中国光学十大进展·特邀综述 | 突破荧光光谱的可调谐激光输出

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中国光学十大进展·特邀综述 | 突破荧光光谱的可调谐激光输出

发布：ZSjie2130阅读：328时间：2024-3-5 17:01:54

编者按

山东大学于浩海、张怀金教授和南京大学陈延峰教授的联合研究团队，在电子-声子耦合的全固态激光器研究中取得了一系列进展，相关成果入选2022中国光学十大进展。团队提出了多声子耦合激光物理机制，国际上首次实现突破荧光光谱的激光辐射，大幅拓宽了激光增益的边界。提出了光子-声子协同泵浦的激光机制，发现了温度依赖的电子-声子耦合激光相变过程，为激光器设计提供了新的维度。相关研究成果发表于Nature Physics、Nature Communications等期刊，并受邀在《激光与光电子学进展》撰写综述。

在该特邀综述中，作者以电子-声子耦合导致的荧光展宽和可调谐激光器为主线梳理了固体激光发展的历史和研究现状，总结了团队近年来在突破荧光光谱限制所作的一系列工作。

综述链接：梁飞, 何程, 陈延峰, 于浩海, 张怀金. 中国光学十大进展：电子-声子耦合效应与激光波长拓展[J]. 激光与光电子学进展, 2023, 60(23): 2300001.

1.背景介绍

激光具有高亮度、高强度、单色性好、相干性好的特点，广泛应用于我们的日常生活，被誉为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”。1917年，爱因斯坦提出了受激辐射理论^[¹^]，奠定了激光产生的物理基础。1960年，梅曼发明了第一台红宝石激光器^[²^]，工作波长为694.3 nm。激光与相关技术的发展与融合，形成了激光制造、激光通信、激光检测、激光医疗等多个交叉技术学科，为人类认识世界和改造世界提供了一大批新工具。激光波长决定了光与物质相互作用的过程和效果，探索新激光晶体并满足实际应用对特定波长激光的需求，是当今国际竞争的热点。

2. 电子-声子耦合效应

电子-声子耦合效应是拓宽激光光谱的基本原理之一。晶体中原子围绕其平衡位置作微小振动，是一种最基本的运动方式。当晶体中的晶格振动（声子）与激活离子的电子能级发生相互作用时，即可以在电子跃迁过程中出现电子与声子的能量传递，这一物理过程称为电子-声子耦合效应。20世纪50年代，黄昆先生对此过程进行过深入研究，发展了多声子跃迁理论和晶格弛豫模型。晶格弛豫表现为每一次电子跃迁都伴随着邻近原子位置的重新调整，基态和激发态的平衡位置并不相同，而是沿着某一方向发生了移动。平衡位置即为声子波函数的原点，原点的移动意味着晶格振动波函数正交性的破坏，从而在电子跃迁过程中理论上可提供任意数目声子的改变（吸收或发射）(图1)。这是电子-声子耦合效应改变电子跃迁过程和展宽荧光光谱的理论基础。电子-声子耦合强度可以用Huang-Rhys因子S来评估。S因子越大，电声耦合强度越强，光谱展宽越宽。

图1 （a）基于位形坐标的电子-声子耦合物理过程示意图，n表示声子数，（b）不同S因子对应的荧光线型函数

3. 大展身手——宽带可调谐固体激光器

基于电子-声子耦合效应和光谱展宽，学界开展了广泛的激光晶体探索和可调谐激光器研制工作，主要集中在色心激光晶体、过渡金属激光晶体和稀土激光晶体3个方向。我们将一些重要的实验结果总结在图2中。

3.1 色心激光晶体

1961年，声子参与的宽调谐激光辐射的可能性首次在色心晶体中被提出。色心晶体的S因子很大，具有很强的光谱展宽效应。1965年，德国斯图加特大学的B. Fritz基于含F_A(II)色心的Li:KCl晶体，发明了第一台色心激光器^[³^]，工作温度为70~210 K，激光波长为2.7 μm。1977年，Yu. L. Gusev发明了室温F₂⁺:LiF色心激光器，波长调谐范围为0.88~1.25 μm ^[⁴^]。

3.2 过渡金属激光晶体

1963年，Johnson等人在Ni²⁺:MgF₂晶体中首次验证了声子参与的激光辐射^[⁵^]。Ni²⁺:MgF₂的零声子线位于1.53 μm，在1.60~1.80 μm区域存在较强的声子边带发射。随后，在Co²⁺:MgF₂、Co²⁺:KMgF₃、V²⁺:MgF₂等晶体中陆续实现了类似的声子参与的激光辐射。但是受限于激活离子⁴T₂的激发态能级寿命随温度升高迅速减小，无辐射跃迁变强，声子参与的激光辐射无法在室温下运转，因此早期类似的激光实验均是在低温条件下进行的。

1979年，J. C. Walling报道了室温运转的金绿宝石激光器，首次实现的可调谐激光波长为701~794 nm ^[⁶^]。1982年，P. Moulton发明了钛宝石激光器，荧光范围为600~1100 nm，可支持665~1100 nm的可调谐激光输出^[⁷^]。此外，另一类具有代表性的过渡金属激光器是工作在中红外波段的Cr²⁺:II-VI和Fe²⁺:II-VI激光器，II-VI代表ZnS、ZnSe、CdSe、等半导体晶体。得益于强电子-声子耦合和丰富的电子能级，这类晶体的吸收光谱和荧光光谱都非常宽，室温量子效率高，有利于实现中红外波段的宽带可调谐激光和超快激光输出。1999年，Wagner实现了Cr²⁺:ZnSe的可调谐激光输出，波长调谐范围2138-2760 nm^[⁸^]。2004年，V. A. Akimov在Fe²⁺:ZnSe晶体中实现了3.77~4.40 μm的可调谐激光输出^[⁹^]。

3.3 稀土激光晶体

相比于色心晶体和过渡金属激光晶体，稀土激光晶体S因子较小，电子-声子耦合效应较弱。1974年，第一个声子参与的稀土离子激光辐射在Ho³⁺:BaY₂F₈晶体中实现。Ho³⁺:BaY₂F₈晶体⁵I₇→ ⁵I₈跃迁的零声子线位于2.05 μm，同时在2.171 μm处存在一个较弱的荧光边带，其波长一直延伸到2.3 μm。近年来，以Yb³⁺和Tm³⁺掺杂激光晶体为代表的两类可调谐激光器得到快速发展。Yb:YAG陶瓷激光器的调谐范围达到992.5~1110.8 nm ^[¹⁰^]，Tm:YAG晶体的调谐范围为1870~2180 nm ^[¹¹^]。此外，工作在紫外波段的Ce³⁺掺杂激光器也受到关注。1995年，美国海军实验室的J. F. Pinto等人在Ce³⁺:LiSAF和Ce³⁺:LiCAF中实现了283~313 nm和281~315 nm的可调谐激光输出^[¹²^]。

图2 常见固体激光器的波长调谐范围比较。红色和蓝色分别表示室温和低温下的激光运转

4. 暗夜寻光——突破荧光光谱的激光辐射

以上各种类型的激光器波长虽然已经覆盖了很宽的波段，但其调谐范围仍处在增益介质的荧光光谱之内，无法进一步拓宽，这无疑限制了固体激光技术的进一步发展。2022年，山东大学和南京大学的联合研究团队在Yb:YCOB晶体中首次实现了突破荧光光谱的可调谐激光输出^[¹³^]，波长范围为1110~1465 nm (图3)，分别对应声子数n=3~7的多声子耦合过程，相关成果入选2022年度中国光学十大进展（基础研究类）。随后，团队在Yb:La₂CaB₁₀O₁₉晶体中也实现了多声子耦合激光波长拓展，最长的激光波长达到1280 nm，对应声子数n=6的耦合过程^[¹⁴^]。我们将这一类新的激光称之为Multiphonon-coupling laser (MPC激光)。进一步，团队将多声子耦合与非线性变频效应相结合，研制了一系列可见光波段的自倍频激光器，波长覆盖青-绿-黄-橙-红光（图4），满足了激光医疗、显示、检测领域的应用需求^[¹⁵^,¹⁶^]，取得了良好的经济效益和社会效益。

图3 Yb:YCOB晶体实现突破荧光光谱的多声子耦合激光

图4 Yb:YCOB晶体的多声子耦合-自倍频激光器

5.总结与展望

电子-声子耦合效应在固体激光波长拓展的发展历史中扮演了重要角色。从最早的色心晶体开始，科学界对激光晶体中电子跃迁与晶格振动的耦合规律进行了深入的研究，提出了评估电子-声子耦合强度的基本参数，发现了荧光光谱展宽的机制，研制了室温下稳定运转的多种激光增益介质，发展了以钛宝石、金绿宝石为代表的宽波段、可调谐固体激光器，并获得广泛应用。在此基础上，新发展的多声子耦合激光器突破了荧光光谱的限制，拓展了激光增益的边界，对于可调谐固体激光器的设计和发展具有重要意义。更进一步，将电子-声子耦合激光与非线性变频技术相结合，可将激光波长拓展至可见、紫外区，乃至中远红外、太赫兹波段，有助于发展高集成、低成本的超宽波段可调谐激光器，为固体激光技术带来革命性的影响。

参考文献：

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