Tm:GdVO 基于GSA和ESA双波长泵浦技术的4个2.3 μm激光器

本研究采用双波长泵浦（798nm和1050nm）技术，结合基态吸收（GSA）和激发态吸收（ESA）机制，显著提升Tm:GdVO4晶体中2.3μm激光的输出功率，较单波长泵浦总和增加0.461W，效率提升89.3%。

　　
2.3μm掺铽钆钒酸盐激光器双波长泵浦机制研究进展

一、研究背景与意义
2.3μm激光在气体传感、无创血糖检测等领域具有重要应用价值。当前主流实现方式包括II-VI族化合物激光晶体（如Cr2?:ZnS）和垂直腔面发射激光器（VCSELs）。前者受限于高质量晶体制备和高成本泵浦源，后者则存在输出功率受限（通常<10mW）的显著缺陷。铽离子掺杂晶体（如Tm:YVO?、Tm:YAG等）通过3H?→3H?跃迁实现2.3μm发射，但传统单波长泵浦存在粒子数布居不均问题。

二、双波长泵浦协同机制解析
研究团队创新性地采用798nm与1050nm双波长泵浦策略，构建了GSA（基态吸收）与ESA（激发态吸收）协同工作体系。798nm泵光主要作用于3H?→3H?基态跃迁（GSA），同时激发交叉弛豫过程（3H?+3H?→3F?+3F?）。随后1050nm泵光通过激发态吸收（3F?→3H?）将能量转移到主激射能级。这种双阶段泵浦机制有效解决了传统单波长泵浦的粒子数布居难题。

三、晶体特性与实验装置优化
研究选用1.5at.%掺杂浓度的Tm:GdVO?晶体，其晶体结构具有八面体配位钆离子位点和四面体钒离子位点优势。通过热电冷却系统将晶体温度稳定在12℃，配合金箔散热设计有效抑制热透镜效应。腔体结构采用15mm光程，双面镀798nm和1050nm复合增透膜，输出耦合器透射率0.5%时实现最佳功率输出。

四、关键实验结果分析
1. 单波长泵浦性能对比：
- 798nm GSA泵浦：峰值功率0.85W（阈值3.42W），斜率效率4.8%
- 1050nm UC泵浦：峰值功率0.51W（阈值未明确）
2. 双波长协同效应：
- 总输出功率达1.32W（单波长总和1.36W）
- 功率增量0.461W，效率提升89.3%
- 腔内粒子数分布优化显著，主激射能级3H?布居度提升约40%

五、技术突破与创新点
1. 能级工程优化：
- 通过GSA泵浦快速建立3H?初始布居
- UC泵浦精准调控3F?→3H?跃迁效率
2. 热管理创新：
- 水冷铜基座配合金箔散热实现<1℃温控
- 晶体切割方向（a面）优化光束准直性
3. 材料性能突破：
- 3×3×10mm3晶体尺寸优化光程
- 1.5at.%掺杂浓度平衡了非线性效应与泵浦吸收

六、应用前景与产业化挑战
该技术成功突破单波长泵浦的功率瓶颈（从0.51W提升至0.85W），双波长协同机制为高功率激光器设计提供了新思路。实际应用需解决：
1. 激光腔热变形控制（需优化冷却通道布局）
2. 双波长泵浦源成本（当前采用组合激光二极管阵列）
3. 材料损伤阈值提升（需改进晶体生长工艺）
4. 空间光调制器等辅助设备集成

七、研究局限与未来方向
当前研究存在两个主要局限：①未明确说明泵浦波长稳定性对功率的影响；②未开展不同掺杂浓度对比实验。后续研究建议：
1. 开发连续可调双波长泵浦源（覆盖780-820nm和1030-1070nm范围）
2. 进行晶体尺寸扩展实验（>5mm光程）
3. 探索掺杂浓度与泵浦效率的定量关系
4. 研究脉冲泵浦模式下的非线性效应抑制

该研究为高功率掺铽激光器设计提供了重要参考，其双波长协同机制可推广至其他稀土离子激光系统。通过优化泵浦波长配比（798nm:1050nm=1:0.54）和晶体生长工艺，未来有望实现1W级连续波输出，推动2.3μm激光在工业检测等领域的实际应用。