新型鈉信標激光器研究進展

宗慶霜，卞 奇，馬浩達，楊 林，左軍衛，薄 勇*，彭欽軍

（1.中國科學院理化技術研究所，北京100190；2.中國科學院 固體激光重點實驗室，北京100190；3.中國科學院大學，北京100190）

引 言

望遠鏡是對人類歷史進程影響最大的科學儀器之一。可用于探索宇宙起源、暗物質和暗能量特性等自然科學重大基本問題的大口徑地基光學望遠鏡正在迅速發展［1-2］。然而，大氣永不停息的湍流擾動像水面的波紋一樣惡化成像質量，使望遠鏡觀察天體時，產生時／空隨機光學成像誤差，經長時間曝光后獲得的星空圖像就會非常模糊。早在17世紀，牛頓就最早認識到這個問題，然而長期以來未能解決；直到200多年后的1953年，美國天文學家BABCOCK首先提出可以采用自適應光學技術校正大氣擾動，并在1978年首次實現。采用自適應光學系統進行圖像校正時，需要有導引星（稱為信標），以其發射的光信號波前作為參考源來探測大氣湍流，并向可變形反射鏡提供反饋，以便補償這種由湍流等引起的圖像失真，實現對觀測目標的成像校正［3-5］。鈉信標是利用海拔80km～100km高的大氣電離層的鈉原子對589nm波長黃激光的共振熒光背向散射信號［6-8］，是自適應光學望遠鏡的理想信標。目前，鈉信標激光器的研制主要有5種方法。第1種是染料激光器，它可以直接發射在589nm［9-10］。20世紀80年代末和90年代，在美國夏威夷、加利福尼亞和西班牙，利用染料激光技術產生了第1顆鈉激光導引星。然而，由于裝置體積龐大、可靠性差、耗電量大，這種染料激光器逐漸被取代。21世紀發展起來的固體激光器作為第2代鈉信標激光器，通常基于1064nm和1319nm Nd∶YAG激光器和頻來獲得589nm激光［11-13］，這種固體激光技術相比染料激光器更加清潔、但其系統仍然較龐大復雜。近年來，光纖激光器正在成為一個具有競爭力的589nm鈉信標激光器候選者，這種激光器技術通常有兩種方法：一種是基于938nm和1583nm光纖激光器的和頻產生［14］；另一種是基于1178nm喇曼光纖的2次諧波產生［15］。并且，這種固有的緊湊、高效的光纖激光器技術開發的第3代鈉激光器，成為迄今為止唯一商用的鈉導星激光系統。光纖鈉激光器正在或即將在3個天文望遠鏡和兩個空間監測站部署。但這些系統安裝到望遠鏡上仍然相對較大，而且購買和維護成本仍然很高。因此，為了自適應光學-鈉導引星激光源更實用的解決方案，新一代具有體積小、質量輕、效率高、可靠性高、成本低、易維護等優點的589nm鈉信標激光器正在不斷被開發。隨著新的激光技術和激光材料的不斷發展，基于半導體技術的光抽運垂直外腔面發射激光器（optical pumping vertical external cavity semiconductor emitting laser，OP-VECSEL）和摻Dy3+晶體作為增益介質直接發射589nm激光的固體激光器被認為可能是第4代鈉信標激光器的發展方向。

本文中介紹了589nm OP-VECSEL和摻Dy3+晶體作為增益介質直接發射589nm激光的固體激光器的原理及特性，并綜述了其最新研究進展及應用。

1 589nm OP-VECSEL

1.1 OP-VECSEL基本原理

OP-VECSEL結構簡單，其主要由增益芯片、熱沉、耦合輸出鏡、抽運光組成。圖1為典型的OP-VECSEL示意圖。抽運光反向注入且與輸出光成一定夾角φ，實驗中通常φ≤45°聚焦到增益芯片上，因為如果角度太大會使得抽運光斑形狀不好、不均勻，所以在不遮擋激光振蕩的前提下，φ角度盡可能的小。其增益芯片為頂發射結構，如圖1放大部分所示，主要分為4個部分：即窗口層、量子阱有源區、分布式布喇格反射鏡和襯底，可利用分子束外延技術或金屬有機物化學氣相沉積技術在襯底上逐層生長而形成。考慮到OPVECSEL運轉時的散熱問題，增益芯片的帽層通常要與熱導率高的導熱片鍵合，如光學金剛石片、光學SiC片、藍寶石片等。

圖1 OP-VECSEL裝置示意圖

1.2 589nm OP-VECSEL研究現狀

半導體激光器具有體積小、效率高、質量輕、易集成、波長范圍廣、可靠性高等優點［16］，因而，自20世紀70年代初實現室溫連續運轉以來，半導體激光器成為了光電子技術領域的重要器件。但半導體激光器也存在一些不足：邊發射型半導體激光器可提供較大發射功率，但其輸出光斑為橢圓形，光斑的縱橫比最差時可達100∶1，快軸發散角約50°～60°，慢軸發散角約8°～10°，在一些應用中須附加光束整形系統。20世紀80年代，垂直腔面發射半導體激光器（vertical cavity semiconductor emitting laser，VCSEL）的出現引起了人們極大的興趣，與傳統的邊發射激光器不同，其激光出射方向垂直于襯底表面［17］，可獲得圓形光斑，閾值低、容易實現2維陣列等優點，在光通信、光互連、光存儲、醫療激光顯示和科學研究等領域有廣泛應用。雖然VCSEL具有理想的圓形光束，但在單橫模下工作很難達到大功率。因此，為克服上述缺點，進一步提高半導體激光器的性能一直是激光研究領域重要的課題之一。1997年，KUZETSOV［18］首次提出了光抽運垂直外腔面發射激光器的想法，它綜合了高光束質量的VCSEL和高功率激光二極管抽運的固體激光器的優勢，可同時獲得高功率和高光束質量的激光輸出，覆蓋從可見光到近紅外波段的廣闊波段，并且由于其外腔的存在，還可方便地實現高效率的激光腔內頻率轉換，是一種新型實用的半導體激光光源。尤其是腔內倍頻的OP-VECSEL技術，近幾年發展迅速，成為新型鈉信標激光器件研究領域的和熱點，其典型的實驗裝置示意圖如圖2所示。包括1178nm增益芯片、抽運源、高反鏡、耦合輸出鏡、倍頻晶體（LBO等非線性晶體）以及用以選波長和壓窄線寬的法布里-珀羅（F-P）標準具和雙折射濾波片。為了方便進行比較，表1中提供了該方法目前的研究情況，報告了激光系統中相應的研究結果。

圖2 腔內倍頻OP-VECSEL實驗裝置示意圖

表1 589nm VECSEL的發展情況

2003年，德國烏爾姆大學的GERSTER等人［19］基于GaAsSb／GaAs光抽運垂直外腔面發射激光器，將InGaAs的波長擴展到更長的波長，至少涵蓋1100nm～1300nm。同時，首次報道了倍頻黃光 GaAsSb／GaAs OP-VECSEL。在連續波運行中，當805nm抽運光功率為2.1W時，他們獲得了最大功率為15mW的TEM00模式運轉的589nm二次諧波輸出，并進行了與鈉原子吸收光譜共振的初步驗證。2007年，MOLONEY等人［20］基于微觀設計的基本原理，開發了一種高功率1178nm的 OP-VECSEL。室溫時，最高輸出功率為7W，相應斜效率為31%，光束質量因子M2＝1.43。并且通過使用雙折射濾波器，可將波長鎖定在1178nm，同時將該OP-VECSEL與腔內倍頻相結合，將產生瓦級589nm鈉信標激光，用于自適應光學望遠鏡。2008年，美國亞利桑那大學的FAN等人［21］報道了一個結構緊湊、低損耗的InGaAs-GaAs可調諧腔內倍頻黃光OP-VECSEL，通過三硼酸鋰（LiB3O5，LBO）晶體腔內倍頻，實現了輸出功率超過2.5W波長為589nm的激光運轉，相應的光光轉換效率為 15%，并且波長從575nm～595nm可調諧。同年，該團隊的FALLAHI等人將808nm抽運光的光斑由280μm增大到500μm，從而增大了增益介質的有效抽運面積，使得最大輸出功率從2.5W提升到5W［22］，中心波長為587nm，光譜覆蓋585nm～589nm區域，并首次提出這種緊湊型、低成本、高穩定性的半導體激光器為研制鈉導引星激光器提供了一個有前途的選擇。2009年，美國亞利桑那大學的KANEDA等人［23］通過LBO腔內倍頻的OP-VECSEL，得到了一個輸出功率為2W、譜線寬度小于5MHz的589nm激光源。并指出，進一步放大激光器輸出功率和穩定波長是鈉信標激光器應用的一種有吸引力的方法。2010年，芬蘭坦佩雷理工大學的LEINONEN等人［24］報道了一種窄線寬的GaInAsN黃光589nm OPVECSEL，他們采用腔內雙折射濾光片進行波長選擇，用YAG標準具進行線寬壓窄，并通過一類臨界相位匹配的BBO晶體腔內倍頻，獲得了最大輸出功率為1.7W、線寬約20MHz的589nm激光。并且，在自由運行的模式下，產生了超過6W的黃橙色激光，相應地最大轉換效率為15.5%。隨后，該團隊提出一種LBO晶體腔內倍頻的GaInNAs／GaAs OP-VECSEL，獲得了輸出功率大于2W的589nm激光源，且實現線寬小于50MHz與鈉D2線共振的單縱模運轉，其輸出功率的進一步提升主要受到可用抽運光功率和光斑尺寸的限制［25］。2012年，美國亞利桑那大學的 HESSENIUS等人［26］設計了一種可調諧工作在 589nm左右的InGaAs／GaAs OP-VECSEL。并在腔內插入雙折射濾波器、低精細Fabry-Perot標準具和倍頻晶體LBO，獲得了超過4W的589nm激光輸出，相應轉換效率約16%，此時基頻1178nm的線寬小于10MHz。同時，通過腔內兩個頻率選擇元件，他們對鈉D2和D1線進行調諧和測量，證明了該OP-VECSEL是鈉信標激光器等應用的可行光源。同年，芬蘭坦佩雷理工大學的LEINONEN等人［27］采用β-BBO晶體作為倍頻晶體，通過二次諧波得到了輸出功率超過7.4W的590nm激光。并在OP-VECSEL諧振腔內插入一類相位匹配的LBO晶體、標準具和雙折射濾波片，實現了線寬小于20MHz、功率為1.7W的窄線寬589nm激光輸出。除此以外，同年美國相干公司BERGER等人［28］在808nm抽運光功率為90W條件下，獲得了22W、589nm激光輸出，相應的光光轉換效率為24%。該589nm OPVECSEL在x和y兩個方向上的光束質量因子分別為1.02和1.00，并且x和y方向上的束腰直徑均為2.13mm。2013年，美國的ALFORD等人［29］利用 LBO倍頻晶體和Fabry-Perot標準具，獲得了高光束質量輸出功率約為3W的TEM00模589nm黃光，并且相應的線寬小于50MHz。2014年，芬蘭坦佩雷理工大學的KANTOLA等人［30］研制了一臺 20W 連續波運轉585nm～590nm寬光譜黃光OP-VECSEL，光束質量因子小于1.5，展示了OP-VECSEL在激光鈉信標領域的巨大潛力；通過調諧波長到589nm時，獲得的最大輸出功率10W，但激光器運轉不穩定。此外，該實驗人員通過直接調制抽運光，首次得到了81mW，570ns和149mW，1.08μs的脈沖激光輸出，由于受到電子系統和抽運峰功率的調制能力限制，該激光器輸出脈沖寬度較短、功率較低。

由以上研究報道可知，腔內倍頻的光抽運垂直外腔面發射半導體激光器是有可能替代固體和光纖激光技術方案，但高功率運轉還存在著熱效應較為嚴重，光束質量較差，且發射光譜較寬的問題，需進一步解決。

2 Dy3+晶體全固態激光器

2.1 Dy3+的光譜性質

稀土摻雜的材料性能研究涉及到材料學、物理學、化學、電子學等多學科交叉領域，并廣泛應用在激光、光纖通訊、光波導以及光纖放大器等方面。其中，Er3+，Tm3+，Pr3+，Ho3+等離子的紅外發光已得到深入的研究和一定的應用［31-35］。與此同時，鏑離子（Dy3+）的電子結構為［Xe］4f9，由于4f殼層未完全充滿，Dy3+的電子能級非常豐富，可以用于激光或光電材料的激活離子，并且其在可見光范圍內有4F9／2→6H13／2能級躍遷，同時伴有黃光發射引起了人們極大的興趣，是最近研究比較熱門的一種稀土離子。

由于Dy3+離子特殊的電子結構，Dy3+的4f電子層受到其外面5s2和5p6電子層的屏蔽，其受外界電磁場或配位場的影響較小，因而化合物中的Dy3+與自由狀態的Dy3+的吸收光譜相似，均為線狀光譜。圖3所示是Dy3+離子的能級示意圖。包括一組能級6HJ（J＝15／2到5／2）和6FJ（J＝11／2到1／2），波數范圍延續到14000cm-1；而后是波數寬度達21000cm-1的能隙，能隙上方是緊密排布的另一組能級，包括4F，4I，4G，4M，4K，4D等能級，一直延續到紫外光區域，其最下方為亞穩態的4F9／2。二組能級之間的寬帶隙使得能級4F9／2不能夠發生多聲子弛豫，當Dy3+的濃度較低時，其熒光壽命達到其輻射壽命，為毫秒級別。能級4F9／2可以發射不同波長的光，主要包括黃色光（向6H13／2躍遷）、藍色光（向6H15／2躍遷）和紅色光（向6H11／2躍遷）。

圖3 Dy3+能級圖

2.2 摻Dy3+晶體的研究現狀

目前的全固態鈉信標激光器面臨著一個嚴峻的問題，其鈉信標激光的產生依賴于通過紅外激光的非線性頻率轉換方式實現。一方面，非線性轉換過程中基頻光模式競爭導致激光輸出功率的穩定性較差、光束質量不佳；另一方面，系統的復雜程度直接導致了激光器的體積較大，從而對激光器的可靠性造成了嚴重的影響。因此，近些年來，能夠通過某種材料直接激發出鈉信標激光的研究越來越受到重視。有機染料、有機無機雜化晶體、摻稀土離子的晶體等是這類材料的主要研究方向。但因為染料材料本身的物化特性不穩定，其激光器體積龐大、可靠性差、同時需要復雜的冷卻系統做支持，這些限制了染料激光器的發展。2004年，印度科學家ELIZEBETH等人［36］對摻Dy3+的有機無機雜化晶體進行了深入的研究，首次合成了GdDy（C204）3nH20晶體。通過光譜分析，發現晶體中的 Dy3+離子對應的4F9／2→6H13／2的能級躍遷可以產生572nm的熒光。由于激光介質的吸收峰在紫外波段附近，當時技術很難滿足。但由此，Dy3+離子的光譜特性和激光特性引起了激光科研人員的關注，開始嘗試在無機基質晶體中摻入Dy3+稀土離子，研究新型激光介質的特性。這種根據摻Dy3+激光介質的特殊能級結構，采用半導體激光抽運的方式，直接獲得鈉信標激光，無需進行非線性頻率轉換，具有體積小、穩定性好、噪聲低等優點。為了便于比較，表2中提供了該Dy3+摻雜晶體作為增益介質直接發射589nm激光的國際及國內的研究情況，包括該晶體及相應激光器的研究結果。

表2 Dy3+摻雜晶體作為增益介質的全固態激光器發展情況

國際上，美國海軍研究實驗室的BOWMAN等人［37］于2012年采用波長為447nm的GaN藍光LD抽運Dy3+∶YAG單晶，獲得了平均功率為150mW的583nm TEM00模黃激光輸出，斜效率為12%，單脈沖能量為0.29mJ，其輸出功率較低，主要受藍光LD亮度的限制。且該激光器有可能運轉在576nm～591nm范圍內的幾個尖峰躍遷上，分析計算得出，在582.7nm處，最強躍遷的發射截面為4.1×10-21cm2。2013年，德國漢堡大學的METZ等人［38］采用450nm LD抽運Dy3+∶LiLuF4晶體，在抽運功率約350mW時，獲得了約7mW的578nm黃激光輸出，其斜坡效率為4%。2014年，意大利國家計量研究所的BOLOGNESI等人［39］制備了Dy3+-Tb3+共摻的LiLuF4晶體，并用波長為450nm的InGaN藍色 LD作為抽運源，利用 Dy3+的4F9／2→6H13／2（560nm～590nm）躍遷得到574nm的激光輸出。閾值抽運功率為320mW，當抽運光功率約為730mW，獲得了最大連續輸出功率55mW，相應的斜效率為13.4%。

國內研究中，2010年，中國科學院福建物質結構所的WANG等人［40］利用柴氏拉晶法制備了Dy3+∶Gd3Ga5O12（Dy∶GGG）晶體。在353nm激光抽運下，室溫下測量了該晶體的熒光光譜。位于可見光區，在581nm（560nm～600nm）處觀察到一條強烈的熒光帶，對應于4F9／2→6H13／2躍遷。并測得 Dy∶GGG晶體中Dy3+離子該躍遷的室溫熒光壽命為 0.79ms，4F9／2能級的熒光量子效率為71.4%。此外，在波長為581nm估算得到4F9／2→6H13／2躍遷的峰值發射截面約為 2.62×10-21cm2。2012年，淮南師范大學的 ZHAO等人［41］也采用該技術制備了 Dy3+∶LiLa（MoO4）2晶體，并評估其在藍紫或近紫外半導體激光器抽運下直接產生黃色激光的潛力。對于4F9／2→6H13／2的能級躍遷，可以產生560nm～590nm的熒光；其峰值發射截面在574nm，相應的π和σ偏振的發射截面分別為2.16×10-20cm2和1.38×10-20cm2。2014年，中國科學研究福建物質結構研究所的WANG等人［42］同樣采用該柴氏拉晶技術，生長了 Dy3+∶Ca3La2（BO3）4晶體，在室溫下對該晶體的偏振吸收、發射光譜和衰減壽命進行了測量。575nm左右的熒光帶被測得在4F9／2→6H13／2的能級躍遷中，并計算得到在a，b，c 3個方向上的受激發射截面分別為 1.69×10-21cm2，2.05×10-21cm2，3.38×10-21cm2。同時，4F9／2→6H13／2躍遷的分支比最大，說明這一躍遷應主導發射光譜。其輻射和熒光壽命分別為700μs和628μs。2017年，摻 Dy3+的 Lu2Si2O7晶體由中國科學院福建物質結構研究所的HUANG等人［43］利用柴氏拉晶法技術制得。對于E∥Y偏振，4F9／2→6H13／2躍遷在589nm下的發射截面高達1.27×10-21cm2。室溫下晶體的導熱系數為9.46W·m-1·K-1。實驗結果表明，Dy3+∶Lu2Si2O7晶體是一種很有前途的固態589nm激光器增益介質。

綜上所述，雖然至今未有半導體抽運摻Dy3+晶體的鈉信標激光器的相關報道，但半導體抽運摻Dy3+晶體的黃光激光已被證實，并且已制備出直接輻射589nm譜線的摻Dy3+激光增益介質。

3 結束語

OP-VECSEL相比固體和光纖激光器的技術方案，具有體積小、效率高等優越性，應用在鈉信標激光技術研究，是最有發展前景的鈉信標激光源之一。但是，半導體激光器高功率運轉時熱效應嚴重，光束質量較差，且發射光譜較寬，難以滿足產生高亮度鈉導引星要求。因此，如何保證半導體激光器在高功率運轉的同時，具有較好的激光光束質量和較窄的激光線寬，是目前亟需解決的科學技術問題。另一方面，對于半導體抽運摻Dy3+晶體的鈉信標激光器，雖然至今沒見報道過，但摻Dy3+晶體作為增益介質直接發射589nm激光的新晶體正在不斷地被探索。對于上述摻Dy3+激光增益介質的研究，無論是從學術科研角度還是從工程應用角度，都具有很重要的意義。采用半導體抽運摻Dy3+激光介質，實現鈉信標激光輸出，可從根本上解決困擾全固態鈉信標激光器穩定性、體積等問題，為鈉信標激光器的進一步發展提供了另一種可能性。