钨酸盐激光器 tungstate lasers

2022-10-24 16:09:07 浏览:278

定义

基于钨酸盐晶体作为增益介质的固态激光器。

在开发之前: Nd:YAG, Nd3+:CaWO4 是一种非常重要的稀土掺杂激光增益介质。它实际上用于第一个连续运行的晶体激光器。但是,一旦Nd3+:YAG变得商业化,对CaWO4的兴趣急剧下降。在后来的几年里,某些其他钨酸盐晶体开始引起很多关注。

钨酸盐晶体材料

单斜双钨酸盐

图 1:一个街区的Yb3+:KGW和一些从这种材料切割的激光晶体。照片由爱客发光学提供。

各种掺镱单斜双钨酸盐Yb3+:KGd(WO4)2 ,Yb:KGW 和Yb3+:KY(WO4)2 凯岐(哇)4)2(Yb:KYW,钨酸钇钾)在制造固态激光器(例如可调谐激光器或飞秒激光器)方面特别受欢迎。同样在考虑中的是Yb3+:KLu(WO4)2 。其他稀土掺杂剂,如钕(Nd3+),铒(Er3+), 铥(Tm 3+), 镨(Pr3+)和铕(Eu3+) 也可用于钨酸盐。

四方双钨酸盐

另一组有趣的晶体是四方双钨酸盐,如Yb3+:NaGd(WO4)2 (Yb:NGW) [7] 和 Yb3+:NaY(WO4)2 (Yb:NYW) 。与它们的单斜表亲不同,四方钨酸盐是无序的晶体材料,例如Na+ 和Gd3+离子随机分布在相同类型的晶格位点上。作为掺杂剂离子(例如Yb3+) 替换其他稀土离子(例如 Gd3+),这种无序结构导致不均匀的加宽,从而获得更宽的增益带宽。其中一些晶体只有在使用复杂(并且通常缓慢)的生长方法时才能以良好的质量生长,而其他晶体(例如上面提到的两种)则适用于常见的Czochralski方法。

稀土掺杂钨酸盐的性质

稀土掺杂钨酸盐晶体具有许多特殊性质:

  • 与Yb:YAG相比,Yb:KGW和Yb:KYW的增益带宽非常大。这允许宽波长的可调性,并且来自锁模激光器的脉冲持续时间要短得多。使用被动模式锁定可实现远低于100 fs的值。
  • 与其他具有类似大增益带宽的掺镱增益介质(晶体或玻璃)相比,掺镱钨酸盐具有相当高的发射截面。这对于无源模式锁定至关重要,因为它有助于避免Q开关不稳定。
  • 虽然掺镱激光增益介质通常表现出很小的量子缺陷,但掺镱钨酸盐允许特别小的值。例如,1030纳米Yb:YAG激光器通常被泵浦在940纳米左右,而Yb:KGW或Yb:KYW可以在981纳米左右最有效地泵浦。同时,可以获得较短的激光波长;可以在远低于1%的量子缺陷下操作。因此,热量的产生可能非常小,以至于这部分补偿了较低的导热系数。
  • 对于钨酸盐,掺镱掺杂浓度可以非常高,而没有明显的淬火,因为被取代的离子具有非常相似的离子半径,并且离子间距离相对较大。这方面的一个例子是 Yb:KYW,它实际上变成了 Yb:KYB(WO4)2用于100%掺镱。然而,目前尚不清楚如此高的掺杂水平是否可以在激光中使用。
  • 普通双钨酸盐的导热系数约为3-4 W/(K m) - 与其他激光晶体相比并不差(尽管比YAG低几倍),并且与典型玻璃的导热系数相比相当大。与玻璃的比较是合适的,因为大增益带宽允许钨酸盐飞秒激光器和可调谐激光器与玻璃激光器竞争。
  • 单斜晶体结构产生天然双折射,有助于避免热诱导的偏振旋转和去极化损失。
  • 钨酸盐往往具有高拉曼系数。因此,它们可以在中等光学强度下产生显着的拉曼增益。可以将激光晶体本身用作拉曼转换器。

对于某些应用,钨酸盐提供了各种有用属性的组合。特别是对于无源模式锁定,掺镱双钨酸盐在高增益带宽、大横截面和相对良好的热性能方面通常优于其他介质 - 尽管在每个特定学科中都可以找到更好的材料。即使对于连续波高功率薄盘激光器,钨酸盐在效率方面也比Yb:YAG具有优势,尽管用这种材料制造薄盘并不容易(Yb:YAG当然更容易处理)。被动锁模薄盘Yb:KYW激光器[4]可能在低于300-fs的脉冲中产生最高的输出功率,这是在没有放大器的体激光器下实现的。

参考文献

[1] F. Brunner et al., “Diode-pumped femtosecond Yb:KGd(WO4)2 laser with 1.1-W average power”, Opt. Lett. 25 (15), 1119 (2000), doi:10.1364/OL.25.001119
[2] H. Liu et al., “Diode-pumped Kerr-lens mode-locked Yb:KY(WO4)2 laser”, Opt. Lett. 26 (21), 1723 (2001), doi:10.1364/OL.26.001723
[3] P. Klopp et al., “Passively mode-locked Yb:KYW laser pumped by a tapered diode laser”, Opt. Express 10 (2), 108 (2002), doi:10.1364/OE.10.000108
[4] F. Brunner et al., “240-fs pulses with 22-W average power from a passively mode-locked thin-disk Yb:KY(WO4)2 laser”, Opt. Lett. 27 (13), 1162 (2002), doi:10.1364/OL.27.001162
[5] M. Rico et al., “Tunable laser operation of ytterbium in disordered single crystals of Yb:NaGd(WO4)2”, Opt. Express 12 (22), 5362 (2004), doi:10.1364/OPEX.12.005362
[6] S. Biswal et al., “Thermo-optical parameters measured in ytterbium-doped potassium gadolinium tungstate”, Appl. Opt. 44 (15), 3093 (2005), doi:10.1364/AO.44.003093
[7] C. Cascales et al., “Structural, spectroscopic, and tunable laser properties of Yb3+-doped NaGd(WO4)2”, Phys. Rev. B 74 (17), 174114 (2006), doi:10.1103/PhysRevB.74.174114
[8] J. Liu et al., “Efficient high-power laser operation of Yb:KLu(WO4)2 crystals cut along the principal optical axes”, Opt. Lett. 32 (14), 2016 (2007), doi:10.1364/OL.32.002016
[9] V. Petrov et al., “Growth and properties of KLu(WO4)2, and novel ytterbium and thulium lasers based on this monoclinic crystalline host”, Laser & Photon. Rev. 1, 179 (2007), doi:10.1002/lpor.200710010
[10] S. Rivier et al., “Thin-disk Yb:KLu(WO4)2 laser with single-pass pumping”, Opt. Lett. 33 (7), 735 (2008), doi:10.1364/OL.33.000735
[11] R. Peters et al., “Power scaling potential of Yb:NGW in thin disk laser configuration”, Appl. Phys. B 91, 25 (2008), doi:10.1007/s00340-008-2962-1
[12] P. Loiko et al., “Watt-level europium laser at 703 nm”, Opt. Lett. 46 (11), 2702 (2021), doi:10.1364/OL.428706

激光器

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