激光自倍频晶体研究和应用进展

激光自倍频晶体是一类同时具有激光和非线性效应的复合功能晶体。以激光自倍频晶体制作的全固态激光器具有体积小,调整方便,稳定性高等优点。自1970年代以来,以LiNbO3,YAl3(BO3)4倍频晶体为基质的激光自倍频晶体实现了自倍频激光运转。近年来,以RECa4O(BO3)3(RECOB)为基质的激光自倍频晶体受到重视和广泛研究。本文从对激光晶体、非线性光学晶体及激光自倍频晶体的基本要求出发,在综述激光自倍频晶体研究历史的基础上,讨论了激光自倍频晶体中的基波和倍频光,探讨了NYAB和Nd:GdCOB一类晶体中晶体长度,Nd3+浓度和效率之间的关系。理论估算表明,当浓度适当,晶体长度10mm时,这两类晶体的光–光转换效率可达30%以上。本文总结了NYAB系列晶体的研究历程及RECOB系列激光自倍频研究的思路及取得的成果。在最近10年中,利用山东大学生长的Yb:YAB晶体,获得1.1 W自倍频绿光,光光转换效率为10%;在RECOB体系中,比较了各种晶体的特点,选定Nd:GdCOB为主要研究对象,经过晶体掺钕浓度和长度关系,位相匹配方向、膜系及热工程等多方面研究,获得了1.36 W的545 nm绿光输出,光–光转换效率为17.1%;输出功率为1.03 W时,半小时功率波动不超过1%。这是目前为止,Nd3+离子激光自倍频晶体的最好结果。文章最后介绍了激光自倍频晶体的可能应用。通过理论和实验分析,认为到目前为止Nd:GdCOB是以Nd3+为激活离子最后的激光自倍频晶体,而在Yb3+为激活离子时,Yb:YAB晶体最佳。     

掺镱氟磷酸钙晶体实现激光连续运转

掺镱类激光晶体由于具有大的受激发射截面和长的上能级寿命 ,近年来被人们普遍看好为未来激光惯性约束核聚变研究所需要的首选激光材料。掺镱的氟磷酸钙 [Yb:Ca5( PO4) 3F,简称 Yb:FAP]晶体的发射截面为 5 .9× 1 0 - 2 0 cm2 ,上能级寿命为 1 .0 8ms,因此特别适合作高能量激光增益介质。最近我们采用中国科学院上海光学精密机械研究所新生长的高质量Yb:FAP晶体 ,首次在国内实现了连续激光输出。实验中采用的晶体尺寸为 5 mm× 5 mm×1 0 mm,Yb离子的实际掺杂的原子数分数为 1 .3%。考虑到 Yb:FAP晶体的吸收特性和发射特性 ,我们在…     

Yb：YAG晶体的热学性质及其对激光性能的影响

对于中频感应加热提拉法（Czochralski Method)生长的高掺杂浓度（原子数分数0.30)Yb:YAG晶体，经退火后采用差示扫描量热计法测量了晶体的比热容，通过激光脉冲法测量了不同掺杂浓度（原子数分数0.05-0.30Yb:YAG晶体的热扩散率和热导率。实验表明，随着Yb^3 离子浓度增加，Yb:YAG晶体在300K温度下的导热性能有明显的降低。原子数分数为0.30的Yb:YAG晶体的激光实验表明，高掺杂浓度Yb:YAG晶体热导率的降低导致了激光阈值的增加。     

两种国产新型掺Yb氟化物激光晶体的光谱特性研究SCIEI北大核心CSCD

掺Yb氟化物激光材料是继掺Yb氧化物激光材料之后的另一类重要的掺Yb激光材料,已经成为可调谐激光和超快激光领域中研究的热点之一。针对两种国产新型掺Yb的氟化物激光材料:混晶材料Yb∶CaF2-SrF2和共掺离子型的单晶材料Yb,Y∶CaF2,进行了详细的光谱特性比对实验研究。通过荧光比对实验,发现这两类激光材料的荧光光谱完全不同,并分析了不同荧光产生的物理机制。通过吸收率比对实验,讨论了两类材料中的激活离子Yb或共掺离子Y的掺杂浓度对晶体吸收特性的影响,得到了最佳掺Yb离子或共掺Y离子的浓度。利用激光二极管作为泵浦源,实现了这两类新型材料在折叠腔型下的连续激光输出运转,其中对于共掺离子型Yb,Y∶CaF2晶体是首次实现连续激光运转。通过激光对比实验,获得了两类激光材料(四种样品)的激光输入—输出关系曲线,测量了各自的斜效率和激光光谱特征。通过系统地比较两类激光晶体的吸收率、荧光光谱特性、激光光谱特性以及连续激光运转的阈值功率和斜效率等参数得出以下结论:在四种实验样品中,共掺离子型单晶材料中的3at%Yb,6at%Y∶CaF2晶体具有最好的光谱和激光特性,具有良好的应用前景。这些实验结果为进一步提升此类激光材料的性能提供了有益的参考。     

两种国产新型掺Yb氟化物激光晶体的光谱特性研究

掺Yb氟化物激光材料是继掺Yb氧化物激光材料之后的另一类重要的掺Yb激光材料,已经成为可调谐激光和超快激光领域中研究的热点之一。针对两种国产新型掺Yb的氟化物激光材料：混晶材料Yb∶CaF₂-SrF₂和共掺离子型的单晶材料Yb, Y∶CaF₂,进行了详细的光谱特性比对实验研究。通过荧光比对实验,发现这两类激光材料的荧光光谱完全不同,并分析了不同荧光产生的物理机制。通过吸收率比对实验,讨论了两类材料中的激活离子Yb或共掺离子Y的掺杂浓度对晶体吸收特性的影响,得到了最佳掺Yb离子或共掺Y离子的浓度。利用激光二极管作为泵浦源,实现了这两类新型材料在折叠腔型下的连续激光输出运转,其中对于共掺离子型Yb, Y∶CaF₂晶体是首次实现连续激光运转。通过激光对比实验,获得了两类激光材料(四种样品)的激光输入—输出关系曲线,测量了各自的斜效率和激光光谱特征。通过系统地比较两类激光晶体的吸收率、荧光光谱特性、激光光谱特性以及连续激光运转的阈值功率和斜效率等参数得出以下结论：在四种实验样品中,共掺离子型单晶材料中的3at%Yb, 6at% Y∶CaF₂晶体具有最好的光谱和激光特性,具有良好的应用前景。这些实验结果为进一步提升此类激光材料的性能提供了有益的参考。     

掺Yb3+晶体宽带可调谐激光输出特性

三块掺杂率均为5%的Yb3+激光晶体Yb:LSO、Yb:GSO和Yb:GYSO在完全相同的实验条件下由同一块熔融石英棱镜实现了可调谐激光的输出,调谐范围分别为70 nm、66 nm和74 nm.在输出镜透过率为6%时,LSO晶体的光-光转换效率为38.3%;GSO晶体在三者中容易获得更长波长的高功率输出;GYSO晶体由于具有较为平滑的调谐曲线而更容易获得锁模激光.     

掺镱钼酸锶激光晶体的光谱研究

通过晶体的吸收光谱和荧光光谱研究了Yb3+:SrMoO4激光晶体的光谱性能.由吸收光谱得到晶体在976 nm有最强吸收,该处的吸收截面为1.71×10-20cm2,吸收半峰宽为71 nm.由荧光光谱得到晶体的发射峰在1 021 nm,发射谱带半峰宽为44 nm.由倒易法计算了晶体的发射截面,计算得出晶体在1 021 nm处的发射截面为1.24×10-20cm2.通过拟合荧光寿命衰减曲线得到Yb3+:SrMoO4晶体的荧光寿命为878μs.由光谱数据计算了Yb3+:SrMoO4晶体的激光参数,计算得到饱和泵浦功率密度为4.35 kW/cm2,在激光输出波长处净透过所需要激发粒子的最小分数为10.08%,最小泵浦功率密度为O.44 kW/cm2.Yb3+:SrMoO4晶体具有较大的吸收和发射半峰宽,较长的荧光寿命和较低的激光阈值,可成为一种潜在的LD泵浦激光材料,可能应用于飞秒激光及可调谐激光领域.     

Yb∶YAG晶体的热学性质及其对激光性能的影响

对于中频感应加热提拉法 (CzochralskiMethod)生长的高掺杂浓度 (原子数分数 0 30 )Yb∶YAG晶体 ,经退火后采用差示扫描量热计法测量了晶体的比热容 ,通过激光脉冲法测量了不同掺杂浓度 (原子数分数 0 0 5～ 0 30Yb∶YAG晶体的热扩散率和热导率。实验表明 ,随着Yb3+ 离子浓度增加 ,Yb∶YAG晶体在 30 0K温度下的导热性能有明显的降低。原子数分数为 0 30的Yb∶YAG晶体的激光实验表明 ,高掺杂浓度Yb∶YAG晶体热导率的降低导致了激光阈值的增加     

Tb，Tm：YVO4晶体的激光性能分析

Tm：YVO4和Tb，Tm：YVO4晶体中激活离子之间或激活离子与敏化离子间的交叉弛豫、与无辐射跃迁及激光上能级的辐射跃迁的几率是相近的，对这种双掺离子晶体的激光阈值理论估算式中必须同时考虑离子间交叉弛豫。从激活离子能级跃迁速率方程和激光、抽运光传输方程推导出端面抽运的包含交叉弛豫几率等光学参量的激光阈值的理论估算式。用这些方程讨论了Tm：YVO4和Tb，Tm：YVO4的1．5μm和1．9μm波长的激光性能，并论述了Tb3 离子的作用。结果表明。Tb3 离子的的掺入，增加1．5μm波段激光的强度，降低阈值能量，但对1.9μm波长激光有负面作用。     

掺Yb钒酸盐晶体激光振荡中的光学双稳态现象研究

研究了三种掺Yb钒酸盐晶体Yb:LuVO4,Yb:YVO4和Yb:GdVO4的激光振荡中所呈现的光学双稳态效应.以晶体所吸收的抽运功率表征的双稳区宽度ΔPabs可超过1W,在双稳区高功率一侧的边界,即激光振荡的上阈值点,出现激光输出功率的不连续变化或跃变,同时发生亚毫秒时间尺度上的大幅度强度涨落.谐振腔的输出耦合透过率、晶体长度、晶体中的热效应等对双稳态效应均具有重要影响.     

LD端面泵浦不同掺杂离子YAG晶体的热效应研究

通过建立激光晶体热传导模型,针对相同基质YAG晶体不同掺杂离子,求解泊松方程,得到不同Nd3+和Yb3+掺杂浓度的YAG晶体内温度场分布,并进行了对比分析。研究结果表明:在相同条件下,随着Nd3+和Yb3+掺杂浓度的增加,YAG晶体端面中心温度升高,晶体中心轴温度衰减越快,热焦距越小;当Yb3+掺杂浓度达到Nd3+掺杂浓度的近10倍时,热效应基本相同。这一结论为降低同基质晶体的热效应提供了理论依据。     

LD泵浦的Er3+,Yb3+共掺杂磷酸盐铒玻璃激光性质

研究了三种不同铒离子浓度的Er3+,Yb3+共掺杂磷酸盐铒玻璃的光谱性质和激光性质,用2w,974nm半导体激光器作为泵浦源,在Er3+离子浓度为0.12×1020/cm3,0.48×1020/cm3,0.88×1020/cm3的Er3+,Yb3+共掺杂磷酸盐铒薄片玻璃中成功地实现了室温连续激光输出.讨论了铒离子掺杂浓度和样品厚度对激光性质的影响.通过比较发现在Yb3+离子浓度相当的条件下(1.5×1021/cm3),掺铒离子浓度为0.48×1020/cm3,厚度为2mm的铒玻璃具有较好的综合激光性能.它的最大激光输出功率达到43mw,斜率效率为10.2%,激光阈值为118mW,激光光谱范围为1527～1533nm,激光峰值波长为1530nm.     

双掺(Tm3+,Tb3+)LiYF4激光器1.5 μm波长激光阈值分析

由速率方程推出了双掺（Tm^3 ,Tb^3 ）离子准四能级系统的激光阈值解析式，讨论了Tm^3 和Tb^3 离子之间的相互作用。分析了1.5μm波长附近的激光阈值和Tm^3 、Tb^3 离子的掺杂原子数分数及晶体长度的关系。结果表明，对于对应Tm^3 离子^3H4→^3F4跃迁的约1.5μm波长的激光，激活离子Tm^3 的掺杂原子数分数过大时，交叉弛豫作用将使系统阈值迅速增加。Tb^3 离子的加入，一方面能抽空激光下能级，起到降低阈值的作用；另一方面亦减少了激光上能级的寿命，使阈值升高。故Tb^3 离子有最佳掺杂原子数分数。对于Tm原子数分数为y=0.01的Tm:LiYF4晶体，Tb^3 离子的最佳掺杂原子数分数为0.002左右，同时表明，激光阈值与晶体长度有关。最佳晶体长度与Tm^3 、Tb^3 离子的掺杂原子数分数以及晶体的衍射损耗和吸收损耗有关。     

LD端面泵浦矩形Yb:YAG晶体热效应研究

建立了激光晶体热传导模型。通过求解泊松方程,得到了不同Yb3+离子掺杂浓度的Yb:YAG晶体内温度场分布及由此引起的光程差和热焦距,求出了在不同泵浦半径下的端面温度分布。研究结果表明:随着Yb3+离子掺杂浓度的增加,Yb:YAG晶体端面中心温度升高,晶体中心轴温度衰减加快,热焦距变小;随着泵浦光斑半径的增大,晶体端面中心温度降低。这一结论对改善Yb:YAG晶体热效应提供了理论依据。     

Yb:FAP和Yb:C_3S_2-FAP晶体光谱的温度特性和选择激发

报导了Yb :FAP和Yb :C3S2 _FAP晶体在不同温度下的吸收光谱和荧光光谱实验结果 ,研究发现由于电子_声子近共振耦合作用 ,Yb :FAP和Yb :C3S2 _FAP晶体均存在有明显的振动谱 ,Yb :FAP晶体的零声子线在低温下还劈裂为相差 10cm- 1 的两条线 .采用激光选择激发技术研究了Yb3 离子在FAP和C3S2 _FAP晶体中的格位特征 ,结果表明Yb3 离子在这两种基质中都只占据Ca(Ⅱ )格位 ,但由于CaF2 的挥发 ,导致了Ca(Ⅱ )格位的局部畸变 .     

脉冲储能型重复频率Yb:YAG片状激光放大器ASE效应研究

探讨了脉冲储能型重复频率片状Yb:YAG激光放大器抽运过程中的自发辐射放大（ASE）效应和能量提取过程.在Yb³⁺离子抽运动力学的基础上,建立了抽运过程中的自发辐射放大模型,计算了Yb:YAG晶体中三维含时储能密度分布和全片可提取能量.讨论了不同介质尺寸、掺杂浓度及厚度、介质温度参数下,自发辐射放大对储能的影响.给出了较为优化的设计,将有助于基于Yb激光材料的大能量二极管抽运的固体激光器设计. 关键词： 脉冲储能 Yb:YAG激光放大器 自发辐射放大（ASE）     

从头计算法计算Yb3+掺杂钽酸盐的晶体场参数和能级结构

介绍了一种基于从头计算的DV-Xα方法和有效哈密顿量模型,它可以计算晶体中掺杂离子的晶体场参数和旋轨耦合参数,尤其适合计算低对称性的晶体.对于低对称性的晶体,参数的数目比能级的数目多,因此通过实验能级拟合确定所有的参数不太准确,而从头计算法可以准确地确定所有的晶体场参数和旋轨耦合参数.首先用这种模型计算了Yb3+掺杂GdTaO4晶体中的晶体场参数和旋轨耦合参数,然后给出了Yb3+在GdTaO4中的能级结构,并分析了Yb3+:GdTaO4的发射谱形成一个连续的发射带.这有利于激光的调谐和锁模激光输出,预言了Yb3+:GdTaO4有望成为新型全固态超短脉冲激光工作物质.同样用这种模型分别计算了Yb3+掺杂YTaO4和ScTaO4中的晶体场参数和旋轨耦合参数,并给出了Yb3+在YTaO4和ScTaO4中的能级结构,得到了与Yb3+:GdTaO4晶体类似的结论.     

基于钠硼铝硅酸盐玻璃的PbSe量子点红外单模光纤激光

根据实验制备的钠硼铝硅酸盐PbSe量子点玻璃及其透射电子显微镜(TEM)图、吸收谱和发射谱,计算机数值模拟了以PbSe量子点作为激活增益介质的红外单模光纤激光。应用遗传算法,通过数值求解粒子数速率方程和激光谐振腔振荡方程,优化计算了量子点光纤激光器(QDFL)的最佳抽运波长、光纤长度、掺杂浓度及出射镜反射率。结果表明:饱和抽运功率为2 W,在1676nm激光波长处,QDFL最大输出功率可达1.36 W,抽运效率达68%。与通常的掺稀土离子(Yb3+、Er3+)的光纤激光器相比,QDFL具有抽运效率高、激励阈值低、掺杂密度可调、光纤饱和长度短等特点。由于量子点辐射波长的尺寸依赖特性,容易形成多波长激射或波长可调的新型激光器。     

钛宝石泵浦的Yb:YAG晶体的激光性能

测量了Yb:YAG晶体的光谱特性,用Ar⁺离子泵浦钛宝石激光器作为泵浦源泵浦Yb:YAG晶体,采用平平腔设计,当输出耦合镜T_1.053μm=4.26%,泵浦功率为1410mW时,得到320mW1.053μm的高效CW激光输出,斜率效率为54%,外推阈值功率为203mW。     

Yb,Er:YAG中能量上转换过程研究

计算了Yb,Er:YAG晶体中Yb^3 和Er^3 离子之间交叉弛豫几率,分析了Yb,Er:YAG晶体中能量上转换过程.通过求解跃迁速率方程,得出了Yb^3 和Er^3 离子的最佳掺杂浓度.