波長位于565-595 nm的黃橙波段激光在天文觀測、醫(yī)學治療和光遺傳學等領域發(fā)揮了重要作用。589 nm黃光激光是激光鈉導星系統(tǒng)的核心光源，在自適應光學技術校正大氣湍流導致的波前畸變領域具有重要應用價值。577 nm黃光激光是眼底治療儀的關鍵光源，具有氧合血紅蛋白峰值吸收，眼內(nèi)散射小、疼痛輕，葉黃素不吸收等特點，廣泛應用于視網(wǎng)膜黃斑病變臨床治療。

       然而，全固態(tài)黃橙激光的產(chǎn)生面臨極大挑戰(zhàn)。受限于半導體材料能帶結(jié)構，半導體激光二極管難實現(xiàn)黃橙激光，輸出功率較低，產(chǎn)業(yè)化無望。藍光半導體泵浦的Dy3+/Tb3+固體激光器能實現(xiàn)黃光激光，但波長調(diào)控難，轉(zhuǎn)換效率較低。為了獲得高功率黃光激光，目前主要采用非線性光學頻率轉(zhuǎn)換方案，包括Nd:YAG激光和頻技術、受激拉曼-倍頻級聯(lián)轉(zhuǎn)換技術等。這些方案雖然提升了激光輸出功率，但也存在元器件多、體積大，成本高等問題。因此，發(fā)展新型激光產(chǎn)生技術，開發(fā)高集成、高功率和低成本的黃橙激光光源是激光產(chǎn)業(yè)應用的迫切需求。

       山東大學團隊長期從事激光物理和激光技術研究，創(chuàng)新提出了聲子耦合激光物理新機制，利用聲子和電子之間的能量傳遞，實現(xiàn)激光波長拓展。前期研究中，已在Yb3+摻雜YCa4O(BO3)3（Yb:YCOB）晶體中實現(xiàn)了高功率的連續(xù)波黃光和橙光激光，輸出功率突破瓦級。然而，與傳統(tǒng)Yb3+激光相比，聲子耦合激光的波長變長，量子虧損變大，產(chǎn)熱增加，容易導致晶體開裂和激光器失效。

       為了解決這一問題，研究團隊創(chuàng)新性地采用準連續(xù)波泵浦技術，通過周期性脈沖泵浦引入冷卻間隔，有效抑制了Yb:YCOB晶體在激光運轉(zhuǎn)過程中的熱積累問題，解決了制約激光器功率提升的關鍵瓶頸。通過理論模擬和實驗參數(shù)優(yōu)化，找到了的泵浦占空比，成功實現(xiàn)了高效黃橙光輸出。準連續(xù)565 nm黃光激光峰值功率達到125 W，單脈沖能量為4 mJ，光-光轉(zhuǎn)換效率22.7%。準連續(xù)590 nm橙光激光器峰值功率達到102 W，單脈沖能量為2.4 mJ，光-光轉(zhuǎn)換效率18.7%。

       成果發(fā)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)。

圖1 Yb:YCOB晶體溫度仿真和準連續(xù)泵浦參數(shù)優(yōu)化

       該激光系統(tǒng)采用微片結(jié)構設計，Yb:YCOB晶體尺寸為3 mm×3 mm×6 mm，諧振腔直接鍍在晶體輸入和輸出端面，具有集成度高、結(jié)構緊湊的優(yōu)勢。如圖1所示，采用有限元法對Yb:YCOB晶體激光運轉(zhuǎn)時的溫場建模。仿真結(jié)果顯示，黃光激光運轉(zhuǎn)時，入射端面最高溫度為314.6 K；橙光激光運轉(zhuǎn)時，入射端面最高溫度達到328.4 K。考慮晶體溫度梯度和上能級粒子數(shù)累積兩個影響激光功率的關鍵參數(shù)，通過數(shù)值計算方法找到了準連續(xù)波泵浦的優(yōu)參數(shù)區(qū)間（脈沖寬度、重復頻率），可實現(xiàn)熱管理效果優(yōu)。

圖2 Yb:YCOB晶體黃橙激光產(chǎn)生示意圖和光譜圖

       基于以上理論分析，采用976 nm半導體激光器作為泵浦源，成功實現(xiàn)了準連續(xù)的565 nm黃光激光和590 nm橙光激光（圖2）。在重復頻率100 Hz和脈沖寬度40 μs的條件下，峰值功率達到125 W和102 W，性能刷新同類激光器世界紀錄。測試顯示，黃橙激光器功率穩(wěn)定性優(yōu)異（功率波動RMS<2%），在整個功率范圍內(nèi)光譜保持穩(wěn)定，具有重要的應用前景。熒光染料激發(fā)證明，在同等入射功率下，590 nm橙光激光對Cyanine3.5染料的激發(fā)效率相比傳統(tǒng)綠光激光器提升20倍以上，在流式細胞檢測領域展現(xiàn)出重要應用潛力。

       這項工作演示了一種準連續(xù)波泵浦實現(xiàn)高功率黃橙激光的技術方案，為開發(fā)緊湊、高效、高性能的全固態(tài)黃橙激光器提供了新的技術路線。后續(xù)工作將進一步優(yōu)化Yb:YCOB晶體的摻雜濃度，結(jié)合先進的諧振腔設計，實現(xiàn)更高功率且波長可調(diào)的高集成黃橙激光光源，推動其在生物醫(yī)療、激光顯示等領域的產(chǎn)業(yè)化應用。

參考文獻： 中國光學期刊網(wǎng)

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