【儀表網 研發快訊】近日，中國科學院安徽光學精密機械研究所(簡稱“安光所”)孫敦陸研究員課題組在中紅外激光技術領域取得一系列重要突破。該團隊圍繞2.8微米波段Er:SGGG(摻鉺鈧鎵釓石榴石)激光晶體，在材料制備、泵浦結構創新和激光性能優化等方面獲得了系統性進展，相關成果已連續發表在國際光學權威期刊上。這一研究不僅提升了我國在中紅外激光材料領域的核心競爭力，也為該波段激光在生物醫療、環境監測等領域的實用化鋪平了道路。
瞄準關鍵波段：2.8微米激光的獨特價值與應用前景
中紅外波段(特別是2.8微米附近)的激光被稱為“水分子的吸收指紋區”。由于水分子對該波長的光有極強的吸收，使其在生物組織切割、手術止血等醫療領域具有無可替代的優勢——手術精度高、創傷小、愈合快。同時，該波段激光在大氣中有特定的傳輸窗口，也是環境光學遙感、激光雷達、紅外對抗以及非線性光學頻率變換的關鍵光源。然而，長期以來，能夠高效、穩定產生該波段激光的增益介質材料有限，制約了相關設備的發展。安光所團隊的研究正是針對這一核心材料難題展開。
核心突破一：創新材料制備，實現高效脈沖激光輸出
研究團隊首先從材料源頭進行創新。他們采用提拉法，成功制備出高摻雜濃度(30at.%)的Er:SGGG晶體。SGGG作為一種混合石榴石晶體，其結構特點能使激活離子(Er³?)的吸收和熒光光譜有效展寬，更利于吸收泵浦光。實驗證實，該晶體在970納米泵浦波長處的吸收帶寬達19納米，這降低了對泵浦光源波長穩定性的苛刻要求。
基于此優質晶體，團隊使用常見的970納米激光二極管進行單端面泵浦。在脈沖工作模式下(重頻400赫茲，脈寬300微秒)，成功實現了峰值輸出功率達404毫瓦的2.8微米激光，光光轉換斜率效率高達15.6%。這一結果證明了Er:SGGG晶體作為高效中紅外脈沖激光增益介質的巨大潛力。
核心突破二：設計雙端泵浦，大幅提升連續激光功率
脈沖激光適用于許多場景，但諸如激光手術、連續波遙感等應用則需要高功率的連續激光。然而，高功率泵浦下產生的嚴重熱效應是制約連續激光性能的世界性難題。
為此，安光所團隊創造性地設計了雙端泵浦激光結構。顧名思義，該結構從晶體兩端同時注入泵浦光，使泵浦能量和熱負荷在晶體內部均勻分布，極大緩解了局部過熱問題。采用這一“降溫妙招”后，Er:SGGG晶體實現了450毫瓦的2.8微米連續激光輸出，光束質量也保持良好。這標志著向高功率、實用化的中紅外連續激光器邁出了關鍵一步。
核心突破三：首創鍵合晶體結構，攻克光束質量與熱管理難題
為進一步優化性能，團隊在晶體結構上做了更精妙的“微創手術”——研發了鍵合激光晶體。他們將未摻雜的透明SGGG晶體與摻鉺的Er:SGGG增益介質通過光學鍵合技術“無縫焊接”在一起，制備出SGGG/Er:SGGG和SGGG/Er:SGGG/SGGG(即“三明治”結構)兩種新型復合晶體。
這一設計的精妙之處在于：
顯著改善光束質量：端帽式的透明SGGG晶體能有效抑制熱透鏡效應，使激光輸出光束更純凈、發散角更小。在“三明治”結構中，團隊獲得了接近衍射極限的優異光束質量因子(M²因子低至1.06/1.11)。
高效管理熱量：鍵合結構如同為增益介質加裝了“散熱翅片”，大幅提升了散熱能力，允許晶體承受更高的泵浦功率。
提升輸出功率：在單端泵浦SGGG/Er:SGGG鍵合晶體時，連續激光輸出功率被進一步提升至520毫瓦，斜率效率達到10.4%，創造了同類研究中的優異指標。
總結與展望：為新一代中紅外激光器提供“中國方案”
安光所的這項系列研究，從材料制備、結構設計到性能優化，完成了一次從基礎到應用的閉環創新。它系統性地證明了Er:SGGG是一種綜合性能優異、極具應用潛力的2.8微米中紅外激光增益介質。
該研究不僅為開發更緊湊、高效、穩定可靠的新一代中紅外激光器提供了關鍵的“晶體心臟”選項，也對推動高端醫療設備、先進環境監測技術等領域的發展具有重要意義。未來，隨著泵浦技術和散熱方案的進一步優化，基于Er:SGGG晶體的激光器有望實現更高功率輸出，從而開啟更廣闊的應用市場，彰顯我國在尖端光電材料與器件領域的自主研發實力。
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