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姚子健, 李淵驥, 宋政, 馮晉霞, 張寬收. 基于全固態(tài)單向行波環(huán)形腔的連續(xù)波單頻1.5 μm激光器[J]. 中國激光, 2021,48(05): 0501010

總編評論：

近年來，低噪聲、高功率、光通信波段激光光源已成為前沿科學研究中非常重要的研究工具，在量子通信、量子精密測量、光頻標長距離實時比對等技術中應用需求不斷提升。作者針對Er,Yb:YAB激光晶體的結構設計和熱分布分析做了較為細致的工作，實現了1.5 μm單縱模激光輸出，功率達到755 mW。

山西大學量子光學與光量子器件國家重點實驗室張寬收教授課題組與中科院福建物質結構研究所黃藝東教授課題組合作，采用后者研發(fā)的鉺鐿共摻三硼酸鋁釔（Er,Yb:YAB）晶體作為激光增益介質，采用鉍鐵石榴石（BIG）磁光晶體制作光學單向器，開展了低噪聲光通信波段激光光源的研制。

作者精確測量了藍寶石-Er,Yb:YAB-藍寶石薄片和BIG磁光晶體的熱透鏡焦距，設計了穩(wěn)定運轉的四鏡環(huán)形諧振腔；通過設計雙端面、偏振選擇的抽運結構，提高了可注入激光晶體的抽運功率、降低了激光晶體的熱效應。在此基礎上，實現了功率達755 mW、強度噪聲達到散粒噪聲極限的連續(xù)波單頻1.5 μm激光運轉。

激光器結構如圖１所示，包括973 nm激光二極管（LD）、泵浦整形系統(tǒng)（f1、f2、f3、f4）、泵浦分束器（PBS、HWP1）、藍寶石-Er,Yb:YAB-藍寶石薄片（Composite gain medium）、光學單向器（BIG、HWP2)、諧振腔鏡（M1、M2、M3、M4）。所用Er,Yb:YAB晶體沿a 軸切割，Er離子摻雜濃度為1.1 at.%，Yb離子摻雜濃度為25 at.%，晶體長度為2 mm。

圖1 全固態(tài)單向行波環(huán)形腔連續(xù)波單頻1.5 μm激光器實驗裝置示意圖

藍寶石-Er,Yb:YAB-藍寶石三明治薄片的熱透鏡焦距隨泵浦功率的變化關系如圖2所示，通過采用雙端端面偏振選擇抽運技術以及藍寶石雙端面制冷激光晶體，在抽運功率為4.5 W時，藍寶石-Er,Yb:YAB-藍寶石薄片的熱焦距(圖中黑色數據點)為78.2 mm，比σ偏振單端端面抽運的藍寶石-Er,Yb:YAB薄片的熱透鏡焦距(圖中紅色數據點)大1.7倍。在抽運功率為11.7 W時，藍寶石-Er,Yb:YAB-藍寶石薄片的熱焦距為36.5 mm。相比單端端面抽運結構，雙端端面偏振選擇抽運結構有效增加了激光晶體的熱透鏡焦距。

圖2 藍寶石-Er,Yb:YAB-藍寶石薄片的熱透鏡焦距

根據實驗測得的藍寶石-Er,Yb:YAB-藍寶石激光晶體和BIG磁光晶體的熱透鏡焦距，設計研制了如圖1所示的四鏡環(huán)形諧振腔。在抽運功率為11.7 W時，獲得了功率為755 mW的連續(xù)波單頻1.5 μm激光運轉（圖3），使用波長計測得激光中心波長為1531.00 nm，使用光束質量分析儀測得激光的光束質量M2因子為Mx2=1.58，My2=1.97。測得2小時內1.5 μm激光的功率波動小于±1.2 %，1.5 μm激光的強度噪聲在分析頻率大于5 MHz的范圍達到散粒噪聲極限（圖4）。

圖3 1.5 μm激光的輸出特性

圖4 連續(xù)波單頻1.5 μm激光的強度噪聲譜

2013年，山西大學的李淵驥等報道了基于雙標準具選模技術的400 mW連續(xù)波單頻1.55 μm激光器。2019年，山西大學的朱海瑞等報道了基于扭擺模腔選模技術的連續(xù)波單頻可調諧1.542 μm激光器，最高輸出功率可達420 mW。本次報道的基于單向行波環(huán)形腔選模技術的連續(xù)波單頻1.53 μm激光器，輸出功率達755 mW，為該類激光器目前已實現的最高功率，相比之前的報道，1.5 μm連續(xù)波單頻激光輸出功率提高了40%。

目前正在進行該激光器的進一步性能優(yōu)化和儀器化制備，并將應用于該課題組正在開展的小型化光通信波段量子光源的研制中。