【资讯】北理工：高功率、高效率、低噪声单频Er:YAG非平面环形腔激光器

2026-08-28 17:56:05

 围绕高性能1.6 μm单频激光光源需求，北京理工大学高春清教授团队将低温冷却技术与Er∶YAG单块非平面环形腔结构相结合，构建了谐振泵浦Er∶YAG NPRO单频激光系统。Er∶YAG在室温下具有明显的准三能级特征，再吸收损耗和热效应会限制激光器效率和功率提升。低温冷却可以减少激光下能级粒子数，减弱再吸收损耗；NPRO结构则将增益介质和谐振腔集成在同一块非平面晶体中，有利于实现稳定单频运转。在泵浦方式上，研究团队采用波长为1532 nm的泵浦光，通过谐振泵浦降低量子亏损和热负载，当激光器工作在低温条件时，Er∶YAG在1532 nm附近的吸收谱线明显变窄。研究表明，1532.3 nm主吸收峰虽然吸收截面较大，但饱和强度较低，高功率泵浦时容易出现吸收饱和，导致泵浦泄漏和激光器效率的下降。为避免这一问题，研究团队避开1532.3 nm主峰，选择中心波长为1532.5 nm的“卫星峰”进行泵浦。该谱线具有较合适的吸收强度和线宽，可与泵浦源光谱较好匹配，在保证有效吸收的同时减轻主峰深度饱和带来的影响。实验装置如图1所示，泵浦光经准直和聚焦后从端面进入Er∶YAG NPRO晶体产生激光振荡，利用功率计、光谱仪、法布里-珀罗干涉仪和外差线宽测试系统表征输出激光的功率、单频特性和线宽。

图1 低温非平面环形腔Er:YAG激光器实验装置

       激光器输出功率测试结果如图2所示。在室温下，该激光器可输出13.9 W 的单频激光，斜率效率为51.8%；当温度降低至80 K后，激光器阈值由2.05 W 降至1.76 W，最大单频输出功率提升至22.5 W，斜率效率提高至82.6%，光光转换效率达到77.9%，在最高输出功率下的功率稳定性（30 min）为0.6%。这些结果说明，低温冷却有效减弱了再吸收损耗和热效应，也验证了1532.5 nm卫星峰泵浦策略的有效性。

图2 在300 K和80 K下Er:YAG NPRO单频输出功率随泵浦功率的变化关系

       图3为激光器在最高输出功率下的外差拍频图，该拍频信号的-20 dB宽度为52.5 kHz，对应激光线宽为2.6 kHz。图4显示激光器在1 kHz处相位噪声约为10-5 rad/√Hz，在1 MHz 处约为10-8 rad/√Hz，x和y方向的光束质量M2 因子分别为1.31和1.34。此外，研究团队还在Er∶YAG NPRO中观察到1660.5 nm近红外谱线的单频振荡，拓展了Er∶YAG晶体的近红外光谱覆盖范围。总体来看，该工作实现了高功率、高效率、窄线宽Er∶YAG NPRO单频激光输出，为1.6 μm单频光源在遥感探测和精密测量中的应用提供了支撑。

图3 Er:YAG NPRO激光器自外差信号的光学射频频谱

图4 激光器频率噪声测量结果

       Er∶YAG NPRO激光器在功率和效率提升过程中，主要受到准三能级再吸收损耗和高功率热效应的限制，其功率和效率进一步提升面临一定瓶颈。研究团队通过引入低温冷却，并选择1532.5 nm卫星吸收峰进行谐振泵浦，有效避开了 1532.3 nm主吸收峰在强泵浦下易饱和的问题，实现了高功率、高效率、窄线宽的1.6 μm单频激光输出。研究结果表明，低温冷却与单块非平面环形腔结构相结合，能够同时发挥Er∶YAG晶体的增益优势和NPRO结构的单频稳定优势。此外，实验中还观测到1660.5 nm新谱线的稳定单频振荡，拓展了Er∶YAG晶体的近红外光谱覆盖范围。后续工作中，团队将进一步对激光器整体结构进行优化，提升激光器的长期稳定性，推动其在激光雷达、精密测量和气体遥感等领域的应用。

参考文献： 中国光学期刊网

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