陶瓷增益介质

2021-03-15 14:22:25 浏览:297

定义

具有陶瓷微观结构的激光增益介质。

一般来讲,固态增益介质为晶体或者玻璃。晶体通常是单晶,因为多晶介质通常在边界具有很强的散射。然而,从上世纪九十年代,一种多晶介质——陶瓷通过精细的制备技术极大的降低了散射损耗,尤其是采用了真空烧结技术。开始采用的是粉末中非常小的离子,然后经过细化工艺产生的纳米离子具有可控尺寸,非常小的微晶和气孔,得到的散射损耗比单晶大不了很多。尤其是在钇铝石榴石中已经实现。掺钕的YAG陶瓷可以得到与掺钕YAG单晶相同的激光器效率。掺镱增益介质也具有相同的性能。陶瓷也可以用做电子振动激光增益介质。

陶瓷激光增益介质相比于单晶具有很多重要的优势:

1、制备成本低,尤其是制作很大片的情况下。

2、陶瓷增益介质可以制作成任意形状和尺寸,然而单晶增长技术则会限制介质尺寸。

3、陶瓷也可以产生复合增益介质,包括不同的掺杂程度,甚至不同的掺杂物。还可以包含一个可饱和吸收器用于被动Q开关[11]

4、很容易得到具有空间变化的掺杂浓度。这能够为激光器设计提供额外的自由度。

5、对于掺钕和掺镱YAG陶瓷,可以实现更高的掺杂浓度,但是不会产生淬灭效应降低激光器效率。

6、有些材料,例如氧化钇(Y2O3),氧化钪(Sc2O3)和其它钛氧化物具有很高的熔点,很难长成单晶,但是很容易得到陶瓷形式,因为烧结温度比熔点温度低很多[8]。 Y2O3和Sc2O3的高热导率是这些材料优于YAG。

基于以上原因,陶瓷增益介质在很多情况下可以取代戴静,尤其是在大体积应用和需要很大增益介质的情况。

需要注意的是,陶瓷用在激光器上不仅仅可以作为增益介质。有些增益介质,例如氮化铝陶瓷,具有很高的热导率,可以作为很好的电绝缘体。这也使它们可以用在高功率激光二极管中的热沉。

参考文献

[1] E. Carnall et al., “Optical studies on hot-pressed. polycrystalline CaF2 with clean grain boundaries”, Mater. Sci. Res. 3, 165 (1966)
[2] A. Ikesue et al., “Fabrication and optical properties of high-performance polycrystalline Nd:YAG ceramics for solid-state lasers”, J. Am. Ceram. Soc. 78, 1033 (1995)
[3] J. Lu et al., “Optical properties and highly efficient laser oscillation of Nd:YAG ceramics” Appl. Phys. B 71, 469 (2000)
[4] G. A. Kumar et al., “Spectroscopic and stimulated emission characteristics of Nd3+ in transparent YAG ceramics” IEEE J. Quantum Electron. 40, 747 (2004)
[5] J. Lu et al., “Neodymium doped yttrium aluminum garnet (Y3Al5O12) nanocrystalline ceramics – a new generation of solid-state laser and optical materials”, J. Alloy. Compd. 341, 220 (2002)
[6] Y. Qi et al., “Nd:YAG ceramic laser obtained high slope-efficiency of 62% in high power applications”, Opt. Express 13 (22), 8725 (2005)
[7] L. D. Merkle et al., “Concentration quenching in fine-grained ceramic Nd:YAG”, Opt. Express 14 (9), 3893 (2006)
[8] J. Kong et al., “High-efficiency 1040 and 1078 nm laser emission of a Yb:Y2O3 ceramic laser with 976 nm diode pumping”, Opt. Lett. 32 (3), 247 (2007)
[9] T. Taira, “RE3+-ion-doped YAG ceramic lasers”, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 13 (3), 798 (2007)
[10] J. Dong et al., “Laser-diode pumped heavy-doped Yb.YAG ceramic lasers”, Opt. Lett. 32 (13), 1890 (2007)
[11] J. Dong et al., “Composite Yb:YAG/Cr4+:YAG ceramics picosecond microchip lasers”, Opt. Express 15 (22), 14516 (2007)
[12] M. O. Ramirez et al., “Three-dimensional grain boundary spectroscopy in transparent high power ceramic laser materials”, Opt. Express 16 (9), 5965 (2008)
[13] A. Ikesue and Y. L. Aung, “Ceramic laser materials”, Nature Photon. 2, 721 (2008)

参阅:增益介质、激光晶体与玻璃、掺钕增益介质、高功率激光器

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