波長(zhǎng)位于565-595 nm的黃橙波段激光在天文觀測(cè)、醫(yī)學(xué)治療和光遺傳學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。589 nm黃光激光是激光鈉導(dǎo)星系統(tǒng)的核心光源，在自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)校正大氣湍流導(dǎo)致的波前畸變領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。577 nm黃光激光是眼底治療儀的關(guān)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(diǎn)，廣泛應(yīng)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(dǎo)體材料能帶結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體激光二極管難實(shí)現(xiàn)黃橙激光，輸出功率較低，產(chǎn)業(yè)化無(wú)望。藍(lán)光半導(dǎo)體泵浦的Dy3+/Tb3+固體激光器能實(shí)現(xiàn)黃光激光，但波長(zhǎng)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(xué)頻率轉(zhuǎn)換方案，包括Nd:YAG激光和頻技術(shù)、受激拉曼-倍頻級(jí)聯(lián)轉(zhuǎn)換技術(shù)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(wèn)題。因此，發(fā)展新型激光產(chǎn)生技術(shù)，開(kāi)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(yīng)用的迫切需求。

       山東大學(xué)團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事激光物理和激光技術(shù)研究，創(chuàng)新提出了聲子耦合激光物理新機(jī)制，利用聲子和電子之間的能量傳遞，實(shí)現(xiàn)激光波長(zhǎng)拓展。前期研究中，已在Yb3+摻雜YCa4O(BO3)3（Yb:YCOB）晶體中實(shí)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(jí)。然而，與傳統(tǒng)Yb3+激光相比，聲子耦合激光的波長(zhǎng)變長(zhǎng)，量子虧損變大，產(chǎn)熱增加，容易導(dǎo)致晶體開(kāi)裂和激光器失效。

       為了解決這一問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地采用準(zhǔn)連續(xù)波泵浦技術(shù)，通過(guò)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(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的熱積累問(wèn)題，解決了制約激光器功率提升的關(guān)鍵瓶頸。通過(guò)理論模擬和實(shí)驗(yàn)參數(shù)優(yōu)化，找到了的泵浦占空比，成功實(shí)現(xiàn)了高效黃橙光輸出。準(zhǔn)連續(xù)565 nm黃光激光峰值功率達(dá)到125 W，單脈沖能量為4 mJ，光-光轉(zhuǎn)換效率22.7%。準(zhǔn)連續(xù)590 nm橙光激光器峰值功率達(dá)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(zhǔn)連續(xù)泵浦參數(shù)優(yōu)化

       該激光系統(tǒng)采用微片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，Yb:YCOB晶體尺寸為3 mm×3 mm×6 mm，諧振腔直接鍍?cè)诰w輸入和輸出端面，具有集成度高、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)勢(shì)。如圖1所示，采用有限元法對(duì)Yb:YCOB晶體激光運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的溫場(chǎng)建模。仿真結(jié)果顯示，黃光激光運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，入射端面最高溫度為314.6 K；橙光激光運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，入射端面最高溫度達(dá)到328.4 K。考慮晶體溫度梯度和上能級(jí)粒子數(shù)累積兩個(gè)影響激光功率的關(guān)鍵參數(shù)，通過(guò)數(shù)值計(jì)算方法找到了準(zhǔn)連續(xù)波泵浦的優(yōu)參數(shù)區(qū)間（脈沖寬度、重復(fù)頻率），可實(shí)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(dǎo)體激光器作為泵浦源，成功實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)連續(xù)的565 nm黃光激光和590 nm橙光激光（圖2）。在重復(fù)頻率100 Hz和脈沖寬度40 μs的條件下，峰值功率達(dá)到125 W和102 W，性能刷新同類激光器世界紀(jì)錄。測(cè)試顯示，黃橙激光器功率穩(wěn)定性優(yōu)異（功率波動(dòng)RMS<2%），在整個(gè)功率范圍內(nèi)光譜保持穩(wěn)定，具有重要的應(yīng)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(duì)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(xì)胞檢測(cè)領(lǐng)域展現(xiàn)出重要應(yīng)用潛力。

       這項(xiàng)工作演示了一種準(zhǔn)連續(xù)波泵浦實(shí)現(xiàn)高功率黃橙激光的技術(shù)方案，為開(kāi)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(shù)路線。后續(xù)工作將進(jìn)一步優(yōu)化Yb:YCOB晶體的摻雜濃度，結(jié)合先進(jìn)的諧振腔設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)更高功率且波長(zhǎng)可調(diào)的高集成黃橙激光光源，推動(dòng)其在生物醫(yī)療、激光顯示等領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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