激光论文(1)

摘 要：比较简单介绍各种掺Yb激光材料的光谱学以及热学参数,简单介绍Yb激光材料的用途以及它作为继光材料的原因

关键词：激光材料;Yb;光谱特性

0 引言

激光材料由掺杂离子(活性离子)和基质材料组成。活性离子通常是稀土离子(RE:Nd3+、Er3+、Ho3+、Tm3+、Yb3+等)或过渡金属离子(TM:Cr3+,Ti3+等)。基质材料一般是晶体和玻璃,目前激光陶瓷材料也得到了迅速发展,材料的光谱和激光性能主要由掺杂离子决定,而材料的光学、热、机械、以及其它物化性能由基质材料决定。通过对各种掺Yb激光材料性能的综合比较,合理地选择10Hz、100J级DPSSL装置的增益介质是十分重要的。

1 Yb激光材料光谱性能

图1给出了Yb离子的能级意图,f表征了斯达克分裂子能级的布居系数。Yb离子只有两个电子态,2F7/2基态和2F5/2激发态,间隔约10,000cm-1,对应于激光波长约1mm。下一个更高的5d壳层电子从100,000cm-1开始。与其它的稀土离子不同,Yb离子没有另外的4f电子态,因此Yb离子不存在激发态吸收、荧光上转换、浓度猝灭等效应(这些都是影响Nd离子激光性能的重要因素),因

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图一Yb离子的能级意图

此Yb可以实现高掺杂。然而Yb离子的下激光能级是基态分裂的子能级,室温下存在一定的热布居,因此Yb离子属于准三能级系统,相对于Nd离子,Yb的阈值抽运强度较高。低温条件下,激光下能级的热布居完全可以忽略,Yb离子趋于标准的四能级系统。准三能级意指使用基态作为激光下能级,由于斯达克效应,基态分裂为多重态,真正的激光下能级是基态多重态中的一个子能级。因此与四能级系统的本质区别是,准三能级激光下能级有一定的热布居数(服从波尔兹曼热分布),激光性能对介质的温升敏感,热布居比例以及对温度的敏感度视激光下能级距最低的子能级间距而定,即E1。由于Yb离子的两能级特性,吸收光谱和发射光谱之间有一定的交叠,因此几乎所有的掺Yb介质对激光波长都具有一定的吸收(通常称为再吸收系数),这是Yb激光介质的一个不利因素。这一吸收可表示为:areabs=se·fal·Ntot,或sreabs=se·fal(1)(1)式中,fal是激光下能级的热布居系数,se是受激发射截面,sreabs为再吸收截面,也可表示为sa

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。比如,对于原子数分数为10%的

Yb:YAG,f=0.046,areabs=1.46cm-1,对于0.18×1020cm-3的。克服这一吸收,连续运行时激光阈值增加,准连续运行时也会降低系统的效率。通常引进一个阈值抽运强度(透明抽运强度)

来衡量Yb激光介bmin={1+(Zl/Zu)exp[(EZL-hc/l)/kT]}-1Isat=1fap+fbp·hvpsatf(3)(3)式中Zl,Zu分别是2F7/2和2F5/2的配分函数,Ezl是零线能量,室温下KT=205cm-1。一般地,整形后的激光二极管二维阵列能获得的抽运强度约10~20kW/cm2,因此对于连续器件,为降低阈值抽运功率,Yb材料的Imin≤1kW/cm2是比较理想的。Yb:YAG固体激光增益材料是一种非常具有吸引力的激光介质,除了具备Yb介质共有的属性(长的荧光寿命,简单能级结构等),它还具有以下特点:

1非常高的掺杂浓度(原子数分数100%);

2低量子缺陷导致的低热生成率,是Nd:YAG的三分之一至四分之一; 3高的饱和储能密度; 4较宽的荧光线宽; 5宽的抽运吸收带。

因Yb玻璃的发射谱宽可达35~60nm,并且相当平滑。晶体的吸收和发射谱均较窄,因此如何耦合“良好的热性能”以及“宽且光滑的发射光谱”获得可调谐的超短超快应用,是Yb晶体材料的研究目标之一,Yb:GdCOB、Yb:YCOB,Yb:LaCOB正是这一类材料,它们的共同特点是具有更宽、更光滑的发射线型,发射带宽均在45nm左右,但是发射截面只有(0.3~0.4)×10-20cm2。因此是100fs以内超短脉冲光源合适的激光介质。3Yb激光材料应用根据前文对各类掺Yb激光材料性能的描述,目前Yb激光器的应用主要表现在以下三个方面:1)超短脉冲产生和放大,及宽带调谐;2)高平均功率器件;3)重复频率脉冲储能器件,比如纳秒级大能量DPSSL装置。

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2 超短脉冲产生和放大以及宽带调谐脉宽和频谱的傅里叶变换极

限为(t·△n)FWHM≥0.315,因此对于1mm波长的光脉冲,理论脉宽为tp=1.1×10-21/△l。一般地,为获得宽的发射带宽,Yb离子必须处于一个多格位或高度的结构无序环境中,这样才能导致分裂的能级趋于平滑,获得宽的发射谱。 2.1 高平均功率器件

由于大多数Yb介质不受掺杂浓度的限制,因此可使用薄片高掺杂晶体,实现千瓦以上的输出,并且还在继续定标放大。薄片高掺杂兼顾了热管理、抽运吸收效率及光束质量的综合要求,当然这一方案采用了较复杂的抽运构型,以便抽运光的充分吸收。然而,大多数Yb材料具有较低的热导率,通常小于3W/(m·K),因此能够满足高平均功率运行的激光介质也是有限的。从已有的掺Yb晶体材料来看,Yb:Sc2O3,Yb:Y2O3,Yb:Lu2O3,Yb:YAG,Yb:KGW,Yb:KYW(由高到低)的热导率大于3W/(m·K)。但是要实现高效率高平均功率运行,还要看它们的发射截面、吸收截面、吸收带宽、可掺杂浓度等其它参数。综合看来,Yb:YAG的参数最理想,可实现很高的掺杂浓度,即使是亚毫米厚度的增益介质也能有效地吸收抽运光;另外,YAG晶体材料优良的热机械性能也是其它晶体材料无法比拟的。因此,目前在连续运行的高平均功率器件方面主要集中在Yb:YAG材料上。 2.2 重复频率脉冲储能器件

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大多数Yb介质的上能级寿命都达到了毫秒量级,非常适合于功率受限的激光二极管抽运,也便于储能。然而要实现高效率、重复频率的高峰值功率(纳秒级大能量)输出,还要综合考虑以下诸多参量

1)发射截面(提取截面)与发射带宽: 2)吸收截面与吸收带宽

3)介质热管理及激光性能对温度敏感性 4)上能级寿命 5)材料可获得性

6)其它方面:准三能级材料降低阈值、提高效率的有效途径是在低温下使用

3 Yb激光材料热性能

热性能涉及很多参量,这里仅讨论最重要的热导率参量,而其它参量与热导率有关或决定于晶体材料本身。对于高平均功率或重复频率固体激光器,热管理是十分重要的,特别是准三能级Yb离子(Nd有时也运行于准三能级946nm)。除了光束质量、激光效率之外,介质的热断裂为最终的限制因素。通常,晶体材料掺杂荧光离子后,热导率都要下降。由于浓度猝灭效应,Nd掺杂浓度都很低,比如硅玻璃中Nd2O3掺杂原子数分数通常小于5%,磷玻璃中小于4%,Nd:YAG中小于1.1%,Nd:YLF中1%左右。因此基质材料的热导率降低效应被忽略,但很显然,这一效应不应被忽视,特别是Yb高掺杂时。绝缘晶体的热导率由晶格振动决定,晶体的局部加热通过晶格振动来扩散。热导率受限于晶体的表面缺陷、晶格缺陷及杂质等的声子散射。荧光离子掺杂浓度越高,对晶格场(声子散射场)的影响越显著。

4 结束语

激光二极管抽运的一个潜在要求是连续或准连续运行及系统的高效率,以便体现激光二极管抽运的意义和价值。表3给出了各种掺Yb激光材料的合理应用领域。表3说明,Yb:YAG为纳秒、100J级重频DPSSL放大器合适的增益介质,唯一的不足是室温下Yb:YAG的发射截面略低(只有2.3×10-20cm2),激光饱和通量达到了9J/cm2,同时,低温时YAG晶体的热机械性能显著改善,更适合于准连续运行。至今人们对Yb:YAG材料的认识已相当充分,YAG激光陶瓷也是目前的研究方向之一。

参 考 文 献

1．J.Lu,M.Prabhu,J.Songetal..OpticalpropertiesandhighlyefficientlaseroscillationofNd:YAGceramics[J].Appl.Phys.B,2000,71:469~473

2．J.Lu,J.F.Bisson,K.Takaichietal..Yb3+:Sc2O3ceramiclaser[J].Appl.Phys.Lett.,2003,83(6):1101~1103

3．P.Lacovara,H.K.Choi,C.A.Wangetal..Room-temperaturediode-pumpedYb:YAGlaser[J].Opt.Lett.,1991,16(14)1089~1091

4．A.Giesen,H.Hugel,A.Vossetal..Scalableconceptfordiode-pumpedhigh-powersolid-statelasers\"[J

],Appl.Phys.concentrationinyttriumaluminumgarnet[J].J.Opt.Soc.Am.B,2003,20(9):1975~1979 5.於海武,徐美健,段文涛等.惯性聚变能源激光驱动器研究进展[J].激光与光电子学进展,2006,43(9):55~62