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激光晶體

摻Yb3+激光晶體的一些特性

fun88网页下载通訊員 來源:廣東(dong) 星之球2011-08-26 我要評論(0 )   

1965年貝爾電話實驗室的L.F.Johnson等人用閃光燈泵浦Yb∶YAG晶體(ti) ,當時由於(yu) 高的閾值(325J)和低的轉換效率未引起人們(men) 的重 視;1967年,G.Burs等人報道了摻Yb3+離子的LiNb...

       1965年貝爾電話實驗室的L.F.Johnson等人用閃光燈泵浦Yb∶YAG晶體(ti) ,當時由於(yu) 高的閾值(325J)和低的轉換效率未引起人們(men) 的重 視;1967年,G.Burs等人報道了摻Yb3+離子的LiNbO3和LiTaO3晶體(ti) 的光譜特性;1971年,A.R.Reinberg等人用 GaAs∶Si LED泵浦Yb∶YAG晶體(ti) ,在77K溫度下,獲得了1.029μm的脈衝(chong) 激光輸出,峰值功率達0.7W,從(cong) 而揭開了摻Yb3+激光晶體(ti) 的研究序幕。 1976年,G.A.Bogomolova等人將Yb3+作為(wei) 激活離子摻入到YAG和其它的石榴石結構晶體(ti) 中。但在這之後的相當長一段時間裏,由於(yu) 缺少更 為(wei) 有效的泵浦源,摻Yb3+激光晶體(ti) 僅(jin) 能在低溫下實現激光運行,因此,對其研究僅(jin) 限於(yu) 一些光譜特性的研究,而對激光性能的研究,則幾乎處於(yu) 停滯狀態。進入 90年代,隨著高強的窄帶泵浦源InGaAs LD(輸出波長為(wei) 0.87~1.1μm)的發展和成本的降低,摻Yb3+激光晶體(ti) 的研究風起雲(yun) 湧。尤其是隨著激光二極管作為(wei) 慣性約束核聚變擇優(you) 泵浦源的出 現和摻Yb3+激光材料在通信、軍(jun) 事上的應用潛力,更將摻Yb3+激光晶體(ti) 的研究推向了高潮。許多國際著名的研究機構,如美國的利夫莫爾國家實驗室 (LLNL),林肯實驗室(MIT),休斯研究實驗室;德國的斯圖加特大學,漢堡大學;英國的南安普敦大學,曼徹斯特大學;瑞士聯邦理工學院;日本的大阪 大學,福田大學等相繼開展了摻Yb3+激光晶體(ti) 的研究,將其視為(wei) 發展高效、高功率固體(ti) 激光器的一個(ge) 主要途徑,利夫莫爾國家實驗室還希望將其用作慣性約束核 聚變點火裝置中的增益介質。在國內(nei) ,中科院上海光學精密機械研究所,山東(dong) 大學等單位也相繼開展了摻Yb3+激光材料的研究。目前,對其光譜和激光性能進行 了較全麵研究的當數Yb∶YAG晶體(ti) 、Yb3+摻雜磷灰石結構晶體(ti) 和一些具有潛在自倍頻效應的晶體(ti) 。Yb∶YAG晶體(ti) 由於(yu) 具有優(you) 良的光學、熱力學和機械性 能,化學穩定性好,可進行較高濃度的摻雜等特點而成為(wei) 摻Yb3+激光材料中的佼佼者。在Yb∶FAP和Yb∶S-FAP晶體(ti) 中,由於(yu) FAP和S-FAP基 質能給Yb3+離子提供目前其它基質無可比擬的晶場環境而產(chan) 生最大的晶場分裂能,優(you) 異的光譜性能使它具有閾值低,增益大,效率高和成本低等特點。因此,倍 受人們(men) 青睞。Yb∶BaCaBO3F晶體(ti) 由於(yu) 具有潛在的自倍頻效應而受到人們(men) 的關(guan) 注。 


摻Yb3+激光晶體的特點

  與(yu) 其它的稀土激活離子相比,Yb3+離子具有如下特點:
(1)Yb3+為(wei) 能級結構最簡單的激活離子,電子構型為(wei) [Xe]4f13,僅(jin) 有一個(ge) 基態2F7/2和一個(ge) 激發態2F5/2,兩(liang) 者的能量間隔約為(wei) 10000cm-1,在晶場作用下,能級產(chan) 生斯塔克分裂,形成準三能級的激光運行機製;
(2)Yb3+吸收帶在0.9~1.1μm波長範圍,能與(yu) InGaAs LD泵浦源有效耦合,且吸收線寬(FWHM)寬,無需嚴(yan) 格的溫度控製即可獲得相位匹配的LD泵浦源的泵浦波長;
(3)量子缺陷低,泵浦波長與(yu) 激光輸出波長非常接近,這將導致大的本征激光斜率效率,理論上量子效率高達90%左右;
(4)由於(yu) 泵浦能級*近激光上能級,無輻射弛豫引起的材料中的熱負荷低,僅(jin) 為(wei) 摻Nd3+同種激光材料的三分之一;
(5)不存在激發態吸收和上轉換,光轉換效率高;
(6)熒光壽命長,為(wei) 摻Nd3+同種激光材料的三倍多,長的熒光壽命有利於(yu) 儲(chu) 能;
(7)在Yb3+摻雜濃度較高的情況下(Yb∶YAG晶體(ti) 中Y3+的原子分數可高達10%以上),多數晶體(ti) 不出現濃度猝滅現象。

從(cong) 上述的特點可以看出:LD泵浦的Yb3+激光器在某些應用上將明顯優(you) 於(yu) Nd3+激光器。在摻Yb3+激光材料中,由於(yu) 可實現Yb3+離子的高濃度摻 雜,因此增益介質可做成微片,這是一些傳(chuan) 統的稀土離子所做不到的。這對實現LD泵浦的固體(ti) 激光器的集成化、小型化和結構緊湊將具有十分重要的意義(yi) 。

摻Yb3+激光晶體(ti) 的光譜特性

激活離子在晶體(ti) 基質中的光譜特性能預測晶體(ti) 的激光性能,光譜參數是指導激光器件設計的基本參數之一。激光晶體(ti) 的光譜特性通常用下列參數衡量:吸收截麵、 吸收線寬、發射截麵、發射線寬、熒光壽命和熒光量子效率等。在摻Yb3+激光晶體(ti) 的光譜特性研究中,由於(yu) Yb3+離子簡單的能級結構特征,人們(men) 通常采用倒 易法(Reciprocity Method)計算Yb3+離子的受激發射截麵(σem),用F-L公式(Fuchtbauer-Ladenburg)計算輻射壽命(τem),並與(yu) 實測 的熒光壽命進行比較以確定其準確性。

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