稀土掺杂激光增益介质 Rare-earth-doped laser gain media

2022-11-15 11:07:33 浏览:310

定义

掺杂稀土离子的激光增益介质。

最受欢迎的固态激光增益介质是稀土掺杂激光晶体和玻璃;最近,陶瓷媒体开始引起越来越多的关注。 无论如何,这些介质都掺杂了稀土离子,稀土离子几乎总是三价的(即具有三重正电荷)。 二价稀土离子也已用于激光设备,但仅用于相对奇特的低温操作设备。

在大多数情况下,稀土离子取代了宿主介质中大小相似、价态(电荷态)相同的其他离子;例如,Nd:YAG(钇铝石榴石)中的Nd3+离子取代了Y3+离子。  在大多数情况下,宿主培养基中激光活性稀土掺杂剂的浓度仅为很小的摩尔百分比(通常为1%),尽管存在诸如双钨酸钾镱(KYbW)的情况,其中每个晶胞都含有激光活性Yb3+离子。

三价稀土离子的一个特征是它们的电子跃迁通常发生在4f壳内,4f壳层在某种程度上被光学无源外电子壳层与主晶格屏蔽。 (Ce3+5D-4F过渡是一个例外。 这减少了主晶格对相关光学跃迁的波长、带宽和跃迁横截面的影响。

请注意,稀土元素包括除放射性钷以外的所有镧系元素,以及钪和钇。 所有激光活性稀土离子实际上都是镧系元素。 因此,基于稀土掺杂增益介质的激光器有时称为镧系元素激光器。

稀土离子概述

最常用的激光活性稀土离子和主体介质以及典型的发射波长范围如下表所示:

离子 通用主机介质 重要的发射波长
钕(Nd3+ ) YAG, YVO4, YLF ,二氧化硅 1.03–1.1 μm 、0.9–0.95 μm 、1.32–1.35 μm 
镱(Yb3+) YAG,钨酸盐,二氧化硅 1.0–1.1 μm 
铒(Er3+) YAG ,二氧化硅 1.5–1.6 μm 、2.7 μm  、0.55 μm  
铥(Tm3+) YAG ,二氧化硅,氟化物玻璃 1.7–2.1 μm  、1.45–1.53 μm  、0.48 μm  、0.8 μm  
钬(Ho3+ ) YAG , YLF, 二氧化硅 2.1 μm  , 2.8–2.9 μm  
镨(Pr3+) 二氧化硅、氟化物玻璃 1.3μm  , 0.635μm  , 0.6μm  , 0.52μm  , 0.49μm  
铈(Ce3+ ) YLF、LiCAF、LiLuF、LiSAF 和类似的氟化物 0.28–0.33 μm  

表 1:常见的激光活性稀土离子和主体介质以及重要的发射波长。

从技术上讲,最重要的是用于激光器的掺镱和钕增益介质以及用于掺铒光纤放大器的掺铒光纤。

其他稀土离子是钇(Y3+)、钐(Sm3+)、铕(Eu3+ )、钆(Gd3+)、铽(Tb3+)、镝(Dy3+ ),和镥(Lu3+). 在大多数情况下,它们不用于激光作用,但有时用作编码剂,例如用于通过能量转移过程在某些能级中淬灭人口,或用于实现可饱和吸收体,或作为激光晶体的光学被动成分。 但是,也有可见光激光器,例如基于Tb3+或 Dy3+和Eu3+ 发射约0.7μm的激光器。 此外,其中一些材料用于荧光粉,例如与发光二极管结合使用。

主机晶体和玻璃

有多种晶体介质(激光晶体)可以作为激光活性稀土离子的宿主介质。 常用的晶体材料是某些氧化物(例如YAG),钒酸盐(YVO4, GdVO4),钨酸盐(KGW,KYW),氟化物(YLF,CaF),硼酸盐(BOYS)和磷灰石(S-FAP,SYS)。 关于激光增益介质和激光晶体的文章讨论了主体晶体的许多重要特性。

与晶体相比,稀土掺杂玻璃通常允许更大的增益带宽,因此具有更大的波长调谐范围,以及具有无源模式锁定的更短超短脉冲。 这种玻璃以散装片或光纤(例如稀土掺杂的二氧化硅纤维)的形式使用。 光纤中的高光学约束即使在“困难”的激光跃迁上也能以低增益效率运行。 特殊纤维(例如在氟化物玻璃上制成的纤维)具有特别低的声子能量,从而具有良好的中红外透射率和较长的亚稳能级寿命。 它们也经常用于上转换激光器。

另请参阅有关稀土掺杂光纤、激光眼镜和陶瓷激光增益介质的文章。

典型属性

所有稀土掺杂增益介质的共同点是,泵浦和激光跃迁是所谓的弱允许跃迁,振荡器强度相当小。 这样做的结果是,上层状态的寿命可能很长,即几微秒到毫秒的数量级,因此可以在这种介质中存储大量能量。 由于单个离子每秒仅经历相当有限的跃迁次数,因此激光器或放大器装置中通常涉及相对大量的激光活性离子 - 远大于染料激光器中涉及的染料分子的数量。

这些特性使稀土掺杂激光器适用于Q开关的脉冲产生,但也容易受到尖峰现象的影响。 在这些方面,稀土掺杂激光器与半导体激光器、染料激光器和气体激光器有很大不同。

根据宿主介质的声子能量,一些能级寿命可以被多声子跃迁强烈淬灭。 这种影响在低声子能量主体介质(如氟化物纤维)中被最小化。 如果淬灭效果使较低的激光水平减少,从而防止或减少重吸收,或者如果它们有助于在泵浦过程中填充较高的激光水平,则可以欢迎淬灭效果。

各种相互作用,特别是偶极子-偶极子相互作用,允许同一物种或不同物种的不同稀土离子之间的能量转移。 例如,在铒-镱共掺杂纤维中,泵浦辐射主要被镱离子吸收,并且主要转移到铒离子中。

基础光学

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