二极管泵浦Tm:CaYAlO4 激光器实现3 F4 →3 H6 与3 H4 →3 H5 级联双波长输出的突破及其医学与气体检测应用

研究人员针对临床医学与气体监测对双波长激光器的需求，首次实现LD泵浦Tm:CaYAlO4 晶体的级联双波长（～2 μm/～2.3 μm）连续激光输出，总功率达3.01 W（斜率效率27.3%），其中2.3 μm波段功率0.52 W。该技术为血管手术、血糖监测及多气体同步检测提供了新型光源解决方案。

　　

在医疗和环保领域，同时具备～2 μm和～2.3 μm波长的激光器具有革命性潜力。～2 μm激光因水吸收特性成为精准外科手术的理想工具，而～2.3 μm波段恰好匹配葡萄糖特征峰，可实现无创血糖监测。然而，现有Tm³⁺
掺杂晶体如Tm:YAG等难以兼顾高效率与双波长输出，且大气环境中CO₂
、CH₄
等气体的同步检测需求迫切。山东大学的研究团队在《Optical Materials》发表论文，通过创新性设计Tm:CaYAlO₄
（钙钇铝氧化物）激光系统，首次实现该晶体的级联双波长连续激光输出。

研究采用1.5 at.%掺杂的a轴切割Tm:CaYAlO₄
晶体，经N₂
/H₂
混合气氛退火处理提升光学均匀性。使用四种不同透射率输出镜，通过LD（激光二极管）泵浦系统测量阈值功率与斜率效率。光谱分析采用高分辨率光谱仪，功率测试使用热释电探头。

激光装置
10 mm厚Tm:CaYAlO₄
晶体（3×3 mm²
通光口径）两端面镀制增透膜，置于V型谐振腔中。通过优化泵浦光斑与晶体位置实现模式匹配。

结果与讨论
当使用T=5%输出镜时，系统获得最大总功率2.79 W（斜率效率25.1%），其中～2.3 μm波段功率0.52 W（阈值5.24 W）。晶体无序结构导致的谱线展宽效应显著提升双波长增益竞争平衡性。

结论
该工作突破性地将Tm:CaYAlO₄
晶体应用于级联激光系统，其～2 μm波段（2.65 W）满足手术切割需求，～2.3 μm波段（0.52 W）为血糖监测提供新方案。多气体吸收谱的互补特性（如CO₂
强吸收与CH₄
特征峰）使其成为环境监测利器。Zhongben Pan团队指出，这种兼具高功率（>3 W）与大气窗口特性的光源，将为自由空间光通信增加新的波长通道。

这项研究的创新性在于：首次利用Tm:CaYAlO₄
晶体的结构无序性实现双波长协同振荡，其6%的～2.3 μm斜率效率较传统Tm:YAG提升50%。Dechun Li强调，晶体退火工艺使缺陷密度降低，这是获得低阈值（2.89 W）的关键。正如Yang Li所述，该技术为开发紧凑型医疗-环境联用激光设备奠定基础，未来可通过掺杂浓度优化进一步提升～2.3 μm波段占比。