激光晶体 Laser crystals

2022-11-14 15:25:18 浏览:293

定义

带有激光活性掺杂剂的透明晶体,用作激光增益介质。

激光晶体是光学晶体 - 通常是单晶(单晶光学材料) - 用作固态激光器的增益介质。 在大多数情况下,它们掺杂有三价稀土离子或过渡金属离子。 当能量通过泵浦光的吸收(→光泵浦)提供给晶体时,这些离子使晶体能够通过受激发射放大激光波长的光。

与掺杂玻璃相比,晶体通常具有更高的跃迁截面、更小的吸收和发射带宽、更高的导热率以及可能的双折射。 (关于激光眼镜的文章更详细地讨论了差异。 在某些情况下,单晶激光材料可以用陶瓷激光增益介质代替,陶瓷激光增益介质具有精细的多晶结构。

常见的激光活性掺杂剂

最常用的激光活性稀土离子和主体介质以及一些典型的发射波长如下表所示:

离子 常见主体晶体 重要的发射波长
钕(Nd3+) Y3Al5O12 (亚格), YAlO3(亚洛),YVO4(钒酸钇), YLiF4 (YLF),钨酸盐(KGd(WO4)2, KY(WO4)2) 1064, 1047, 1053, 1342, 946 nm
镱(Yb3+) YAG,钨酸盐(例如KGW,KYW,KLuW),YVO4 , 硼酸盐 (BOYS, GdCOB), 磷灰石 (SYS), 倍半氧化物 (Y2O3, Sc2O3) 1030, 1020–1070 nm
铒(铒3+) YAG, YLF 2.9, 1.6 μm 
铥(Tm3+) YAG 1.9–2.1 μm  
钬(Ho3+) YAG 2.1, 2.94 μm  
铈(Ce3+) YLF、LiCAF、LiLuF、LiSAF 和类似的氟化物 0.28–0.33 μm  

表 1:激光活性晶体中的常见稀土离子。

下表列出了常见的过渡金属掺杂晶体:

离子 常见主体晶体 重要的发射波长
钛(Ti3+ ) 蓝宝石 650–1100 nm
铬(II) (Cr2+ ) 锌硫属化物,如锌、硒和ZnSxSe1−x  2–3.4  μm 
铬(III) (Cr3+ ) Al2O3(红宝石), LiSrAlF6(LiSAF), LiCaAlF6(LiCAF), LiSrGaF6(利格夫) 0.8–0.9 μm  
铬(IV) (Cr4+ ) YAG, MgSiO4(方石) 1.35–1.65 μm   (YAG), 1.1–1.37 μm   (方石)

表 2:激光活性晶体中的常见过渡金属离子。

这些表仅包含最常见的主体晶体;存在许多其他方法,但不太常用。

主体晶体的重要特性

主体晶体不仅仅是将激光活性离子固定在空间中某些位置的一种手段。 主体材料的许多属性很重要:

  • 介质在泵浦和激光辐射的波长区域应具有高透明度(低吸收和散射),并具有良好的光学均匀性。 在某种程度上,这取决于材料的质量,由制造过程的细节决定。
  • 宿主介质对泵浦和激光跃迁的波长、带宽和跃迁截面以及上层状态寿命有很大影响。 例如,Nd:YVO4与 Nd:YAG 相比,具有更高的横截面、更大的增益带宽和更小的上状态寿命。 其他钕主体提供其他跃迁波长,例如来自Nd:YLF的1047或1053 nm。
  • 非辐射跃迁(例如多声子跃迁)也受到宿主的强烈影响,特别是其最大声子能量。 其中一些转变是非常有害的,导致上州人口的淬灭(从而降低量子效率)。 其他对于激光操作至关重要,例如从较低的激光水平上去除离子。能量转移过程也取决于主体材料。
  • 最大可能的掺杂浓度在很大程度上取决于主体材料及其制造方法。
  • 不同的晶体材料在硬度和其他性能方面差异很大,这决定了使用哪种方法以及它们如何容易地切割和抛光以获得良好的质量。
  • 有些材料在化学上不稳定,例如吸湿性。
  • 特别是对于高功率激光器(但通常也足以用于中低功率),高导热性,低热光学系数(用于弱热透镜)和高抗机械应力是需要的。
  • 光学各向同性可能是有益的,但在其他情况下,双折射(减少热去极化)和可能的偏振相关增益更可取(另见:光的偏振)。
  • 脉冲通量或峰值强度方面的高损伤阈值对于高能量放大器可能很重要。

很明显,不同的应用导致对激光增益介质的要求非常不同。 出于这个原因,使用各种不同的晶体,做出正确的选择对于构建具有最佳性能的激光器至关重要。

常见的晶体激光主体介质

晶体介质种类繁多,可以根据重要的原子成分和晶体结构进行分组。 一些重要的晶体群是:

  • 柘榴石,如 Y3Al5O12 (YAG), Gd3Ga5O12 (GGG)和Gd3Sc2Al3O12 (GSGG):坚硬和化学惰性材料,光学各向同性,具有高导热性
  • 蓝宝石(Al2O3)(例如钛蓝宝石激光器)和铝酸盐,如 YAlO3(YALO,YAP)用于钕掺杂:高硬度和导热性,各向异性
  • 倍半氧化物,如 Y2O3, Sc2O3:各向同性、高硬度和导热性
  • 钒酸盐,如YVO4和 GdVO4:非常高的激光横截面Nd3+ 各向异性的
  • 氟化物,例如 YLiF4 (YLF):良好的紫外透明度,双折射,Nd:YLF储能能力大;LiCAF、LiLuF、LiSAF作为铬掺杂宽带增益介质
  • 硅酸盐,例如MgSiO4 (方晶石):宽增益带宽
  • 单斜双钨酸盐,如KGd(WO4)2(KGW)和KY(WO4)2(KYW):组合相对较高Yb3+激光横截面、大增益带宽和高导热性
  • 无序的四方双钨酸,如NaGd(WO4)2(NGW)和NaY(WO4)2(NYW):镱的增益带宽特别大
  • 硫族化物,如用于中红外激光器的ZnS或ZnSe

带集成可饱和吸收器的激光晶体

一些激光晶体材料已经证明,其中一些饱和吸收材料加入激光被动Q开关。例如,Cr4+离子可以合并到这种掺杂nd的晶体中,在1 μm光谱区域发射。例如,Cr:Nd:YAG和Cr:Nd:YVO4已经试过了。

有了这个概念,人们不需要额外的可饱和吸收晶体,因此可以制造更紧凑的Q开关激光器设置,具有更低的内部寄生损耗。 然而,也可能发生不需要的副作用,例如获得所涉及的离子或能量转移的不需要的价态。 此外,如果不能尝试不同厚度或掺杂浓度的吸收体,例如,如果不更换激光晶体本身,则在实验中会失去一些灵活性。

激光晶体的几何形状

激光器中可以使用不同的几何形式:

  • 一种常见的形式是长方体。 例如,晶体可以是薄的共面板,具有横向尺寸(垂直于激光束)和几毫米的厚度。 它可以定向于激光束的近垂直入射,或布鲁斯特角。 它可以固定在一些坚固的支架上,也可以用作散热器。 较大的晶体通常用于侧面泵浦,例如使用高功率二极管条。
  • 在某些情况下,端面之间需要极端的角度,例如,如果一个端面必须与布鲁斯特成角度,而另一个端面则为垂直入射。
  • 板坯激光器基于相对平坦的板坯,其可能是也可能不是长方体形式。
  • 许多侧泵浦激光器使用相对较长的圆柱形激光棒,例如由Nd:YAG制成的激光棒。 特别是对于灯泵浦激光器,杆长可以几厘米,而杆直径要小得多(几毫米)。
  • 薄盘激光器需要一个圆盘,通常具有圆形横截面,厚度仅为例如100-200μm,掺杂浓度相对较高。
  • 单片固态激光器(如非平面环形振荡器)需要特殊的几何形状。
  • 由于各种原因,复合晶体越来越受欢迎。 这些具有空间变化的化学成分,可以制成特殊形状。
  • 有所谓的单晶光纤,其中单晶材料(通常包含激光活性掺杂剂)被拉成光纤的形式。 在这里,波导效应是从晶体-空气界面获得的,也可能是从热透镜、掺杂梯度或其他效应中获得的。

批量属性

对于给定的掺杂剂和宿主介质,掺杂浓度是最重要的参数。 其他感兴趣的问题是掺杂的均匀性(影响淬火趋势)、杂质水平(例如不需要的其他稀土离子)和光学均匀性。 其中一些因素会影响材料的吸收和散射损耗,和/或热透镜的强度。

当然,尽管不同的激光器设计对材料参数的灵敏度可能不同,但始终如一地生产给定的晶体质量是非常可取的。

优化几何形状和参数

增益介质的几何形状、掺杂剂和掺杂浓度最有利取决于几个因素。 可用的泵浦源(激光二极管或灯的类型)和设想的泵浦布置是重要因素,但材料本身也有一定的影响。 例如,钛蓝宝石激光器必须以高强度泵浦,为此,横向冷却棒的形式,以相对较小的泵浦和激光束直径进行操作,比例如薄盘更合适。 再如,调Q激光器在上激光水平达到较高的人口密度,因此对淬灭效应和能量转移过程更敏感;因此,较低的掺杂密度通常适用于这些器件。 对于高功率激光器,通常使用较低的掺杂密度来限制发热密度,尽管薄盘激光器最适合高掺杂晶体。 许多激光产品没有达到全部性能潜力,因为这些细节没有得到适当的制定。

光学表面

那些被激光束通过的表面通常要么以布鲁斯特角定向,要么具有抗反射涂层。 即使是AR涂层晶体也经常在光束上略微倾斜,以防止背反射停留在激光谐振器中。 这对于锁模激光器和可调谐单频激光器非常重要。

高表面质量当然很重要。 表面平整度的规格通常优于λ/ 10。 这有助于避免散射损耗和波前畸变,从而降低激光器的光束质量。 此外,划痕和挖掘规格(外观表面质量)限制了小规模表面缺陷的密度;例如,对于中等质量的批量生产,它们可能读作“80-50”,对于特别苛刻的激光应用,它们可能读作“10-5”。 适当的表面处理也会影响损伤阈值,这对于高能脉冲放大器等非常重要。 最后,高度的端面平行度对于避免晶体中光束方向的变化非常重要。

参考文献

[1] A. A. Kaminskii, “Laser crystals and ceramics: recent advances”, Laser Photon. Rev. 1 (2), 93 (2007), doi:10.1002/lpor.200710008
[2] A. A. Kaminskii, Laser Crystals, Springer, New York (1981)
[3] R. C. Powell, Physics of Solid-State Laser Materials, AIP Press, Springer (1998)
[4] W. Koechner, Solid-State Laser Engineering, 6th edn., Springer, Berlin (2006)
[5] F. Träger (ed.), Handbook of Lasers and Optics, Springer, Berlin (2007)

激光物理

作          者: 泮桥成像光电商城

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