10瓦级Er:CaF2单晶光纤2.8微米激光器实现突破：高效高功率中红外激光新纪元

《High Power Laser Science and Engineering》：10 W Er:CaF2 Single-Crystal Fiber Laser at 2.8 μm

本研究针对2.8微米波段中红外激光器输出功率低、热管理困难等挑战，通过优化Er:CaF2单晶光纤(SCF)的谐振腔设计和热透镜补偿，实现了10.02 W的连续波输出功率和32.2%的斜率效率，创下了3微米波段SCF激光器的最高功率记录，为高功率中红外激光应用奠定了重要基础。

　　

在分子光谱、气体传感和医疗手术等领域，3微米波段激光器因其恰好覆盖水分子、氨气等多种关键物质的吸收谱线而备受关注。然而，要实现高性能的中红外激光输出，研究人员面临着诸多挑战：传统的Er掺杂光纤易受空气中羟基污染导致损伤，而块状晶体在高功率运行时又难以有效散热，且存在光束质量劣化问题。特别是Er离子特有的自终止效应（下能级⁴I_13/2寿命远长于上能级⁴I_11/2），更增加了实现连续波高功率输出的难度。

为了突破这些技术瓶颈，上海交通大学与中国科学院上海硅酸盐研究所的研究团队另辟蹊径，将目光投向了兼具晶体优良导热性和光纤几何结构优势的单晶光纤。他们选择Er:CaF₂作为增益介质，这种氟化物晶体具有低声子能量的特性，能够有效抑制多声子非辐射跃迁，提高激光效率。相关研究成果已发表在《High Power Laser Science and Engineering》期刊上。

研究团队采用垂直布里奇曼法生长了两种不同掺杂浓度（1 at.%和2 at.%）的Er:CaF₂单晶光纤，尺寸为直径1.5毫米、长度40毫米。实验采用紧凑型谐振腔和双端泵浦结构，使用976纳米激光二极管作为泵浦源，通过偏振分光棱镜实现双向泵浦。关键技术包括热透镜效应分析与补偿、模式匹配优化以及输出耦合镜参数筛选，最终在67毫米腔长下获得了最佳性能。

激光性能优化

通过系统测试不同输出耦合镜（透射率10%、4%、1.5%）和曲率半径（-50毫米、-100毫米、平面镜）的组合，研究发现采用曲率半径-100毫米、透射率4%的输出耦合镜时，2 at.% Er:CaF₂ SCF激光器在25瓦以下泵浦功率时斜率效率高达32.2%，最大输出功率达到10.02瓦（吸收泵浦功率41.75瓦）。这是迄今为止3微米波段SCF激光器报道的最高输出功率，比先前结果提高约一个数量级。而1 at.%掺杂的SCF由于热透镜效应较弱，最大输出功率为5.45瓦，斜率效率为18.1%。

功率稳定性评估

在7瓦输出功率下进行140分钟稳定性测试，功率波动约为1.84%。这种轻微不稳定性可能源于水冷系统的振动和温度波动。研究表明，若采用热电制冷器进行散热，功率稳定性有望进一步提升。

热透镜效应分析

实验测量了不同泵浦功率下的热焦距，发现Er:CaF₂ SCF呈现负热透镜效应。随着吸收泵浦功率增加，热透镜焦距逐渐增大。理论计算与实验数据吻合良好，光学屈光度随吸收泵浦功率线性减小，斜率为-0.66米^-1/瓦。通过分析激光束腰半径随泵浦功率的变化，确认曲率半径-100毫米的输出耦合镜能实现最佳模式匹配。

光束质量表征

使用中红外CCD相机测量了2 at.% Er:CaF₂ SCF激光器在不同泵浦功率下的光束质量因子(M²)。低泵浦功率时，x和y方向的M²因子分别为1.78和1.86；在30瓦吸收泵浦功率下，M²因子分别增至3.2和4.0。y方向光束质量略差可能源于不均匀散热，但总体上在10-30瓦功率范围内模式稳定。

光谱特性研究

低泵浦功率时激光中心波长为2762.5纳米，随着功率增加出现红移并短暂呈现双波长运转，最终在2804.3纳米处稳定单波长运转。这种红移现象归因于高腔内功率下净增益峰的红移，使激光发射向更长波长移动，避开了水蒸气的强吸收区域，有利于大气传输应用。

该研究通过优化Er:CaF₂单晶光纤激光器的谐振腔设计和热管理，成功实现了10.02瓦的高功率2.8微米激光输出，创下了该波段单晶光纤激光器的功率新纪录。研究表明，适当掺杂浓度（2 at.%）结合曲率半径-100毫米、透射率4%的输出耦合镜，能有效平衡热透镜效应与模式匹配，获得最佳性能。激光波长在高功率下的红移特性避免了水蒸气吸收，提升了实际应用价值。这些成果充分证明了Er:CaF₂单晶光纤作为高效中红外激光增益介质的巨大潜力，为开发新一代高功率中红外激光源奠定了坚实基础。单晶光纤独特的几何结构结合其优异的热性能，为突破当前中红外激光器的功率瓶颈提供了创新解决方案。