姚子健, 李渊骥, 宋政, 冯晋霞, 张宽收. 基于全固态单向行波环形腔的连续波单频1.5 μm激光器[J]. 中国激光, 2021,48(05): 0501010

总编评论：

近年来，低噪声、高功率、光通信波段激光光源已成为前沿科学研究中非常重要的研究工具，在量子通信、量子精密测量、光频标长距离实时比对等技术中应用需求不断提升。作者针对Er,Yb:YAB激光晶体的结构设计和热分布分析做了较为细致的工作，实现了1.5 μm单纵模激光输出，功率达到755 mW。

山西大学量子光学与光量子器件国家重点实验室张宽收教授课题组与中科院福建物质结构研究所黄艺东教授课题组合作，采用后者研发的铒镱共掺三硼酸铝钇（Er,Yb:YAB）晶体作为激光增益介质，采用铋铁石榴石（BIG）磁光晶体制作光学单向器，开展了低噪声光通信波段激光光源的研制。

作者精确测量了蓝宝石-Er,Yb:YAB-蓝宝石薄片和BIG磁光晶体的热透镜焦距，设计了稳定运转的四镜环形谐振腔；通过设计双端面、偏振选择的抽运结构，提高了可注入激光晶体的抽运功率、降低了激光晶体的热效应。在此基础上，实现了功率达755 mW、强度噪声达到散粒噪声极限的连续波单频1.5 μm激光运转。

激光器结构如图１所示，包括973 nm激光二极管（LD）、泵浦整形系统（f1、f2、f3、f4）、泵浦分束器（PBS、HWP1）、蓝宝石-Er,Yb:YAB-蓝宝石薄片（Composite gain medium）、光学单向器（BIG、HWP2)、谐振腔镜（M1、M2、M3、M4）。所用Er,Yb:YAB晶体沿a 轴切割，Er离子掺杂浓度为1.1 at.%，Yb离子掺杂浓度为25 at.%，晶体长度为2 mm。

图1 全固态单向行波环形腔连续波单频1.5 μm激光器实验装置示意图

蓝宝石-Er,Yb:YAB-蓝宝石三明治薄片的热透镜焦距随泵浦功率的变化关系如图2所示，通过采用双端端面偏振选择抽运技术以及蓝宝石双端面制冷激光晶体，在抽运功率为4.5 W时，蓝宝石-Er,Yb:YAB-蓝宝石薄片的热焦距(图中黑色数据点)为78.2 mm，比σ偏振单端端面抽运的蓝宝石-Er,Yb:YAB薄片的热透镜焦距(图中红色数据点)大1.7倍。在抽运功率为11.7 W时，蓝宝石-Er,Yb:YAB-蓝宝石薄片的热焦距为36.5 mm。相比单端端面抽运结构，双端端面偏振选择抽运结构有效增加了激光晶体的热透镜焦距。

图2 蓝宝石-Er,Yb:YAB-蓝宝石薄片的热透镜焦距

根据实验测得的蓝宝石-Er,Yb:YAB-蓝宝石激光晶体和BIG磁光晶体的热透镜焦距，设计研制了如图1所示的四镜环形谐振腔。在抽运功率为11.7 W时，获得了功率为755 mW的连续波单频1.5 µm激光运转（图3），使用波长计测得激光中心波长为1531.00 nm，使用光束质量分析仪测得激光的光束质量M2因子为Mx2=1.58，My2=1.97。测得2小时内1.5 µm激光的功率波动小于±1.2 %，1.5 µm激光的强度噪声在分析频率大于5 MHz的范围达到散粒噪声极限（图4）。

图3 1.5 μm激光的输出特性

图4 连续波单频1.5 µm激光的强度噪声谱

2013年，山西大学的李渊骥等报道了基于双标准具选模技术的400 mW连续波单频1.55 μm激光器。2019年，山西大学的朱海瑞等报道了基于扭摆模腔选模技术的连续波单频可调谐1.542 μm激光器，最高输出功率可达420 mW。本次报道的基于单向行波环形腔选模技术的连续波单频1.53 μm激光器，输出功率达755 mW，为该类激光器目前已实现的最高功率，相比之前的报道，1.5 μm连续波单频激光输出功率提高了40%。

目前正在进行该激光器的进一步性能优化和仪器化制备，并将应用于该课题组正在开展的小型化光通信波段量子光源的研制中。