激光玻璃 Laser glasses

2022-11-11 11:16:47 浏览:285

定义

激光玻璃(或激光活性玻璃)是掺杂了一些激光活性物质的光学玻璃(主要是硅酸盐和磷酸盐玻璃),在大多数情况下,掺杂了三价稀土离子,如Nd3+,Yb3+,Er3+, Tm3+, Pr3+ 或者 Ho3+ 。原则上,玻璃也可以掺杂激光活性过渡金属离子,但这并不常见;这种离子主要用于激光晶体。

激光玻璃(例如,长方体或圆柱形棒的形式,具有精细抛光和可能的抗反射涂层端面)用作一些固态体激光器和光放大器的增益介质。 (这种设备被称为玻璃激光器和放大器。 这种玻璃的使用原则上类似于激光晶体和陶瓷激光增益介质:它们被光学泵浦的光,其中主玻璃材料是透明的,然后可以放大其他一些光谱区域的光,通常是更长的波长。 激光玻璃也用于光纤激光器和放大器。

请参阅有关光学玻璃的文章,了解此类玻璃的基本特性,不包括其激光特性。 以下部分解释了离子掺杂激光晶体和玻璃之间的主要区别。

请注意,术语激光玻璃有时具有完全不同的含义:激光安全玻璃。

光学特性

激光玻璃的光学性质原则上与激光晶体相似:在紫外线吸收(对于高于带隙能量的光子能量)和与声子产生相关的红外吸收之间的一定光谱窗口中具有良好的透明度。

玻璃通常是光学各向同性的,因此不可能获得明确的双折射。 同时,存在一些热诱导的双折射,这通常是不需要的。 当需要激光输出的线性偏振时,这些特性可能是一个缺点:强制偏振会导致大量的去偏振损耗。

玻璃的折射率通常低于激光晶体的折射率,其温度依赖性有时要弱得多。 系数 dn/dT甚至可以为负数。

与光学晶体相比,玻璃由于其不规则的微观结构而表现出一定量的传播损耗。 然而,对于相当有限的激光玻璃长度,这种损失通常不会产生实质性的不利影响;它们通常远小于激光增益。

用于泵浦和激光放大的光跃迁

稀土掺杂的激光晶体通常表现出清晰定义的激光和泵浦跃迁,其带宽通常为几纳米或更小。 相比之下,激光玻璃通常具有更宽的跃迁,带宽约为数十纳米。 这种差异源于这样一个事实,即在许多激光晶体中,激光活性离子仅占据晶格的特定位置,因此所有激光活性离子都看到相同的环境,而玻璃为这些离子提供了许多不同的环境,因此可以预期强烈的不均匀展宽。 然而,在玻璃中并不总是观察到不均匀的展宽;例如,Nd3+掺杂磷酸盐玻璃通常表现出或多或少的均匀展宽,并且可以通过速率方程建模非常准确地模拟其激光性能。

由于各向异性,玻璃中的泵浦吸收和激光增益通常不依赖于偏振或传播方向。

宽带激光跃迁可用于激光的波长调谐以及超短脉冲的产生。 同时,泵浦转换的宽带宽也是有益的,因为泵浦源不需要严格的波长公差;例如,可以使用没有波长稳定的激光二极管。

由于具有相同掺杂离子的晶体和玻璃的激光跃迁的振荡器强度通常相似,因此玻璃的跃迁带宽越宽,意味着有效跃迁横截面越低。 (跃迁在更大的光谱范围内被“涂抹”。 这导致激光器的阈值泵浦功率更高,尖峰行为的趋势更强,并且(对于被动锁模激光器)Q开关不稳定的趋势更高。 在光放大器中,增益是宽带,但峰值增益通常较小。 此外,饱和强度和饱和通量相应更高,这对于在超快放大器中使用单个超短脉冲高效提取存储能量可能是一个问题。

热性能

玻璃材料中强烈的微观无序导致导热性降低。 这对高功率激光器是有害的,主要是因为它不仅会导致热断裂,还会导致强烈的热透镜和热去极化。 因此,实现产生的激光的高光束质量和线性偏振更加困难。 然而,在某种程度上,热问题可以通过较小的或负的dn / dT值来缓解。

激光玻璃的生产

激光玻璃的生产方式与被动光学玻璃类似,只是添加了一些激光活性物质。 但是,人们经常添加更多物质:

  • 一些物质(例如硅酸盐玻璃中的氧化铝)有助于更好地掺入激光活性掺杂剂离子,即避免这些离子在高掺杂浓度下聚集。
  • 一些额外的掺杂剂有助于优化跃迁横截面的频谱依赖性,例如获得用于超短脉冲生成的平滑增益曲线。
  • 一些掺杂剂有助于吸收其他光谱区域的泵浦辐射,并表现出向激光活性离子的能量转移过程。 这种组合的例子是Cr/Nd、Sm/Nd、Er/Yb和Tm/Ho。
  • 在其他情况下,较低激光水平的减少是掺杂剂的功能。

激光玻璃的精确化学成分通常不为人所知;例如,人们可能只知道它是一种钾铝磷酸盐玻璃,而不知道各种掺杂剂的相对量是多少,并且制造商可能没有披露某些掺杂剂。 即使在来自同一制造商的名义上相同的玻璃的多个徽章之间,其成分甚至可能不完全一致。 当切换到不同的制造商时,人们通常可能无法获得非常相似的玻璃。

除了标称成分外,避免被各种不需要的化学元素污染也很重要。 例如,玻璃熔体通常制备铂坩埚,然后铂可能会被氧化,进入玻璃熔体,然后再次化学还原为金属铂。 金属往往不是平滑分布,而是形成小的铂夹杂物,这在高能玻璃放大器中尤其存在问题:它们会导致寄生吸收,由此产生的加热会导致玻璃破裂。 因此,已经开发了改进的方法,例如基于在加工过程中使用惰性气体,以获得几乎无铂的玻璃。 这可以作为先进激光应用改进玻璃制造技术的一个例子。

激光玻璃可以以非常大的尺寸生产,具有良好的光学质量,因为不需要获得长距离微观订单。 相比之下,大型激光晶体的生长相当困难且耗时。 但是,也有陶瓷激光增益介质,可以制成类似于激光玻璃镜的大尺寸。

规格

虽然普通激光晶体的特性通常从科学文献中广为人知,并且不同制造商之间通常差异不大,但激光玻璃的特性及其专有成分通常并不为人所知。 因此,制造商提供涉及许多特性的全面规格尤为重要:

  • 基本性质,如质量密度、掺杂浓度、杨氏模量、泊松比、断裂韧性
  • 无源光学特性,如折射率、色散参数、传播损耗、非线性率
  • 激光光学(光谱)特性:吸收和发射带的波长相关跃迁截面,上状态寿命
  • 热和热光学特性,涉及热膨胀、热导率、热容、折射率或光程长度的温度依赖性、弹性光系数等。

全面的规格和所有性能的一致性是玻璃质量的重要方面。

用作光纤

有些玻璃可以拉成光纤,这开辟了很多可能性。 有关详细信息,请参阅有关稀土掺杂纤维的文章。

还有结晶纤维,通常只是细而长的棒(并且相当坚硬),具有有趣的特性,但不能提供玻璃纤维的多功能性。

参考文献

[1] R. Koch et al., “Efficient room temperature cw Yb:glass laser pumped by a 946 nm Nd:YAG laser”, Opt. Commun. 134 (1-6), 175 (1997), doi:10.1016/S0030-4018(96)00537-8
[2] G. G. Vienne et al., “Fabrication and characterization of Yb3+:Er3+ phosphosilicate fibers for lasers”, J. Lightwave Technol. 16 (11), 1990 (1998), doi:10.1109/50.730360
[3] C. Hönninger et al., “Ultrafast ytterbium-doped bulk lasers and laser amplifiers”, Appl. Phys. B 69, 3 (1999), doi:10.1007/s003400050762
[4] J. F. Philipps et al., “Spectroscopic and lasing properties of Er3+:Yb3+-doped fluoride phosphate glasses”, Appl. Phys. B 72, 399 (2001), doi:10.1007/s003400100515
[5] W. G. Quirino et al., “Effects of non-radiative processes on the infrared luminescence of Yb3+ doped glasses”, J. Non-Crystalline Solids 351 (24), 2042 (2005), doi:10.1016/j.jnoncrysol.2005.05.012
[6] D. C. Brown et al., “The application of cryogenic laser physics to the development of high average power ultra-short pulse lasers”, Appl. Sci. 6 (1), 23 (2016), doi:10.3390/app6010023
[7] D. C. Brown, N. S. Tomasello and C. L. Hancock, “Absorption and emission cross-sections, Stark energy levels, and temperature dependent gain of Yb:QX phosphate glass”, Opt. Express 29 (21), 33818 (2021), doi:10.1364/OE.435615

光学器件

作          者: 泮桥成像光电商城

出          处: https://www.ipanqiao.com/entry/1588

版          权:本文版权归泮桥成像光电商城所有

免责声明:本文中使用的部分文字内容与图片来自于网络,如有侵权,请联系作者进行删除。

转          载:欢迎转载,但必须保留上述声明;必须在文章中给出原文链接;否则必究法律责任。

Copyright © 2019-2022 南京超维景生物科技有限公司 版权所有 www.ipanqiao.com苏ICP备20009590号-1
联系我们
立即做合同
微信客服
电话咨询

400-998-9826

17302548620

快速留言

泮桥成像光电商城专业人员会在24小时之内联系您

关闭 提交