宗慶霜，卞 奇，馬浩達(dá)，楊 林，左軍衛(wèi)，薄 勇*，彭欽軍

（1.中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所，北京100190；2.中國(guó)科學(xué)院 固體激光重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100190）

引 言

望遠(yuǎn)鏡是對(duì)人類歷史進(jìn)程影響最大的科學(xué)儀器之一?？捎糜谔剿饔钪嫫鹪?、暗物質(zhì)和暗能量特性等自然科學(xué)重大基本問(wèn)題的大口徑地基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡正在迅速發(fā)展［1-2］。然而，大氣永不停息的湍流擾動(dòng)像水面的波紋一樣惡化成像質(zhì)量，使望遠(yuǎn)鏡觀察天體時(shí)，產(chǎn)生時(shí)／空隨機(jī)光學(xué)成像誤差，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間曝光后獲得的星空?qǐng)D像就會(huì)非常模糊。早在17世紀(jì)，牛頓就最早認(rèn)識(shí)到這個(gè)問(wèn)題，然而長(zhǎng)期以來(lái)未能解決；直到200多年后的1953年，美國(guó)天文學(xué)家BABCOCK首先提出可以采用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)校正大氣擾動(dòng)，并在1978年首次實(shí)現(xiàn)。采用自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行圖像校正時(shí)，需要有導(dǎo)引星（稱為信標(biāo)），以其發(fā)射的光信號(hào)波前作為參考源來(lái)探測(cè)大氣湍流，并向可變形反射鏡提供反饋，以便補(bǔ)償這種由湍流等引起的圖像失真，實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測(cè)目標(biāo)的成像校正［3-5］。鈉信標(biāo)是利用海拔80km～100km高的大氣電離層的鈉原子對(duì)589nm波長(zhǎng)黃激光的共振熒光背向散射信號(hào)［6-8］，是自適應(yīng)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的理想信標(biāo)。目前，鈉信標(biāo)激光器的研制主要有5種方法。第1種是染料激光器，它可以直接發(fā)射在589nm［9-10］。20世紀(jì)80年代末和90年代，在美國(guó)夏威夷、加利福尼亞和西班牙，利用染料激光技術(shù)產(chǎn)生了第1顆鈉激光導(dǎo)引星。然而，由于裝置體積龐大、可靠性差、耗電量大，這種染料激光器逐漸被取代。21世紀(jì)發(fā)展起來(lái)的固體激光器作為第2代鈉信標(biāo)激光器，通?；?064nm和1319nm Nd∶YAG激光器和頻來(lái)獲得589nm激光［11-13］，這種固體激光技術(shù)相比染料激光器更加清潔、但其系統(tǒng)仍然較龐大復(fù)雜。近年來(lái)，光纖激光器正在成為一個(gè)具有競(jìng)爭(zhēng)力的589nm鈉信標(biāo)激光器候選者，這種激光器技術(shù)通常有兩種方法：一種是基于938nm和1583nm光纖激光器的和頻產(chǎn)生［14］；另一種是基于1178nm喇曼光纖的2次諧波產(chǎn)生［15］。并且，這種固有的緊湊、高效的光纖激光器技術(shù)開(kāi)發(fā)的第3代鈉激光器，成為迄今為止唯一商用的鈉導(dǎo)星激光系統(tǒng)。光纖鈉激光器正在或即將在3個(gè)天文望遠(yuǎn)鏡和兩個(gè)空間監(jiān)測(cè)站部署。但這些系統(tǒng)安裝到望遠(yuǎn)鏡上仍然相對(duì)較大，而且購(gòu)買和維護(hù)成本仍然很高。因此，為了自適應(yīng)光學(xué)-鈉導(dǎo)引星激光源更實(shí)用的解決方案，新一代具有體積小、質(zhì)量輕、效率高、可靠性高、成本低、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)的589nm鈉信標(biāo)激光器正在不斷被開(kāi)發(fā)。隨著新的激光技術(shù)和激光材料的不斷發(fā)展，基于半導(dǎo)體技術(shù)的光抽運(yùn)垂直外腔面發(fā)射激光器（optical pumping vertical external cavity semiconductor emitting laser，OP-VECSEL）和摻Dy3+晶體作為增益介質(zhì)直接發(fā)射589nm激光的固體激光器被認(rèn)為可能是第4代鈉信標(biāo)激光器的發(fā)展方向。

本文中介紹了589nm OP-VECSEL和摻Dy3+晶體作為增益介質(zhì)直接發(fā)射589nm激光的固體激光器的原理及特性，并綜述了其最新研究進(jìn)展及應(yīng)用。

1 589nm OP-VECSEL

1.1 OP-VECSEL基本原理

OP-VECSEL結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其主要由增益芯片、熱沉、耦合輸出鏡、抽運(yùn)光組成。圖1為典型的OP-VECSEL示意圖。抽運(yùn)光反向注入且與輸出光成一定夾角φ，實(shí)驗(yàn)中通常φ≤45°聚焦到增益芯片上，因?yàn)槿绻嵌忍髸?huì)使得抽運(yùn)光斑形狀不好、不均勻，所以在不遮擋激光振蕩的前提下，φ角度盡可能的小。其增益芯片為頂發(fā)射結(jié)構(gòu)，如圖1放大部分所示，主要分為4個(gè)部分：即窗口層、量子阱有源區(qū)、分布式布喇格反射鏡和襯底，可利用分子束外延技術(shù)或金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積技術(shù)在襯底上逐層生長(zhǎng)而形成。考慮到OPVECSEL運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的散熱問(wèn)題，增益芯片的帽層通常要與熱導(dǎo)率高的導(dǎo)熱片鍵合，如光學(xué)金剛石片、光學(xué)SiC片、藍(lán)寶石片等。

圖1 OP-VECSEL裝置示意圖

1.2 589nm OP-VECSEL研究現(xiàn)狀

半導(dǎo)體激光器具有體積小、效率高、質(zhì)量輕、易集成、波長(zhǎng)范圍廣、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)［16］，因而，自20世紀(jì)70年代初實(shí)現(xiàn)室溫連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)以來(lái)，半導(dǎo)體激光器成為了光電子技術(shù)領(lǐng)域的重要器件。但半導(dǎo)體激光器也存在一些不足：邊發(fā)射型半導(dǎo)體激光器可提供較大發(fā)射功率，但其輸出光斑為橢圓形，光斑的縱橫比最差時(shí)可達(dá)100∶1，快軸發(fā)散角約50°～60°，慢軸發(fā)散角約8°～10°，在一些應(yīng)用中須附加光束整形系統(tǒng)。20世紀(jì)80年代，垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器（vertical cavity semiconductor emitting laser，VCSEL）的出現(xiàn)引起了人們極大的興趣，與傳統(tǒng)的邊發(fā)射激光器不同，其激光出射方向垂直于襯底表面［17］，可獲得圓形光斑，閾值低、容易實(shí)現(xiàn)2維陣列等優(yōu)點(diǎn)，在光通信、光互連、光存儲(chǔ)、醫(yī)療激光顯示和科學(xué)研究等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。雖然VCSEL具有理想的圓形光束，但在單橫模下工作很難達(dá)到大功率。因此，為克服上述缺點(diǎn)，進(jìn)一步提高半導(dǎo)體激光器的性能一直是激光研究領(lǐng)域重要的課題之一。1997年，KUZETSOV［18］首次提出了光抽運(yùn)垂直外腔面發(fā)射激光器的想法，它綜合了高光束質(zhì)量的VCSEL和高功率激光二極管抽運(yùn)的固體激光器的優(yōu)勢(shì)，可同時(shí)獲得高功率和高光束質(zhì)量的激光輸出，覆蓋從可見(jiàn)光到近紅外波段的廣闊波段，并且由于其外腔的存在，還可方便地實(shí)現(xiàn)高效率的激光腔內(nèi)頻率轉(zhuǎn)換，是一種新型實(shí)用的半導(dǎo)體激光光源。尤其是腔內(nèi)倍頻的OP-VECSEL技術(shù)，近幾年發(fā)展迅速，成為新型鈉信標(biāo)激光器件研究領(lǐng)域的和熱點(diǎn)，其典型的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖2所示。包括1178nm增益芯片、抽運(yùn)源、高反鏡、耦合輸出鏡、倍頻晶體（LBO等非線性晶體）以及用以選波長(zhǎng)和壓窄線寬的法布里-珀羅（F-P）標(biāo)準(zhǔn)具和雙折射濾波片。為了方便進(jìn)行比較，表1中提供了該方法目前的研究情況，報(bào)告了激光系統(tǒng)中相應(yīng)的研究結(jié)果。

圖2 腔內(nèi)倍頻OP-VECSEL實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

表1 589nm VECSEL的發(fā)展情況

2003年，德國(guó)烏爾姆大學(xué)的GERSTER等人［19］基于GaAsSb／GaAs光抽運(yùn)垂直外腔面發(fā)射激光器，將InGaAs的波長(zhǎng)擴(kuò)展到更長(zhǎng)的波長(zhǎng)，至少涵蓋1100nm～1300nm。同時(shí)，首次報(bào)道了倍頻黃光 GaAsSb／GaAs OP-VECSEL。在連續(xù)波運(yùn)行中，當(dāng)805nm抽運(yùn)光功率為2.1W時(shí)，他們獲得了最大功率為15mW的TEM00模式運(yùn)轉(zhuǎn)的589nm二次諧波輸出，并進(jìn)行了與鈉原子吸收光譜共振的初步驗(yàn)證。2007年，MOLONEY等人［20］基于微觀設(shè)計(jì)的基本原理，開(kāi)發(fā)了一種高功率1178nm的 OP-VECSEL。室溫時(shí)，最高輸出功率為7W，相應(yīng)斜效率為31%，光束質(zhì)量因子M2＝1.43。并且通過(guò)使用雙折射濾波器，可將波長(zhǎng)鎖定在1178nm，同時(shí)將該OP-VECSEL與腔內(nèi)倍頻相結(jié)合，將產(chǎn)生瓦級(jí)589nm鈉信標(biāo)激光，用于自適應(yīng)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。2008年，美國(guó)亞利桑那大學(xué)的FAN等人［21］報(bào)道了一個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊、低損耗的InGaAs-GaAs可調(diào)諧腔內(nèi)倍頻黃光OP-VECSEL，通過(guò)三硼酸鋰（LiB3O5，LBO）晶體腔內(nèi)倍頻，實(shí)現(xiàn)了輸出功率超過(guò)2.5W波長(zhǎng)為589nm的激光運(yùn)轉(zhuǎn)，相應(yīng)的光光轉(zhuǎn)換效率為 15%，并且波長(zhǎng)從575nm～595nm可調(diào)諧。同年，該團(tuán)隊(duì)的FALLAHI等人將808nm抽運(yùn)光的光斑由280μm增大到500μm，從而增大了增益介質(zhì)的有效抽運(yùn)面積，使得最大輸出功率從2.5W提升到5W［22］，中心波長(zhǎng)為587nm，光譜覆蓋585nm～589nm區(qū)域，并首次提出這種緊湊型、低成本、高穩(wěn)定性的半導(dǎo)體激光器為研制鈉導(dǎo)引星激光器提供了一個(gè)有前途的選擇。2009年，美國(guó)亞利桑那大學(xué)的KANEDA等人［23］通過(guò)LBO腔內(nèi)倍頻的OP-VECSEL，得到了一個(gè)輸出功率為2W、譜線寬度小于5MHz的589nm激光源。并指出，進(jìn)一步放大激光器輸出功率和穩(wěn)定波長(zhǎng)是鈉信標(biāo)激光器應(yīng)用的一種有吸引力的方法。2010年，芬蘭坦佩雷理工大學(xué)的LEINONEN等人［24］報(bào)道了一種窄線寬的GaInAsN黃光589nm OPVECSEL，他們采用腔內(nèi)雙折射濾光片進(jìn)行波長(zhǎng)選擇，用YAG標(biāo)準(zhǔn)具進(jìn)行線寬壓窄，并通過(guò)一類臨界相位匹配的BBO晶體腔內(nèi)倍頻，獲得了最大輸出功率為1.7W、線寬約20MHz的589nm激光。并且，在自由運(yùn)行的模式下，產(chǎn)生了超過(guò)6W的黃橙色激光，相應(yīng)地最大轉(zhuǎn)換效率為15.5%。隨后，該團(tuán)隊(duì)提出一種LBO晶體腔內(nèi)倍頻的GaInNAs／GaAs OP-VECSEL，獲得了輸出功率大于2W的589nm激光源，且實(shí)現(xiàn)線寬小于50MHz與鈉D2線共振的單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)，其輸出功率的進(jìn)一步提升主要受到可用抽運(yùn)光功率和光斑尺寸的限制［25］。2012年，美國(guó)亞利桑那大學(xué)的 HESSENIUS等人［26］設(shè)計(jì)了一種可調(diào)諧工作在 589nm左右的InGaAs／GaAs OP-VECSEL。并在腔內(nèi)插入雙折射濾波器、低精細(xì)Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具和倍頻晶體LBO，獲得了超過(guò)4W的589nm激光輸出，相應(yīng)轉(zhuǎn)換效率約16%，此時(shí)基頻1178nm的線寬小于10MHz。同時(shí)，通過(guò)腔內(nèi)兩個(gè)頻率選擇元件，他們對(duì)鈉D2和D1線進(jìn)行調(diào)諧和測(cè)量，證明了該OP-VECSEL是鈉信標(biāo)激光器等應(yīng)用的可行光源。同年，芬蘭坦佩雷理工大學(xué)的LEINONEN等人［27］采用β-BBO晶體作為倍頻晶體，通過(guò)二次諧波得到了輸出功率超過(guò)7.4W的590nm激光。并在OP-VECSEL諧振腔內(nèi)插入一類相位匹配的LBO晶體、標(biāo)準(zhǔn)具和雙折射濾波片，實(shí)現(xiàn)了線寬小于20MHz、功率為1.7W的窄線寬589nm激光輸出。除此以外，同年美國(guó)相干公司BERGER等人［28］在808nm抽運(yùn)光功率為90W條件下，獲得了22W、589nm激光輸出，相應(yīng)的光光轉(zhuǎn)換效率為24%。該589nm OPVECSEL在x和y兩個(gè)方向上的光束質(zhì)量因子分別為1.02和1.00，并且x和y方向上的束腰直徑均為2.13mm。2013年，美國(guó)的ALFORD等人［29］利用 LBO倍頻晶體和Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具，獲得了高光束質(zhì)量輸出功率約為3W的TEM00模589nm黃光，并且相應(yīng)的線寬小于50MHz。2014年，芬蘭坦佩雷理工大學(xué)的KANTOLA等人［30］研制了一臺(tái) 20W 連續(xù)波運(yùn)轉(zhuǎn)585nm～590nm寬光譜黃光OP-VECSEL，光束質(zhì)量因子小于1.5，展示了OP-VECSEL在激光鈉信標(biāo)領(lǐng)域的巨大潛力；通過(guò)調(diào)諧波長(zhǎng)到589nm時(shí)，獲得的最大輸出功率10W，但激光器運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定。此外，該實(shí)驗(yàn)人員通過(guò)直接調(diào)制抽運(yùn)光，首次得到了81mW，570ns和149mW，1.08μs的脈沖激光輸出，由于受到電子系統(tǒng)和抽運(yùn)峰功率的調(diào)制能力限制，該激光器輸出脈沖寬度較短、功率較低。

由以上研究報(bào)道可知，腔內(nèi)倍頻的光抽運(yùn)垂直外腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器是有可能替代固體和光纖激光技術(shù)方案，但高功率運(yùn)轉(zhuǎn)還存在著熱效應(yīng)較為嚴(yán)重，光束質(zhì)量較差，且發(fā)射光譜較寬的問(wèn)題，需進(jìn)一步解決。

2 Dy3+晶體全固態(tài)激光器

2.1 Dy3+的光譜性質(zhì)

稀土摻雜的材料性能研究涉及到材料學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、電子學(xué)等多學(xué)科交叉領(lǐng)域，并廣泛應(yīng)用在激光、光纖通訊、光波導(dǎo)以及光纖放大器等方面。其中，Er3+，Tm3+，Pr3+，Ho3+等離子的紅外發(fā)光已得到深入的研究和一定的應(yīng)用［31-35］。與此同時(shí)，鏑離子（Dy3+）的電子結(jié)構(gòu)為［Xe］4f9，由于4f殼層未完全充滿，Dy3+的電子能級(jí)非常豐富，可以用于激光或光電材料的激活離子，并且其在可見(jiàn)光范圍內(nèi)有4F9／2→6H13／2能級(jí)躍遷，同時(shí)伴有黃光發(fā)射引起了人們極大的興趣，是最近研究比較熱門的一種稀土離子。

由于Dy3+離子特殊的電子結(jié)構(gòu)，Dy3+的4f電子層受到其外面5s2和5p6電子層的屏蔽，其受外界電磁場(chǎng)或配位場(chǎng)的影響較小，因而化合物中的Dy3+與自由狀態(tài)的Dy3+的吸收光譜相似，均為線狀光譜。圖3所示是Dy3+離子的能級(jí)示意圖。包括一組能級(jí)6HJ（J＝15／2到5／2）和6FJ（J＝11／2到1／2），波數(shù)范圍延續(xù)到14000cm-1；而后是波數(shù)寬度達(dá)21000cm-1的能隙，能隙上方是緊密排布的另一組能級(jí)，包括4F，4I，4G，4M，4K，4D等能級(jí)，一直延續(xù)到紫外光區(qū)域，其最下方為亞穩(wěn)態(tài)的4F9／2。二組能級(jí)之間的寬帶隙使得能級(jí)4F9／2不能夠發(fā)生多聲子弛豫，當(dāng)Dy3+的濃度較低時(shí)，其熒光壽命達(dá)到其輻射壽命，為毫秒級(jí)別。能級(jí)4F9／2可以發(fā)射不同波長(zhǎng)的光，主要包括黃色光（向6H13／2躍遷）、藍(lán)色光（向6H15／2躍遷）和紅色光（向6H11／2躍遷）。

圖3 Dy3+能級(jí)圖

2.2 摻Dy3+晶體的研究現(xiàn)狀

目前的全固態(tài)鈉信標(biāo)激光器面臨著一個(gè)嚴(yán)峻的問(wèn)題，其鈉信標(biāo)激光的產(chǎn)生依賴于通過(guò)紅外激光的非線性頻率轉(zhuǎn)換方式實(shí)現(xiàn)。一方面，非線性轉(zhuǎn)換過(guò)程中基頻光模式競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致激光輸出功率的穩(wěn)定性較差、光束質(zhì)量不佳；另一方面，系統(tǒng)的復(fù)雜程度直接導(dǎo)致了激光器的體積較大，從而對(duì)激光器的可靠性造成了嚴(yán)重的影響。因此，近些年來(lái)，能夠通過(guò)某種材料直接激發(fā)出鈉信標(biāo)激光的研究越來(lái)越受到重視。有機(jī)染料、有機(jī)無(wú)機(jī)雜化晶體、摻稀土離子的晶體等是這類材料的主要研究方向。但因?yàn)槿玖喜牧媳旧淼奈锘匦圆环€(wěn)定，其激光器體積龐大、可靠性差、同時(shí)需要復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)做支持，這些限制了染料激光器的發(fā)展。2004年，印度科學(xué)家ELIZEBETH等人［36］對(duì)摻Dy3+的有機(jī)無(wú)機(jī)雜化晶體進(jìn)行了深入的研究，首次合成了GdDy（C204）3nH20晶體。通過(guò)光譜分析，發(fā)現(xiàn)晶體中的 Dy3+離子對(duì)應(yīng)的4F9／2→6H13／2的能級(jí)躍遷可以產(chǎn)生572nm的熒光。由于激光介質(zhì)的吸收峰在紫外波段附近，當(dāng)時(shí)技術(shù)很難滿足。但由此，Dy3+離子的光譜特性和激光特性引起了激光科研人員的關(guān)注，開(kāi)始嘗試在無(wú)機(jī)基質(zhì)晶體中摻入Dy3+稀土離子，研究新型激光介質(zhì)的特性。這種根據(jù)摻Dy3+激光介質(zhì)的特殊能級(jí)結(jié)構(gòu)，采用半導(dǎo)體激光抽運(yùn)的方式，直接獲得鈉信標(biāo)激光，無(wú)需進(jìn)行非線性頻率轉(zhuǎn)換，具有體積小、穩(wěn)定性好、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。為了便于比較，表2中提供了該Dy3+摻雜晶體作為增益介質(zhì)直接發(fā)射589nm激光的國(guó)際及國(guó)內(nèi)的研究情況，包括該晶體及相應(yīng)激光器的研究結(jié)果。

表2 Dy3+摻雜晶體作為增益介質(zhì)的全固態(tài)激光器發(fā)展情況

國(guó)際上，美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室的BOWMAN等人［37］于2012年采用波長(zhǎng)為447nm的GaN藍(lán)光LD抽運(yùn)Dy3+∶YAG單晶，獲得了平均功率為150mW的583nm TEM00模黃激光輸出，斜效率為12%，單脈沖能量為0.29mJ，其輸出功率較低，主要受藍(lán)光LD亮度的限制。且該激光器有可能運(yùn)轉(zhuǎn)在576nm～591nm范圍內(nèi)的幾個(gè)尖峰躍遷上，分析計(jì)算得出，在582.7nm處，最強(qiáng)躍遷的發(fā)射截面為4.1×10-21cm2。2013年，德國(guó)漢堡大學(xué)的METZ等人［38］采用450nm LD抽運(yùn)Dy3+∶LiLuF4晶體，在抽運(yùn)功率約350mW時(shí)，獲得了約7mW的578nm黃激光輸出，其斜坡效率為4%。2014年，意大利國(guó)家計(jì)量研究所的BOLOGNESI等人［39］制備了Dy3+-Tb3+共摻的LiLuF4晶體，并用波長(zhǎng)為450nm的InGaN藍(lán)色 LD作為抽運(yùn)源，利用 Dy3+的4F9／2→6H13／2（560nm～590nm）躍遷得到574nm的激光輸出。閾值抽運(yùn)功率為320mW，當(dāng)抽運(yùn)光功率約為730mW，獲得了最大連續(xù)輸出功率55mW，相應(yīng)的斜效率為13.4%。

國(guó)內(nèi)研究中，2010年，中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)所的WANG等人［40］利用柴氏拉晶法制備了Dy3+∶Gd3Ga5O12（Dy∶GGG）晶體。在353nm激光抽運(yùn)下，室溫下測(cè)量了該晶體的熒光光譜。位于可見(jiàn)光區(qū)，在581nm（560nm～600nm）處觀察到一條強(qiáng)烈的熒光帶，對(duì)應(yīng)于4F9／2→6H13／2躍遷。并測(cè)得 Dy∶GGG晶體中Dy3+離子該躍遷的室溫?zé)晒鈮勖鼮?0.79ms，4F9／2能級(jí)的熒光量子效率為71.4%。此外，在波長(zhǎng)為581nm估算得到4F9／2→6H13／2躍遷的峰值發(fā)射截面約為 2.62×10-21cm2。2012年，淮南師范大學(xué)的 ZHAO等人［41］也采用該技術(shù)制備了 Dy3+∶LiLa（MoO4）2晶體，并評(píng)估其在藍(lán)紫或近紫外半導(dǎo)體激光器抽運(yùn)下直接產(chǎn)生黃色激光的潛力。對(duì)于4F9／2→6H13／2的能級(jí)躍遷，可以產(chǎn)生560nm～590nm的熒光；其峰值發(fā)射截面在574nm，相應(yīng)的π和σ偏振的發(fā)射截面分別為2.16×10-20cm2和1.38×10-20cm2。2014年，中國(guó)科學(xué)研究福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所的WANG等人［42］同樣采用該柴氏拉晶技術(shù)，生長(zhǎng)了 Dy3+∶Ca3La2（BO3）4晶體，在室溫下對(duì)該晶體的偏振吸收、發(fā)射光譜和衰減壽命進(jìn)行了測(cè)量。575nm左右的熒光帶被測(cè)得在4F9／2→6H13／2的能級(jí)躍遷中，并計(jì)算得到在a，b，c 3個(gè)方向上的受激發(fā)射截面分別為 1.69×10-21cm2，2.05×10-21cm2，3.38×10-21cm2。同時(shí)，4F9／2→6H13／2躍遷的分支比最大，說(shuō)明這一躍遷應(yīng)主導(dǎo)發(fā)射光譜。其輻射和熒光壽命分別為700μs和628μs。2017年，摻 Dy3+的 Lu2Si2O7晶體由中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所的HUANG等人［43］利用柴氏拉晶法技術(shù)制得。對(duì)于E∥Y偏振，4F9／2→6H13／2躍遷在589nm下的發(fā)射截面高達(dá)1.27×10-21cm2。室溫下晶體的導(dǎo)熱系數(shù)為9.46W·m-1·K-1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Dy3+∶Lu2Si2O7晶體是一種很有前途的固態(tài)589nm激光器增益介質(zhì)。

綜上所述，雖然至今未有半導(dǎo)體抽運(yùn)摻Dy3+晶體的鈉信標(biāo)激光器的相關(guān)報(bào)道，但半導(dǎo)體抽運(yùn)摻Dy3+晶體的黃光激光已被證實(shí)，并且已制備出直接輻射589nm譜線的摻Dy3+激光增益介質(zhì)。

3 結(jié)束語(yǔ)

OP-VECSEL相比固體和光纖激光器的技術(shù)方案，具有體積小、效率高等優(yōu)越性，應(yīng)用在鈉信標(biāo)激光技術(shù)研究，是最有發(fā)展前景的鈉信標(biāo)激光源之一。但是，半導(dǎo)體激光器高功率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)熱效應(yīng)嚴(yán)重，光束質(zhì)量較差，且發(fā)射光譜較寬，難以滿足產(chǎn)生高亮度鈉導(dǎo)引星要求。因此，如何保證半導(dǎo)體激光器在高功率運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)，具有較好的激光光束質(zhì)量和較窄的激光線寬，是目前亟需解決的科學(xué)技術(shù)問(wèn)題。另一方面，對(duì)于半導(dǎo)體抽運(yùn)摻Dy3+晶體的鈉信標(biāo)激光器，雖然至今沒(méi)見(jiàn)報(bào)道過(guò)，但摻Dy3+晶體作為增益介質(zhì)直接發(fā)射589nm激光的新晶體正在不斷地被探索。對(duì)于上述摻Dy3+激光增益介質(zhì)的研究，無(wú)論是從學(xué)術(shù)科研角度還是從工程應(yīng)用角度，都具有很重要的意義。采用半導(dǎo)體抽運(yùn)摻Dy3+激光介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)鈉信標(biāo)激光輸出，可從根本上解決困擾全固態(tài)鈉信標(biāo)激光器穩(wěn)定性、體積等問(wèn)題，為鈉信標(biāo)激光器的進(jìn)一步發(fā)展提供了另一種可能性。