50 mW。在较低功率时，斜效率达到16.4%。激光腔中残留空气的吸收，加上实际和理论束腰的不匹配，这些都降低了激光器的整体效率；在较高功率时，热效应也会降低效率。  ▲激光输出功率和泵浦功率的关系曲线 研究者下一步计划是优化激光腔，提升真空率降低空气吸收，从而提高功率转换效率。使用闪耀光栅替换一个激光腔镜以Littrow配置有望在4.6到5.4 μm之间调谐波长。 参考文献: Demonstration and power scaling of an Fe:CdMnTe laser at 5.2 microns, Optical Material Express (2017) 请点击这里访问Thorlabs微信版 。 分享到：
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