窄线宽蓝光二极管阵列泵浦实现9.36 W连续波Pr3+:YLF可见激光器的高效输出

为解决Pr3+:YLF可见激光器因泵浦吸收效率低和热透镜效应导致功率提升受限的难题，研究人员通过外腔光栅锁定窄线宽(0.148 nm)蓝光二极管阵列波长至443.9 nm，结合双凹谐振腔优化设计，实现了吸收效率95.1%、斜率效率45.08%的9.36 W连续波639 nm激光输出，创下该体系最高功率记录，为大气/水下激光雷达等应用提供了高性能可见光源。

　　

在激光技术领域，直接发射可见光的稀土掺杂激光器因其结构简单、效率高等优势备受关注。其中掺镨(Pr³⁺)氟化钇锂(Pr³⁺:YLF)晶体因其能直接产生639 nm红色激光的特性，在大气探测、水下通信和生物医疗等领域展现出独特价值。然而长期以来，这类激光器面临两大技术瓶颈：商用蓝光二极管泵浦源因光谱失配导致吸收效率不足50%，以及晶体热透镜效应引发的光束质量劣化。这些问题严重制约了输出功率的提升，使得过去二十年该体系最高输出功率始终徘徊在8瓦左右。

针对这一挑战，来自国内研究机构的研究团队创新性地将窄线宽泵浦技术与谐振腔优化设计相结合，在《Optical Materials: X》发表了突破性研究成果。他们采用外腔光栅锁定的蓝光二极管阵列作为泵浦源，通过精确匹配Pr³⁺:YLF晶体的443.9 nm吸收峰，同时开发双凹谐振腔结构补偿热透镜效应，最终实现了功率和光束质量的同步突破。

研究团队主要运用三项关键技术：首先采用8个TO封装蓝光二极管空间合束构成22.6 W泵浦模块，通过外腔光栅反馈将光谱线宽压缩至0.148 nm；其次设计包含45°二向色镜的L型谐振腔，采用双凹结构补偿热透镜；最后通过功率计、光谱仪和光束质量分析仪进行多参数表征。这些方法确保了泵浦光与晶体吸收特性的精确匹配，以及激光器在高温差环境下的稳定运行。

【实验装置】部分显示，创新设计的泵浦模块将波长锁定在443.883 nm，与晶体π偏振吸收峰完美重合。通过优化冷却系统，在3.0 A驱动电流下获得22.6 W稳定输出，光谱半高宽仅为传统泵浦源的1/10。

【结果分析】章节揭示，该系统的泵浦吸收效率达到创纪录的95.1%，较前人工作提升近一倍。在20.8 W吸收泵浦功率下，输出639.58 nm激光功率达9.36 W，斜率效率45.08%。特别值得注意的是，光束质量因子M²在x/y方向分别低至1.73和1.13，功率波动小于0.23%/小时，展现出优异的稳定性。

【结论】部分强调，这项研究首次证实窄线宽泵浦对Pr³⁺:YLF激光器的决定性作用。通过建立输出特性与吸收功率、热透镜效应的理论模型，为后续功率提升提供了明确路径。该成果不仅刷新了该波长可见激光的功率纪录，其揭示的"光谱匹配-热管理协同优化"原理，对其他稀土掺杂可见激光器的开发具有重要指导意义。

这项工作的突破性体现在三个方面：技术上，外腔反馈使泵浦线宽较传统方法压缩一个数量级；性能上，输出功率较前纪录提升15%并保持近衍射极限光束质量；应用上，稳定的红光输出为激光雷达组织消融等需要高亮度可见光的场景提供了新选择。研究人员特别指出，该方法可推广至其他稀土离子体系，为发展高效率、多波长可见激光器阵列开辟了新途径。