掺钕激光增益介质 Neodymium-doped laser gain media

2022-11-07 11:13:35 浏览:311

定义

含有激光活性钕离子的激光增益介质。

钕(化学符号:Nd)是一种属于稀土金属组的化学元素。 在激光技术中,它以三价离子Nd3+ 的形式被广泛使用作为基于各种主体材料(包括晶体和玻璃)的增益介质的激光活性掺杂剂。

通常的泵浦波长为 808 nm(对于 Nd:YAG;其他主体材料的波长可能略有不同),但通过直接泵浦到上部激光水平仪可以实现更高的斜率效率4F3/2具有 869 nm 的光。 对于 1064 nm ,最强的激光跃迁是来自4F3/24I11/2,但其他跃迁可提供更长或更短的波长(见图 1)。 为了实现对这些透镜的激光,需要通过将适当的波长滤光片(通常由一个或多个二向色镜组成)插入激光谐振器来抑制1064-nm线上的激光。 通过多声子发射,4I11/24I15/2能级的居群迅速转移到基态流形4I9/2。(低状态生存期比上状态生存期小得多。)因此,在所有这些能级中通常都有可以忽略的总体,因此掺钕增益介质表现出纯粹的四能级行为。  例外的情况是,较低的水平是基态流形4I9/2: 946 nm Nd:YAG激光器(和其他发射900到1000 nm之间的Nd基激光器)是准三能级激光器,显示出相当高的阈值泵浦功率。 

图1:三价钕离子的能级结构(波长数为Nd:YAG)。

对于高激发密度,特别是在调Q激光器中可能发生,但在较弱的激光跃迁上运行的激光器中,由于能量转移到(→上转换)到寿命较小的较高水平,可能会产生显着的能量损失。

钕掺杂增益介质概述

最常见的钕掺杂增益介质是:

  • Nd:YAG = Nd:Y3Al5O12  (钇铝柘榴石 ,→YAG 激光器):1064 nm 的经典选择,但也可用于 946 和 1319 nm(以及其他一些系列);各向同性;仍然很常见,特别是对于高功率激光器和Q开关激光器
  • Nd:YVO4(钒酸钇,→钒酸盐激光器)用于1064、914和1342 nm:与Nd:YAG相比,非常高的泵浦和激光横截面以及更大的增益带宽,因此对低阈值激光器特别有吸引力;对于具有良好光束质量(低dn / dT)的大功率操作也具有良好的性能;双 折射
  • Nd:YLF = Nd:YLiF4(用于 1047 和 1053 nm 的氟化钇锂→YLF 激光器):双折射、上态寿命长、热透镜弱;适用于高功率调Q激光器等
  • Nd:玻璃:各种玻璃,主要是硅酸盐和磷酸盐;通常用于掺钕光纤,例如光纤激光器和放大器(→激光眼镜))

不太常见的钕掺杂增益介质有:

  • Nd:GdVO4(钒酸钆)用于 1064 和 1341 nm:类似于 Nd:YVO4,但增益带宽更大
  • Nd:GDD(钆镓石榴石):用于高功率热容激光器
  • 钨国Nd:KGW = Nd:KGd(WO4)2和 Nd:KYW = Nd:KY(WO4)2:双折射、大增益带宽、大拉曼横截面
  • Nd:YALO = Nd:YAlO3对于 1079 和 930 nm:双折射
  • Nd:YAP = Nd:YAlO3对于 1079 或 1340 nm:高导热性、双折射
  • Nd:LSB = Nd:LaSc3(Bo3)4对于 1062、905 和 1348 nm:双折射;允许非常高的钕浓度
  • Nd:S-FAP = Nd:Sr5(Po4)3F 代表 1059、923 和 1328 nm:双折射

在所有这些介质中(某些玻璃除外),钕掺杂离子取代了具有大致相同大小的宿主介质的其他离子(通常是钇)。

钕掺杂增益介质在 1 μm 光谱区域面临来自掺镱介质的竞争。 它们具有较小的量子缺陷,通常具有较高的发射带宽和较高的上态寿命,也具有更简单的能级结构,避免了各种淬灭过程。 然而,它们表现出准三电平行为,这往往导致更高的阈值泵浦功率,因此功率效率不一定优于掺钕介质。

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