摘要：作为一个在细胞检测学和大气光学领域有着较多实际应用的波段，橙光 (590-625 nm) 一直是激光器制造商和科研人员关注的重点。近年来，利用固态材料激发产生橙光却一直面临着诸多技术挑战，尤其是在关注高功率激发、光束质量以及偏振调控等方面。近日，一支由法国卡昂

作为一个在细胞检测学和大气光学领域有着较多实际应用的波段，橙光 (590-625 nm) 一直是激光器制造商和科研人员关注的重点。近年来，利用固态材料激发产生橙光却一直面临着诸多技术挑战，尤其是在关注高功率激发、光束质量以及偏振调控等方面。近日，一支由法国卡昂大学CIMA实验室和Oxxius公司研究人员所组成的研发团队，以“Diode-pumped orange Sm:LiYF4 lasers emitting at 605 nm”为题，在Optics Express上发表其最新研究成果：利用蓝光激光二极管泵浦掺杂锂钇氟化物，首次实现了605 nm橙色连续光的输出。

橙光，助力人类探索星海奥秘的船桨

当我们在晴朗天气的夜晚里仰望星空时，能够清晰看到那些遥远但浩如烟海的星体和星系；那些来自远方星辰的光线，在穿越地球大气层时，会发生不可预知的折射、散射或扭曲。在天文学研究领域中，这种因大气湍流引起的误差，会严重影响到天体的观测精度。为消除这种误差，科学家们尝试过将望远镜发射升空，在真空环境中工作，但这种方法经济成本颇高。近年来，一种具有高分辨精度，制备成本却更低的技术：自适应光学应运而生。

图1 被安装在欧洲南方天文台甚大望远镜上的自适应光学系统

(图源：eso.org)

为使自适应光学设备顺利运作，科学家开始利用激光制造“导星”：向大气中发射橙色激光，橙光会与大气中的钠层（距地面约100 km）相互作用，产生一个可观测到的光点，以该点作为参照，实时调整光学系统中反射镜或校正镜，便能够抵消大气扭曲带来的影响。尽管已逐渐成为大型天文观测站的“标配”，但橙色激光器自身极高的技术复杂度和研制成本，仍令不少科研机构望而生畏。

图2 布设于欧洲南方天文台激光导星装置

（图源：eso.org）

当前产生橙色激光的技术方案，主要分为三种：1）拉曼激光器；2）倍频半导体碟片激光器；3）掺钐 (Sm3+) 离子激光器。随着研究的不断深入，研究人员发现：在多种技术方案中，因具备较宽的发射、吸收光谱，较高的量子效率和较长的发光寿命，Sm3+离子能够相对更好地实现橙光波段激光的激发。因此，通过设计、挑选该离子掺杂的光学晶体，并以直接泵浦的方式，实现橙色激光受激发射，成为了当下的主要研究思路。而近日法国研究团队所公布的研究成果，便正是基于掺Sm3+的四氟化钇锂 (LiYF4) 晶体搭建起来的。

打破橙光技术门槛的钇锂晶体：精挑细选，可堪大用

作为一种导热性能良好、宽带隙以及低声子能量的激光基质材料，LiYF4晶体自问世之日起就受到了较多的关注，而随着制造工艺流程的不断优化，LiYF4晶体的实际成本也得到了控制。可以说，LiYF4是一种极具“性价比”的增益介质基材，这也是其最终被选择作为被掺杂晶体的关键原因。具体的，在本文所介绍的工作中，该法国团队采用直拉法生长了Sm：LiYF4晶体。在正式将晶体耦合进激光器前，研究团队还对其吸收及发光特性做了细致的理论仿真，具体而言，该晶体在蓝光 (460-485 nm) 范围内有着较宽的吸收带，同时，对于1.1 at.% Sm3+的掺杂浓度而言，晶体4G5/2能级寿命高达4.02 ms此外，基于Füchtbauer-Ladenburg方程，得到该晶体具体的受激发射波段：604.8 nm，这也意味着：该晶体能够为橙色激光的振荡提供足够增益。

图3 掺杂浓度1.1 at.%的Sm：LiYF4晶体实物图：(a) 自然光照射；(b) UV灯下照射

当晶体制备及理论研究工作均已完成后，该团队设计了一个标准的固态振荡器结构，用于进行晶体的泵浦实验。如图4所示，该半球形振荡器由一块高反射 (HR, R＞99.9% @ 605nm) 泵浦镜及一组凹面输出耦合镜 (RoC = -50 mm) 组成，腔体的几何长度仅为49 mm。在泵浦的设计上，该团队提出了三种不同的技术方案：1) 倍频光泵浦半导体激光器 (2ω-OPSL)：输出功率1.3 W，波长479.1 nm，光束质量M2 ≈ 1.3；2) 光纤耦合的GaN激光二极管：输出功率13 W，波长范围464-467 nm，M2≈ 128; 3) 空间GaN激光二极管：输出功率5 W，波长465 nm，快慢轴M2因子分别为2.5和10.2。

图4 橙光激光器结构示意图：下方①-③号插图为不同的泵浦配置方式

完成振荡器的搭建后，该团队分别测试了不同泵浦方式下橙光的产生效率及参数状态，在2ω-OPSL泵浦下，输出激光中心波长为605 nm，输出功率达23.9 mW，斜率效率为9.4%，激光阈值为385 mW；通过调整输出耦合镜，还在648 nm处实现了红光激光输出，输出功率为2.7 mW，斜率效率为4%。该工作还测定了不同泵浦方式下1.1 at.% 浓度Sm：LiYF4晶体吸收效率：2ω-OPSL：20.3%；光纤耦合激光二极管：46%；空间激光二极管：26.2%。

图5 由GaN二极管泵浦的激光器：(a) 输入-输出关系曲线；(b) 不同输出耦合效率下的典型激光发射光谱

尽管已通过二极管泵浦的方案，产生了超过20 mW的橙色连续激光输出，但该团队表示，通过仔细调整Sm3+的掺杂浓度，该激光器的输出功率也将进一步提升。而正如Alain Braun及其同事在摘要中所写的那样，这项工作的先进性在于：“率先报道了由465 nm蓝光激光器直接泵浦的橙色掺钐激光器，也为紧凑型、低阈值二极管泵浦橙、红双色激光器的原理性验证工作，提供了可靠的参考”。

总结与展望

本文所介绍的工作，以理论仿真结合实验测试的方式，验证了蓝光半导体激光二极管直接泵浦Sm：LiYF4晶体以产生高质量橙色激光的可行性，为紧凑型、低阈值的可见光谱激光器提供了技术基础。这项研究不仅推动了可见光谱激光技术的发展，也为Sm3+离子在光电子器件中的应用开辟了新路径。未来，或许这种设计也将走近更多的天文观测站，为人类以更高精度观测星空，提供硬件支持与保障。

资讯来源：

参考文献：

1.Jonathan Demaimay, Pavel Loiko, Esrom Kifle, Florence Pau, Gilles Recoque, Abdelmjid Benayad, Thierry Georges, Patrice Camy, and Alain Braud, "Diode-pumped orange Sm: LiYF4 lasers emitting at 605 nm," Opt. Express33, 9412-9422 (2025).

长三角G60激光联盟陈长军转载

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来源：江苏激光联盟