掺铒增益介质(Erbium-doped gain media)

2021-03-19 17:10:18 浏览:930

定义

掺有铒离子的激光增益介质。

铒(化学符号:Er)是属于稀土金属一类的化学元素。其常以三价离子Er3+的形式掺杂于作为激光增益介质的晶体和玻璃中。

掺铒玻璃

图 1  三价铒离子的能级示意图 

掺铒玻璃(主要以硅酸盐和磷酸盐的形式)大量的存在于固体激光器和光纤激光器以及光纤放大器中。最常见的激光跃迁是从4I13/2态跃迁到基态4I15/2(如图一所示)。受不同的玻璃成分影响,跃迁产生的激光的波长在1.53um到1.6um之间。由于该跃迁是一个准三能级系统,掺铒激光器和放大器需要对于铒离子给予一个较为显著地激励,因此掺铒激光器通常会有一个较高的泵浦阈值功率。

最为常见的泵浦方案是基于4I15/24I11/2的跃迁,其泵浦波长为0.9um到1um,有时也会利用4I15/24I13/2的跃迁(其泵浦波长为1.45um)。一个多声子跃迁过程会导致从4I11/2态跃迁到4I13/2态,在玻璃中这个过程中的声子能量较高,使得该过程会较快的发生。4I13/2态的上能级寿命在8~10ms,而由于这种多声子衰退过程使得所有更高能级的寿命最多也就几个微秒。

由于吸收跃迁截面较小,在固体和光纤的掺铒增益介质中要获得高效率的4I15/24I11/2泵浦吸收跃迁很难。而为了避免淬火效应,一般不会对掺铒增益介质进行很高的掺杂。通常会利用同时掺入镱离子(Yb3+)作为激活剂来解决这一问题。镱离子可以很有效的吸收980nm的泵浦光,然后再将能量转移给处于基态的铒离子并将其激发到4I11/2态。然后这些处于4I11/2态的铒离子会很快的跃迁到4I13/2态,从而从铒离子到镱离子的反向能量转换也就被抑制了。铒镱共掺的光纤通常被用于掺铒光纤放大器和短腔光纤激光器中。

不同玻璃基质中的铒离子的性质可以是完全不同的,特别是在声子能量较低的介质中。例如在氟玻璃中的声子能量较低,导致多声子的跃迁速率大幅降低。在这种光纤中,大量的粒子数会被聚集在更高能量的能级中,因而可以实现不同的泵浦波长和激光振荡波长。例如,可以实现释放绿光的光纤式上转换激光器[2],实现波长为2.9um的激光器[12]

图 2 铒镱共掺磷酸盐玻璃中铒离子的吸收和发射截面[10] 

图 3 激发水平从0到100%(每隔10%一个曲线)下,图2中介质的有效增益曲线

在较高的掺杂浓度水平下,除了上述的光学和多声子的跃迁,还有许多其它的能量传递过程会发生,如协作上转换效应等。在协作上转换效应中,一个处于4I13/2态的铒离子会将能量传给另一个同态的铒离子,从而产生一个4I9/2态的铒离子和一个基态的铒离子。

使用掺铒玻璃的调Q激光器(如微片激光器)也可以在1.5um区域产生激光,其可以用于测距。这种激光器除了用以上的方式泵浦还可以使用灯泵,特别是当使用铬(Cr3+)、镱(Yb3+)等共掺杂离子提高泵浦的吸收效率的时候。当然掺铒玻璃的最重要的应用领域还是光纤通信中的掺铒光纤放大器。

掺铒晶体

基于铒离子的激光是在高掺杂的铒:YAG激光晶体中首次实现的。在这种情况下激光是产生于4I11/24I13/2的跃迁的,其波长为2.9um。由于低能级有着相对于高能级长很多的寿命,在低掺杂的情况下,4I11/24I13/2的跃迁是会自行终止的。但是对于高掺杂的情况,由于复杂的能量传递过程的作用,4I11/24I13/2的跃迁则是可以发生的。

掺铒:YAG激光器也可以实现4I13/24I15/2的跃迁,然后释放出1.645um的激光。通过同一带内的泵浦,如利用掺铒激光器产生的1.53um的激光,可以实现激光器的高效运行。

铒: YAG晶体可以利用灯泵或激光二极管泵浦(后者更有效) 。它们通常用于在调Q激光器。由于2.9微米的光在水中会被强烈地吸收,使得这种激光器适用于各种各样的医疗应用。

铒有时也用在其它激光晶体,如铒:YLF、铒:YALO、钨酸盐和钒酸盐。

参考文献

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参阅:增益介质、稀土掺杂增益介质、上转换激光器

激光器

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