近期，中科院合肥研究院安徽光机所孙敦陆研究员课题组在1.06微米近红外和2.7-3微米中红外激光晶体的研究方面取得一系列研究新进展，相关研究成果分别以《共掺Cr³⁺对Cr,Nd:YAG晶体的光谱和1.06微米激光性能影响的研究》和《共掺Cr³⁺提高Er:YAG晶体单脉冲能量和激光效率的研究》为题，发表在学术期刊Optical Engineering和Infrared Physics &Technology上。

1.06微米激光在加工、医疗、通讯、显示等领域有着广泛地应用。Nd³⁺掺杂钇铝石榴石晶体具有物理化学性质稳定、机械强度和硬度高及热学性质优良等优点，适合高功率激光运转。然而，由于Nd³⁺在YAG基质晶体中的有效分凝系数较低，因此不适合高浓度掺杂。此外，闪光灯泵浦Nd³⁺单掺的YAG晶体还存在激光输出能量和效率低的问题。

针对以上所存在的问题，该课题组张会丽博士后等人通过共掺Cr³⁺作为敏化剂，提高闪光灯泵浦效率，同时共掺Cr³⁺还可以提高晶体的抗辐射性能。采用熔体提拉法成功生长出了高光学质量的Cr, Nd:YAG晶体，在重复频率为40赫兹时，实现了最大平均输出功率20.24 W，电光效率3.00%和斜效率3.77%的激光输出，而在相同条件下，在Nd:YAG晶体上其值仅分别为13.32 W、1.97%和2.47%，结果表明，通过掺入敏化离子Cr³⁺可有效地提高激光性能，并且对光束质量影响较小。

2.7-3微米中红外激光在生物医学、大气探测及科学研究等领域有着广泛的应用。该课题组还采用提拉法生长了Er:YAG和Cr,Er:YAG晶体，对晶体质量、光谱、激光性能及光束质量进行了对比研究。重复频率为5赫兹时，在Cr,Er:YAG晶体上实现了最大单脉冲能量1.52焦耳，斜效率1.80%，电光效率1.28%的2.94微米中红外激光输出，而在相同条件下，在Er:YAG晶体上其值仅分别为0.99焦耳、1.31%和0.83%，结果表明，共掺Cr³⁺使得Cr,Er:YAG晶体的中红外激光输出能量和效率均得到较大提高。

作者表示，以上工作对于提高1.06微米近红外及2.7-3微米中红外激光晶体的性能并推进其实际应用具有重要意义。

全文链接：https://doi.org/10.1117/1.OE.58.2.027116

https://doi.org/10.1016/j.infrared.2018.12.031

图1  Nd:YAG和Cr:YAG晶体毛坯及激光晶体棒(左)；Er:YAG和Cr,Er:YAG晶体毛坯及激光晶体棒(右)

图2  Nd:YAG与Cr,Nd:YAG晶体在不同重复频率与输入能量下的激光输出特性

图3 Nd:YAG与Cr,Nd:YAG晶体的光束质量因子M2

图4  Er:YAG与Cr,Er:YAG晶体在不同重复频率与输入能量下的激光输出特性

图5 Er:YAG与Cr,Er:YAG晶体的光束质量因子M2

（来源：中科院合肥物质科学研究院）