【资讯】黄橙激光器创新方案：攻克热积累难题，实现性能飞跃

       波长位于565-595 nm的黄橙波段激光在天文观测、医学治疗和光遗传学等领域发挥了重要作用。589 nm黄光激光是激光钠导星系统的核心光源，在自适应光学技术校正大气湍流导致的波前畸变领域具有重要应用价值。577 nm黄光激光是眼底治疗仪的关键光源，具有氧合血红蛋白峰值吸收，眼内散射小、疼痛轻，叶黄素不吸收等特点，广泛应用于视网膜黄斑病变临床治疗。

       然而，全固态黄橙激光的产生面临极大挑战。受限于半导体材料能带结构，半导体激光二极管难实现黄橙激光，输出功率较低，产业化无望。蓝光半导体泵浦的Dy3+/Tb3+固体激光器能实现黄光激光，但波长调控难，转换效率较低。为了获得高功率黄光激光，目前主要采用非线性光学频率转换方案，包括Nd:YAG激光和频技术、受激拉曼-倍频级联转换技术等。这些方案虽然提升了激光输出功率，但也存在元器件多、体积大，成本高等问题。因此，发展新型激光产生技术，开发高集成、高功率和低成本的黄橙激光光源是激光产业应用的迫切需求。

       山东大学团队长期从事激光物理和激光技术研究，创新提出了声子耦合激光物理新机制，利用声子和电子之间的能量传递，实现激光波长拓展。前期研究中，已在Yb3+掺杂YCa4O(BO3)3（Yb:YCOB）晶体中实现了高功率的连续波黄光和橙光激光，输出功率突破瓦级。然而，与传统Yb3+激光相比，声子耦合激光的波长变长，量子亏损变大，产热增加，容易导致晶体开裂和激光器失效。

       为了解决这一问题，研究团队创新性地采用准连续波泵浦技术，通过周期性脉冲泵浦引入冷却间隔，有效抑制了Yb:YCOB晶体在激光运转过程中的热积累问题，解决了制约激光器功率提升的关键瓶颈。通过理论模拟和实验参数优化，找到了最优的泵浦占空比，成功实现了高效黄橙光输出。准连续565 nm黄光激光峰值功率达到125 W，单脉冲能量为4 mJ，光-光转换效率22.7%。准连续590 nm橙光激光器峰值功率达到102 W，单脉冲能量为2.4 mJ，光-光转换效率18.7%。

       成果发表在High Power Laser Science and Engineering 2025年第6期的文章(Ya Zhou, Fei Liang, Dazhi Lu, Yongguang Zhao, Haohai Yu, Huaijin Zhang. Quasi-continuous-wave diode-pumped microchip yellow–orange lasers with peak power over 100 W[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2025, 13(6): 06000e91)。

图1 Yb:YCOB晶体温度仿真和准连续泵浦参数优化

       该激光系统采用微片结构设计，Yb:YCOB晶体尺寸为3 mm×3 mm×6 mm，谐振腔直接镀在晶体输入和输出端面，具有集成度高、结构紧凑的优势。如图1所示，采用有限元法对Yb:YCOB晶体激光运转时的温场建模。仿真结果显示，黄光激光运转时，入射端面最高温度为314.6 K；橙光激光运转时，入射端面最高温度达到328.4 K。考虑晶体温度梯度和上能级粒子数累积两个影响激光功率的关键参数，通过数值计算方法找到了准连续波泵浦的最优参数区间（脉冲宽度、重复频率），可实现热管理效果最优。

图2 Yb:YCOB晶体黄橙激光产生示意图和光谱图

       基于以上理论分析，采用976 nm半导体激光器作为泵浦源，成功实现了准连续的565 nm黄光激光和590 nm橙光激光（图2）。在重复频率100 Hz和脉冲宽度40 μs的条件下，峰值功率达到125 W和102 W，性能刷新同类激光器世界纪录。测试显示，黄橙激光器功率稳定性优异（功率波动RMS<2%），在整个功率范围内光谱保持稳定，具有重要的应用前景。荧光染料激发证明，在同等入射功率下，590 nm橙光激光对Cyanine3.5染料的激发效率相比传统绿光激光器提升20倍以上，在流式细胞检测领域展现出重要应用潜力。

       这项工作演示了一种准连续波泵浦实现高功率黄橙激光的技术方案，为开发紧凑、高效、高性能的全固态黄橙激光器提供了新的技术路线。后续工作将进一步优化Yb:YCOB晶体的掺杂浓度，结合先进的谐振腔设计，实现更高功率且波长可调的高集成黄橙激光光源，推动其在生物医疗、激光显示等领域的产业化应用。

参考文献： 中国光学期刊网

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