2.05 μm铥钬共掺YLF波导激光器

三价钬离子在激光应用中引起了极大的兴趣，因为它的发射光谱通常出现在2 µm以上，属于眼睛安全的光谱区域，因此具有巨大的市场潜力，特别是在自由空间应用中，如遥感、风测绘、相干光探测和测距以及光通信。此外，激光光谱区域与生物分子（如H₂O）的吸收线重叠，使其在医疗用途上具有巨大的潜力。

略高于2 µm的发射峰通常归因于Ho³⁺离子从⁵I₇→⁵I₈态的电子跃迁。实现这一目标的典型方法是将Tm³⁺离子泵入0.8 µm（至³I₄态），然后进行Tm³⁺–Tm³⁺交叉弛豫和Tm³⁺与Ho³⁺之间的能量转移。该方案被广泛应用于固体激光器和光纤激光器并被证明非常有效。然而，固体激光器和光纤激光器通常具有复杂的结构且通常很大，这限制了它们在集成光子学领域的进一步应用。另一方面，波导激光器具有紧凑的几何形状和灵活的制造方法，是一种紧凑而稳健的解决方案，可以最大限度地减少体激光器和光纤激光器，使其在新一代紧凑型光子器件领域具有巨大的潜力。

Tm,Ho:YLF作为Ho³⁺激光器的有前景的候选宿主，具有许多优异的性能，包括低光子能量、⁵I₇长寿命和高导热性。到目前为止，基于Tm,Ho:YLF的平面波导是唯一一种已被证明的直接泵浦波导激光器，其配备的冷却系统限制了其在集成光子学领域的应用。尽管液相外延结合离子修饰被证明是获得平面Tm,Ho:YLF波导激光器的有效方法，但这种方法与具有灵活布局的信道化结构的定义不太兼容，这通常限制了它在制造具有可适应尺寸和形状的光子器件中的大规模应用。相比之下，飞秒激光直写提供了一种快速且通用的方法，通过控制基板材料的折射率来构建具有柔性几何形状的波导。通常，飞秒激光在YLF晶体中直接写入会导致焦点位置的折射率降低，从而使人们能够制造出“类光纤”的凹陷包层波导结构。这种结构配置通过利用基本和高阶漏模的不同限制损耗来促进改进的模式鉴别。

至于波导制造工艺，使用掺杂有6 at.% Tm³⁺和0.4 at.% Ho³⁺的c切YLF晶体。晶体长度为5.9 mm，所有晶面均抛光至光学级，无涂层。掺钛蓝宝石飞秒激光系统可提供800 nm激光脉冲，聚焦在晶体表面（7.9×1.8 mm²）下方以制造波导。Tm,Ho:YLF晶体被放置在一个电动三维微定位台上，该台可以以0.5 mm/s的相对速度移动。峰值能量为0.249 µJ、脉冲持续时间为100 fs、重复率为1 kHz的激光用于在晶体表面下方142 µm的深度加工直径为50 μm和90 μm的包层波导。所制备的包层波导的横截面显微镜照片，如图1(a)所示，图1(b)显示了从顶部拍摄的透射微分干涉对比图像，没有发现晶体裂纹。在连续波488 nm激光的激发下，通过光谱仪测量了753 nm处空间二维分布的共焦微光致发光强度和显微拉曼光谱强度。图1(c)和1(d)的插入物中发光和拉曼强度的降低表明，飞秒激光直写处理引起的晶格变化主要位于改性区域。因此，在波导芯区域，原始的激光发射和材料特性得到了很好的保留。直径为90 μm和50 µm的波导在1.9 µm处的波导损耗分别为0.73 dB/cm和1.74 dB/cm。

 

图1 用飞秒激光制造包层波导的示意图。插图，波导的显微镜图像，来自（a）横截面和（b）俯视图。波导759 nm处（c）微光致发光强度和（d）显微拉曼光谱强度的空间二维分布。

图2(a)详细说明了Tm,Ho:YLF波导激光器装置的方案。采用连续波可调谐钛宝石激光器作为泵浦源。通过旋转对应于Tm,Ho:YLF双轴性的1/2板来调节入射泵浦偏振的偏振，并在中性密度滤光片的帮助下调节泵浦功率。泵浦由平-凸透镜（f=25 mm）聚焦，为测试的波导尺寸提供优化的光斑（通过调整耦合透镜和波导之间的距离），确保实验中的良好耦合效率。

 

图2（a）激光生成的示意图装置：HP，半波片；PL1，平-凸透镜（f=25 mm）；PM，泵浦镜；OC，输出耦合器；PL1，平透镜（f=50 mm）；（b）来自光泵浦波导顶部的照片。

激光腔由两个平行的平面激光镜组成，这些反射镜由笼式系统固定。泵浦镜在780-980 nm处具有高透射率（>99.7%），在1850-2100 nm处具有高反射率（>99.9%）。具有不同传输和1700-2700 nm处的20%和40%及玻璃窗。但是，只有透射率为20%可以生成Ho³⁺激光。波导样品位于两个腔镜之间并粘附在它们上。随后，一个 CaF₂平凸透镜用于收集产生的激光，使用带通镜以消除剩余的泵浦光。实验中，产生的激光和泵浦激光都使用热功率计进行测量，以确保泵浦和生成的激光的测量可靠和一致。由于⁵S₂+⁵F₄→⁵I₈上转换过程后，在泵浦下可以看到一条亮绿色的线（波长约为0.54 μm）（图2(b)）。这样的现象也表明在激光实验中已达到了良好的光耦合条件。

为了找出泵浦激光和激光基态吸收，研究人员测量了抛光的Tm,Ho:YLF样品的吸收，如图3(a)所示。由于基质中的Tm³⁺离子，晶体在790 nm附近的波长处表现出强的吸收峰。因此，在接下来的实验中，研究人员调整了该区域附近的泵浦激光器。然后，研究了泵浦偏振的输入输出依赖性，如图3(b)所示。这里，所使用的光学元件的透射率被考虑用于功率计算。产生的激光的输出功率随泵浦激光的偏振而变化，泵浦激光的偏振光由Tm,Ho:YLF的增益各向异性自然选择，在π偏振泵浦时表现出最大的光学增益。实验中，在精确的π偏振泵浦情况下，产生的激光功率略有降低，当泵浦方向为60°/120°/240°/300°时，激光功率达到最大光学增益。这种现象可能是由于当光泵浦为π偏振时，Ho³⁺的⁵I₅态发生了高能转移上转换过程和多光子弛豫。

 

图3（a）所用 Tm,Ho:YLF晶体沿π和σ极化的吸收光谱。（b）不同偏振的795 nm泵浦下波导的激光输出功率。（c）当波导被泵浦出不同波长时，产生的激光器的输出功率。

利用波导作为增益介质，研究人员测量了Tm,Ho:YLF波导的激光增益特性，该波导由不同波长但恒定功率为500 mW的光泵激发。如图3(c)所示，Tm,Ho:YLF波导在π和σ极化泵浦下表现出不同的激光行为，这与它们在不同泵浦波长下的吸收曲线并不完全匹配。可以认为，这种情况可能由于泵浦σ偏振时相对较高的激光阈值造成，而泵浦激光器无法满足这一要求。一般来说，可以观察到激光器在两个不同的范围（785-790 nm和792.5-806 nm）内表现出高效的激光输出，表明具有宽带光吸收。值得注意的是，π偏振泵浦的激光输出功率超过了σ偏振泵浦的激光输出功率。具体来说，前者在786-788 nm和794.5-804 nm范围内表现出始终如一的高激光输出，而后者仅在793.8-805 nm范围内表现出激光输出，峰值输出出现在796.4 nm的泵浦波长处。值得注意的是，为了更好地表征波导的激光性能，输入-输出功率的估计考虑了聚焦透镜和显微物镜的光学透射率。

研究人员进一步研究了π偏振下的激光性能，该激光可以在795 nm处获得最大光学增益（图4(a)）。可以看到，激光阈值约为181mW、斜率效率确定为20.1%。但是，当泵浦功率达到一定水平（这里为425 mW）时，斜率效率降低，这可能由于能量转移上转换过程和激发态吸收过程相结合的热效应增加造成。当晶体温度升高时，Tm,Ho:YLF的增益截面将显着降低，从而强烈干扰激光性能。此外，研究人员还测试了两个制造的直径为50 μm的小波导，它们都无法产生任何Tm³⁺或Ho³⁺激光，这是因为相对较大的波导损耗（1500 nm处为1.74 dB/cm）和较小波导体积中的较高热量浓度。

 

图4（a）直径为90 μm和透射率为20.1%的Tm,Ho:YLF波导激光器的输入-输出依赖性。插图：激光束轮廓与波导轮廓的比较图像。（b）直径为90 μm和透射率为20%的 Tm,Ho:YLF波导激光器的泵浦激光器和产生的激光光谱特性。

即使斜率效率为20.1%的掺钬波导合理，它仍低于之前的 Tm,Ho:YLF平面波导激光器24%的效率。相对较低的效率与高热量产生一致，因为Tm³⁺和Ho³⁺之间的转变和当前装置中缺乏有效的散热方法。此外，这里使用的未优化和有损腔，包括未涂层的波导端和对接的镜子，表现出低输出耦合。这进一步导致了共线几何图形中端面上的表面缺陷和抛光缺陷引起的反射导致效率低下。

 

如图4(a)所示，通过扫描狭缝光束轮廓仪分析生成的激光模式的近场强度分布，这表明光束的行为更像是多模，而不是良好的单模运转。造成这种情况的主要因素是增益导向的模态选择产生的增益导向的激光输出。这可能导致沿纵轴出现高模激光，最终导致最终激光模式的外观不完美。众所周知，生成的激光保持π偏振。为了进一步研究激光性能并了解激光特性，研究人员使用高分辨率光谱仪分析激光和泵浦光谱。图4(b)展示了实验中泵浦激光器的波长和相应的生成激光器，获得的激光器在2050 nm处具有特定波长，这与Ho³⁺的峰值一致荧光发射，与多波长激光相比，在遥感等实际应用中可能相对有利。

在表1中，研究人员对光泵铥钬共掺波导激光器的输出特性进行了全面比较。在这个表中，研究中的波导激光斜率效率与通过冷却系统或在无法承受更高泵浦功率的不同基板上实现的效率相当。至于激光阈值，工作中实现的值明显高于已获得的一些铥钬共掺波长导激光器。大概认为，这可以归因于承载铥离子的YLF晶体的固有特性，因为LPE制造的Tm,Ho:YLF 平面波导激光器表现出比研究中更高的激光阈值。因此，由于材料的良好性能，一旦进一步改进装置，可能会获得更好的性能，如果应用更高的泵浦功率，可能会产生更高的输出功率，这可能会有助于更多应用。使用带内泵浦方法实现了更高的斜率效率和输出功率，这也为未来改进装置铺平了道路。

为了进一步提高激光效率，将尝试通过在波导末端直接镀膜介电镜来改善晶体波导的反射情况，这已在平面波导激光器中使用，也可能提高激光器的光束质量。此外，通过优化增益介质的长度以及输出耦合器的透射率，有望提高激光器的整体性能。研究人员在类似的掺杂条件下进行了较短晶体长度的实验，并在实现所需的2.05 μm激光输出方面面临挑战。此外，探索使用相对较大的波导可能会提高激光器性能，因为它们提供了卓越的散热能力，同时将泵浦激光器限制在相对紧凑的区域内。以往的工作证明，铥离子在低温条件下具有较大的增益截面，虽然工作中的激光实验都在大约18°C的室温下进行，但由于上转换和交叉弛豫过程而产生的热量可能难以消散；引入冷却系统后，预计激光性能会更好。最后，虽然大型可调谐掺钛Sapphire激光系统被证明适用于实验，但在未来的应用中，发射800 nm左右光的半导体激光管可能会提供更紧凑的装置且可能具有优势。

表1 铥钬共掺波导激光器的比较。

 

总之，研究人员实现了采用飞秒激光直写技术在Tm,Ho:YLF晶体中制造的熔覆波导激光器，其波导直径为90 μm。在795 nm泵浦条件下，得到了一个工作在2050 nm的单波长激光器，斜率效率为20.1%，激光阈值为181 mW。可以预见，随着实验装置的进一步改进，Tm,Ho:YLF包壳波导激光器可以具有更好的性能，这在现场集成光子学中构建小型化光子器件具有很大的应用潜力。