掺镱增益介质 ytterbium-doped laser gain media

2023-08-18 16:01:37 浏览:627

定义

含有激光活性镱离子的激光增益介质。

镱(Yb)是一种化学元素,属于稀土金属族。在激光技术中,它以三价离子Yb3+的形式获得了突出的作用,它被用作各种主体材料中的激光活性掺杂剂,包括晶体,玻璃和陶瓷,也经常用于有源光纤。它通常用于各种类型的高功率激光器和波长可调的固体激光器。

 

掺镱增益介质的特殊性能

掺镱激光晶体和玻璃具有许多有趣的特性,这些特性与掺钕激光增益介质不同:

  • 它们具有非常简单的电子电平结构,只有一个激发态流形(2F_{5/2})  与基态流形(2F_{7/2} )在近红外或可见光子的范围内。抽运和放大涉及基态和激发态流形的不同亚能级之间的跃迁(见图1)。亚能级在真空中是能量简并的,但这种简并被晶格中的电场消除了。
  • 量子缺陷总是很小,潜在地允许激光器的功率效率非常高,并减少高功率激光器的热效应(例如热透镜)。然而,明显的准三能级行为(见下文)可能会引起并发症,这是小量子缺陷的必然结果。

图1: Yb3+:YAG中Yb3+离子的能级,以及通常的泵浦和激光跃迁。

  • 简单的电子结构排除了激发态吸收和各种有害的淬火过程。
  • 与掺钕晶体相比,激光跃迁的增益带宽通常相当大。这允许宽波长调谐范围或产生超短脉冲锁模激光器。
  • 上态寿命相对较长(通常为1-2毫秒),这对Q开关和脉冲放大器是有益的。然而,它也意味着远低于例如掺钕增益介质的跃迁截面,并且这在各种情况下是有害的。

 

Quasi-three-level特点

小量子缺陷也有一个通常不想要的后果:显著的准三能级行为,特别是在短波长。这就要求这样的激光器以相对较高的泵浦强度运行,并使其更难以充分实现高功率效率的潜力。端泵浦镱激光器谐振腔设计的另一个困难是:用于注入泵浦光的谐振腔镜必须在激光波长处具有高反射率,并且在仅略短的泵浦波长处具有高透射率。对近距离波长具有这种特性的二向色镜很难制造。

图2:掺镱锗硅酸盐玻璃的吸收和发射截面,用于掺镱光纤芯(数据来自R. Paschotta的光谱测量

图2显示了锗硅酸盐玻璃的钇跃迁截面。有效的泵吸收是可能的波长约910纳米或近975纳米。在后一种情况下,泵浦线宽必须很小,由于受激发射只能达到≈50%的激发能级,但吸收长度和量子缺陷比910nm泵浦要小。

在1030nm左右发生了强烈的三能级行为,而在1080nm以上观察到近四能级行为,其中有很少的再吸收。对于掺镱晶体(例如Yb3+:YAG),通常在不同的激光跃迁之间进行选择,其中波长较短的晶体表现出更明显的三能级特性。

图3:Yb3+:YAG的吸收和发射截面(晶体温度为20℃时的数据)

图3为Yb3+:YAG的镱跃迁截面。在这种晶体材料中,吸收和发射峰比玻璃中的窄。主要的发射峰在1030nm左右,但较弱的1050nm峰也可以用于激光操作。

 

激光器

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