[发明专利]一种中红外铥钬共掺倍半氧化物激光单晶光纤及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及激光材料技术领域，具体涉及一种中红外铥钬共掺倍半氧化物激光单晶光纤及其制备方法和应用。本发明提供的中红外铥钬共掺倍半氧化物激光单晶光纤中，通过Ho³⁺的两个激发态能级(⁵I₅→⁵I₆)之间的跃迁，可产生3.2～4.3μm波段的中红外激光；共掺杂的Tm³⁺对激活离子Ho³⁺具有敏化与退激活的协同作用，既可作为Ho³⁺的敏化离子，又可作为Ho³⁺的退激活离子，使得Ho³⁺的激光下能级⁵I₆的寿命有效地降低，同时激光上能级⁵I₅的寿命不发生明显变化，有利于降低激光阈值，提高激光输出效率和功率。

技术领域

本发明涉及激光材料技术领域，具体涉及一种中红外铥钬共掺倍半氧化物激光单晶光纤及其制备方法和应用。

背景技术

3.2～4.3μm波段中红外激光在气体环境监测、光谱学、海洋探测、激光医疗、大气遥感、激光雷达及红外光电对抗等领域具有广泛的应用前景。目前，实现3.2～4.3μm波段中红外激光输出的方法主要有以下几种：1)非线性光学变频技术，此方法需要高相干性的泵浦源和合适的红外非线性光学晶体，且实现激光输出的装置系统结构复杂，性价比偏低，从而限制其应用范围和领域；2)半导体量子级联激光技术，该技术产生的激光输出功率较低，并通常具有相对较宽的波长带宽和高度的相散，在较高输出功率时，其输出激光的相干性不够理想，且发散角较大，制约了其在高光束质量需求领域的应用；3)通过稀土离子辐射跃迁直接实现该波段激光输出，该技术具有系统结构简单紧凑、激光光束质量高、稳定性好等优势，是实现3.2～4.3μm波段中红外激光输出的有效途径。在众多稀土离子中，Ho³⁺具有丰富的能级和4f电子的跃迁，是实现3.2～4.3μm波段激光输出的有效稀土离子之一，通过其⁵I₅→⁵I₆的能级跃迁可产生该波段范围内激光，并且掺Ho³⁺的激光材料在3.2～4.3μm波段内的荧光为宽带谱，通过调谐技术，可以获得该波段范围内某些特殊波长的激光输出。

目前，Ho³⁺已在BaY₂F₈(BYF)、LiYF₄(YLF)、InF₃和玻璃光纤等氟化物中实现了3.9μm附近中红外激光输出，其中在Ho:YLF晶体上实现了3.9μm输出能量达180mJ的脉冲激光输出。但是，基于Ho³⁺掺杂氟化物等激光材料实现的3.2～4.3μm中红外激光输出仍难以被广泛应用，主要是由于以下几方面原因：1)氟化物的机械性能差、抗光损伤阈值低、生长条件苛刻及获得高质量晶体困难等；2)Ho³⁺的吸收波段与目前发展成熟的半导体激光器(LD)的激光波长不匹配，很难采用LD直接抽运，且其在890nm附近吸收较弱，Cr³⁺:LiSrAlF₆或钛宝石激光泵浦效率低，从而导致激光效率较低，并且使得系统结构复杂、稳定性差；3)Ho³⁺的激光上能级⁵I₅的寿命远低于下能级⁵I₆的寿命，不利于激光上下能级间粒子数反转，不仅阈值高而且对激光效率也有重要影响。

因此，研究高效3.2～4.3μm中红外激光增益材料对于发展全固态中红外激光器具有重要意义。

发明内容