中紅外（2-5μm）波段激光因同時位于大氣窗口區(qū)和分子指紋區(qū)，在大氣遙感、光譜學(xué)分析、醫(yī)療診斷、光通訊及直接紅外對抗等領(lǐng)域具有應(yīng)用價值。在實現(xiàn)中紅外激光輸出的多種手段中，基于稀土離子（Tm3+和Ho3+）摻雜的釔/镥鋁石榴石和過渡金屬離子摻雜的II-VI化合物（TM2+:II-VI）增益材料的固體激光器具有重要作用。近日，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員李江帶領(lǐng)的透明與光功能陶瓷研究團隊，制備了新型的高質(zhì)量4at%Tm:LuAG陶瓷透明，并與德國馬克斯伯恩非線性光學(xué)研究所合作，在國際上首次實現(xiàn)了Tm:LuAG陶瓷的2022nm連續(xù)激光輸出0.83W（泵浦源：787nm鈦寶石激光），斜率效率高達61%（輸出耦合鏡透過率TOC=5%），可調(diào)諧激光波長范圍為1808~2073nm。與哈爾濱工業(yè)大學(xué)合作，研究團隊研制的0.8at%Ho:LuAG陶瓷實現(xiàn)了2100.7nm連續(xù)激光輸出2.67W（泵浦源：1907.5nm Tm:YLF激光），斜率效率26.5%（國際報道最高值），光束質(zhì)量M2=1.1。

　　稀土離子（Tm3+和Ho3+）摻雜的釔/镥鋁石榴石透明陶瓷具有良好理化性能和光譜特性，是綜合性能優(yōu)異的2μm固體激光增益介質(zhì)。研究團隊制備了高質(zhì)量的Tm:YAG和Ho:YAG透明陶瓷，并與德國馬克斯伯恩非線性光學(xué)研究所合作實現(xiàn)了高性能連續(xù)激光輸出。采用連續(xù)鈦寶石激光器為泵浦源，Tm:YAG陶瓷實現(xiàn)2μm波段SESAM鎖模激光輸出，脈沖寬度3ps，重復(fù)頻率89MHz下的平均輸出功率約為150mW。采用1.9μm Tm光纖激光同帶泵浦Ho:YAG陶瓷，實現(xiàn)了2090.4nm和2094.0nm連續(xù)激光輸出，斜率效率高達88%和83%。利用半導(dǎo)體可飽和吸收鏡（SESAM）, 實現(xiàn)了Ho:YAG陶瓷在2059nm至2121nm范圍內(nèi)的穩(wěn)定鎖模運轉(zhuǎn)。研究團隊在新型Tm/Ho:LuAG激光陶瓷方向的突破，進一步拓寬了高性能中紅外激光材料的選擇范疇。

　　采用過渡金屬離子摻雜的II-VI化合物多晶陶瓷作為增益介質(zhì)的固體激光器，具有超寬帶調(diào)諧、高量子效率等優(yōu)勢，以及實現(xiàn)高功率、高能量中紅外激光輸出的潛力。同時，由于Cr2+/Fe2+:II-VI等材料無激發(fā)態(tài)吸收，其理論品質(zhì)因子(FOM值)無限大，也可用作中紅外被動調(diào)Q激光器的可飽和吸收體。研究團隊采用熱擴散法，制備了高光學(xué)質(zhì)量的Cr:ZnS/ZnSe透明陶瓷材料，并與哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授姚寶權(quán)團隊合作，Cr:ZnSe陶瓷增益介質(zhì)實現(xiàn)了室溫下最高功率為418mW，斜率效率12.8%的連續(xù)激光輸出。以Cr:ZnS作為被動調(diào)Q的可飽和吸收體，實現(xiàn)了Ho:YAP、Ho:LuAG等激光器的窄脈寬、高功率的PQS激光輸出。

　　與沉積熱擴散法相比，陶瓷制備方法可避免TM:ZnS/ZnSe中摻雜劑與基質(zhì)在高溫下的共熔，實現(xiàn)摻雜離子的均勻分布，易于實現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計進行更好的熱管理。此外，陶瓷具有更優(yōu)異的力學(xué)性能和抗熱震性，制備工藝簡單、成本低、可規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點。研究團隊采用濕化學(xué)法合成了Fe2+:ZnS納米粉體，再采用熱壓燒結(jié)結(jié)合熱等靜壓燒結(jié)后處理工藝制備了高光學(xué)質(zhì)量的Fe2+:ZnS透明陶瓷，樣品在2.0μm處透過率為~45%，5.0μm處透過率為~70%。這是目前已報道的光學(xué)質(zhì)量最優(yōu)的熱壓Fe2+:ZnS透明陶瓷。

　　研究工作得到國家自然科學(xué)基金面上項目、中科院前沿科學(xué)重點研究計劃項目等的資助。