掺铒镱激光增益介质 Erbium-ytterbium-doped laser gain media

2022-12-02 11:24:17 浏览:246

定义

同时掺杂铒(Er)和镱(Yb)的激光增益介质。

掺铒镱激光增益介质是同时掺杂了铒(Er)和镱(Yb)的激光增益介质- 更准确地说,它们包含相应的三价离子Er3+和 Yb3+。它们用于光纤激光器和光纤放大器,有时用于二极管泵浦体激光器,其中需要铒的发射或放大(通常在 1.5 μm 光谱区域),特别是需要高效泵浦吸收短长度材料的情况。

从镱到铒的能量转移

掺铒镱激光增益介质 Erbium-ytterbium-doped laser gain media

图1:能量从Yb3+转移到Er3+,其次是铒的非辐射衰变到更高的激光能级 

基本上,掺铒镱的增益介质的波长总是在Yb3+离子的975 nm吸收峰附近 。这导致镱离子的激发。 此后,激发能量可以转移到附近的铒离子 - 参见能量转移文章和图1。 在能量转移成功后,首先有一个 Er3+离子在4I11/2状态(更准确地说,是斯塔克能级流形),它的激发能与Yb3+离子相似 。 从该状态,离子通常会经历快速的非辐射过渡到该状态4I13/2,通常用作上激光水平仪。 这种非辐射跃迁基于多声子发射而发生,前提是材料的声子能量足够高(例如,二氧化硅纤维就是这种情况)。

激发能可以转移回镱吗?

能量有可能从铒离子转移回去4I11/2到镱离子。 这将是非常不需要的,特别是因为自发发射的能量损失在镱中比镱快一个数量级,与4I13/2铒的水平。 然而,如果上述非辐射衰变4I13/2非常快。 从那里开始,由于缺乏所需的能量,因此不再可能进行反向转移。

为了获得激光器或放大器的最佳效率,需要优化两种离子的掺杂浓度。 对于过低的掺杂,能量转移可能不会以足够高的速率发生,并且激发能量会因Yb的自发发射而损失3+. 此外,泵的吸收(见下文)可能不够强。 另一方面,过高的掺杂浓度会导致聚集,这可能导致严重的能量损失,即使没有聚集,也会增加额外(不需要的)能量转移过程的趋势。

各个方面取决于是否存在其他掺杂剂。

氧化铝等其他掺杂剂可以帮助在不聚集的情况下结合更多的活性离子,并且还有助于能量转移。 同时,它们可以改变离子的吸收和辐射特性,例如,这可能导致放大器增益频谱的变化。 还有其他副作用,例如辐射敏感性。

由于这些原因,仔细优化材料的整体化学成分很重要。 供应商通常不会透露所使用的详细成分。

请注意,Er/Yb掺杂介质的量子缺陷并不比纯Er掺杂增益介质大,因为使用的泵浦波长大致相同(不考虑带内泵浦铒)。 然而,量子效率可能会大大降低,因为能量转移过程可能无法完美地工作。

增强泵吸收

使用Yb共掺杂的本质优势在于,这种方式可以在一小段增益介质中大幅提高泵吸收效率 - 原因有两个:

  • Yb3+ 的吸收跃迁截面大大高于 Er3+
  • 常见的二氧化硅纤维(更准确地说,基于某种硅酸盐玻璃的纤维)可以比铒掺入更多的镱,铒具有更高的聚集趋势。 后者将引入各种额外的能量转移过程,这对激光器或放大器的效率是有害的。

镱离子有时被称为敏化离子,因为它们使增益介质在某种意义上对施加的泵浦辐射更敏感。

不必要的镱排放;自动应用酶问题

激发态Yb3+离子的自发发射构成了能量损失,因此是不需要的 。 另一个可能相当有害的影响是,这些激发的离子导致激光增益主要在1030nm至1080nm附近的光谱区域。 特别是在光纤设备中,该增益可能会变得如此之高,以至于通过放大自发发射(ASE)和/或寄生激光损失大量功率。 通过ASE的功率损耗可能会因泵浦波长处光纤芯的多模特性而进一步增加。

这些问题可以通过优化增益介质的组成和系统设计(包括泵送条件和光纤长度)来缓解。 在理想情况下,没有太多的镱激发,因为能量很快转移到铒上,无法从那里返回。 然而,这可能无法实现,例如,如果需要高水平的铒激发,因此许多激发的铒离子不能接受来自镱离子的能量。

掺铒/钰激光晶体

对于块状激光晶体,仅使用铒可以实现的低泵吸收可能是一个特别严重的问题。 当微激光器需要放大器增益时,情况甚至更大[13]。 因此,Er/Yb掺杂在这方面非常有帮助。 然而,这种激光晶体的可用性非常有限。

掺镱/钰掺杂光纤

在稀土掺杂纤维领域,Er/Yb掺杂更为常见。 掺铒-镱光纤用于掺铒光纤放大器和短光纤激光器等。

在激光器的情况下,有时重要的是具有相当短的有源光纤,特别是为了实现单频操作。 对于较长的激光谐振器,自由光谱范围(频率空间中的模间距)变得相当小,并且更难抑制跳模。 例如,基于纯掺铒光纤的分布式反馈激光器(DFB激光器)表现出非常低的泵浦吸收效率,而掺杂Er/Yb的功率转换效率要高得多。

对于光纤放大器,改善泵浦吸收也是有益的,特别是如果应用双包层光纤的包层泵送,其中有限的芯/包层重叠暂时导致泵浦吸收较弱。 为了放大具有高峰值功率的短光脉冲,保持放大器光纤短以限制非线性效应非常重要。 对于磁芯泵浦放大器,每厘米长度可以实现几分贝的放大器增益。

使用Er/Yb掺杂增益介质对激光器和放大器进行建模

掺杂Er/Yb晶体和玻璃中的相关物理过程 - 泵浦吸收,能量转移,自发和受激发射等 - 可以用数学模型(通常是数值类型)进行定量研究。 虽然这种模型的复杂性仅因两种不同类型的离子和能量转移的存在而略有增加,但获取一套完整的光谱数据变得更具挑战性:

  • 需要测量Er3+ 的相关波长相关跃迁横截面和 Yb3+
  • 其次,需要上态寿命 - 在镱的情况下,没有能量转移的理论值。 什么时候通常会从发射截面计算,如果那些具有绝对缩放,或者可能从没有镱的类似玻璃中取一个值。
  • 两个方向的能量转移速率相当难以测量。 这些参数可以通过将实验结果与模型进行比较来校准。

完整的光谱表征需要一套相当复杂的测量和计算;这往往没有做到。 特别是,商业供应商通常不提供此类数据,这也是因为此类特种纤维的销量相对较小。 实际上,在订购零件之前通常很难估计可实现的性能数字。 这可以被认为是掺铒/镱激光增益介质的严重实际缺点。

参考文献

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激光物理

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