发光级联效应——掺钕（Nd3?）光纤激光器在5.7 μm波长下发射的光泵浦机制

《Journal of Luminescence》：Luminescencent cascade – the pumping mechanism of Nd3+- doped fiber laser emitting at 5.7?μm

本文提出并验证了一种通过1.7μm光学激发实现4I11/2能级有效填充的新方法，首次在中红外波段（5.55-6.2μm）实现铽掺杂硒化物光纤激光器工作。实验采用自制Bi掺杂光纤激光器泵浦，通过光子级联过程在低浓度（10^19 cm?3）的Nd3+掺杂硒化物光纤中获得了连续激光输出。

　　

B.I. Galagan | M.V. Sukhanov | B.I. Denker | A.V. Kharakhordin | V.V. Koltashev | T.V. Kotereva | E.N. Lashmanov | A.S. Lobanov | V.G. Plotnichenko | S.E. Sverchkov | R.D. Blagin | A.P. Velmuzhov

俄罗斯科学院普罗霍罗夫普通物理研究所，Vavilov街38号，莫斯科，119991，俄罗斯

摘要

本文提出了一种新的方法来激发硒化物玻璃中Nd³⁺离子的 upper laser level ⁴I_11/2，并证明了其可行性。在约1.7 μm的波长下对⁴I_15/2能级进行光学激发能够引发一系列发光跃迁，从而有效地填充⁴I_11/2能级。同时，首次展示了Nd³⁺离子在硫属玻璃纤维中的中红外激光效应。

引言

近期，掺杂稀土元素的硒化物玻璃成为一类新型固态激光材料，其工作波长（λ > 4 μm）是氧化物和氟化物基材料无法实现的。这类玻璃的一个重要优势在于可以从中拉制出光纤。光纤结构便于实现连续波激光运行，并且能够产生高质量的光束。此前已在Tb、Ce和Pr掺杂的硫属玻璃光纤中验证了激光效应[[1], [2], [3], [4], [5]]。钕（Nd）也是一种适用于中红外激光的活性掺杂剂。图1显示了硒化物玻璃中Nd³⁺的吸收光谱及其低能级结构，图中还标出了相关的辐射跃迁过程。含有Nd³⁺的硒化物玻璃在2.3 ± 2.8 μm和4.4 ± 6.4 μm波长范围内具有强烈的发射带[6]。前者对应⁴I_15/2 → ⁴I_11/2和⁴I_13/2 → ⁴I_9/2跃迁，后者涉及三个跃迁（⁴I_11/2 → ⁴I_9/2、⁴I_13/2 → ⁴I_11/2和⁴I_15/2 → ⁴I_13/2）。在硒化物玻璃中，已经实现了基于⁴I_11/2 → ⁴I_9/2跃迁的激光发射[[6], [7], [8]]。Nd掺杂硒化物玻璃的激光波长覆盖了5.55 ± 6.2 μm的范围，这一可调谐范围有效补充了Ce³⁺和Tb³⁺激光的波长范围，使其成为迄今为止波长最长的玻璃激光器。所有提到的激光实验都是在长度为1-3厘米、Nd³⁺浓度较高的样品（约10²⁰ cm^?3）上进行的。这些研究中采用了不同的泵浦方式，并成功利用了活性离子间的非辐射相互作用来填充upper laser level ⁴I_11/2。在最早展示Nd³⁺中红外激光效应的论文[7]中，利用了Tb³⁺离子向Nd³⁺离子的非辐射能量转移；参考文献[8]则采用了低能级Nd³⁺之间的强交叉弛豫过程；而论文[6]描述了使用4.1 μm波长的Fe:ZnSe激光直接将能量泵入upper laser level ⁴I11/2的方法。

光纤制备与特性分析

光纤的制备与表征

关于光纤芯材和包层的玻璃合成工艺，详细信息见参考文献[10]。芯材选用了55Ge₂Se₃ – 45Sb₂Se₃成分；包层采用5Ge₂S₃ – 95As₂S₃成分。芯材的折射率（λ = 5 μm时为2.72）来源于参考文献[13]；包层的折射率（λ = 5 μm时为2.35）则是基于As₂S₃玻璃的折射率，并考虑了砷被锗部分替代的情况进行计算[14, 15]。

激光实验

激光实验

实验在室温及液氮温度下进行（详见图4所示方案）。实验中使用了一段长度为4米的活性光纤，该光纤被放置在一个可填充液氮的圆柱形泡沫容器（直径10厘米）中。活性光纤的一端与铋基光纤激光器实现了端到端的连接。 从硫属光纤另一端发出的光束经过泵浦截止滤光片（Edmund Optics红外长通滤光片，截止波长3.60 μm）后，被引导至相应的光学系统。

结论

结论

本文提出了一种新的方法来激发硒化物玻璃中Nd³⁺离子的 upper laser level ⁴I_11/2，并证明了其可行性。在约1.7 μm的波长下对⁴I_15/2能级进行光学激发能够引发一系列发光跃迁，从而有效地填充⁴I_11/2能级。同时，首次展示了Nd³⁺离子在硫属玻璃纤维中的中红外激光效应。

资金来源

俄罗斯科学基金会（编号：25-22-00552）。

作者贡献声明

B.I. Galagan：研究工作、数据可视化、撰写及审稿编辑。 M.V. Sukhanov：研究工作、资源提供、撰写及审稿编辑。 B.I. Denker：研究指导、撰写及审稿编辑。 A.V. Kharakhordin：资源协调。 V.V. Koltashev：研究工作、项目管理、数据可视化、撰写及审稿编辑。 T.V. Kotereva：研究工作。 E.N. Lashmanov：研究工作、资源提供。 A.S. Lobanov：研究工作、资源提供。 V.G. Plotnichenko：研究指导、撰写及审稿编辑。

利益冲突声明

利益冲突声明

作者声明：他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。