Yb∶S-FAP晶体/掺Yb3+激光晶体

 

  用于高功率激光晶体的主要是掺钕和镱的,掺钕的晶体主要有掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)、掺钕铝酸钇(Nd:YAP)、掺铝钆稼石榴石(Nd:GGG)和掺钕铝酸镁镧(Nd:LMA)等。掺镱激光晶体,包括有掺镱钇铝石榴石(Yb:YAG)、掺镱钆镓石榴石(Yb:GGG)、掺镱氟磷酸钙(Yb:FAP)、掺镱氟磷酸锶(Yb:S-FAP)、掺镱钒酸钇(Yb:YV04)、掺镱硼酸盐和硅酸盐等。FAP是其中的佼佼者。

  在Yb∶FAP和Yb∶S-FAP晶体中,由于FAP和S-FAP基质能给Yb3+离子提供目前其它基质无可比拟的晶场环境而产生最大的晶场分裂能,优异的光谱性能使它具有阈值低,增益大,效率高等特点。

   掺Yb的Sr5(PO4)3F具有吸收截面和发射截面大、阈值低、增益大、成本低、储能大等优点。

掺Yb3+激光晶体的特点

  与其它的稀土激活离子相比,Yb3+离子具有如下特点:
(1)Yb3+为能级结构最简单的激活离子,电子构型为4f13,仅有一个基态2F7/2和一个激发态2F5/2,两者的能量间隔约为10000cm-1,在晶场作用下,能级产生斯塔克分裂,形成准三能级的激光运行机制;
(2)Yb3+吸收带在0.9~1.1μm波长范围,能与InGaAs LD泵浦源有效耦合,且吸收线宽(FWHM)宽,无需严格的温度控制即可获得相位匹配的LD泵浦源的泵浦波长;
(3)量子缺陷低,泵浦波长与激光输出波长非常接近,这将导致大的本征激光斜率效率,理论上量子效率高达90%左右;
(4)由于泵浦能级靠近激光上能级,无辐射弛豫引起的材料中的热负荷低,仅为掺Nd3+同种激光材料的三分之一;
(5)光转换效率高;
(6)荧光寿命长,为掺Nd3+同种激光材料的三倍多,长的荧光寿命有利于储能;
(7)在Yb3+掺杂浓度较高的情况下,多数晶体不出现浓度猝灭现象。
在掺Yb3+激光材料中,由于可实现Yb3+离子的高浓度掺杂,因此增益介质可做成微片,这是一些传统的稀土离子所做不到的。这对实现LD泵浦的固体激光器的集成化、小型化和结构紧凑将具有十分重要的意义。

 

掺Yb3+激光晶体的光谱特性

  激光晶体的光谱特性通常用下列参数衡量:吸收截面、吸收线宽、发射截面、发射线宽、荧光寿命和荧光量子效率等。
表1为几种广泛研究的掺Yb3+激光晶体的光谱性能参数。

Table 1 The spectroscopic performances of several Yb3+ doped crystals
Crystal Parameters
λabs

(nm)

Δλabs
(nm)
σabs
(10-20cm2)
λext
(nm)
Δλext
(nm)
σem
(10-20cm2)
τem
(ms)
βmin Isat
(kW/cm2)
Imin
(kW/cm2)
Yb∶YAG 940 19 0.8 1030 9 2.0 1.3 0.055 28 1.53
Yb∶FAP 905 2.4 10.0 1043 4.0 5.9 1.10 0.047 2.0 0.09
Yb∶S-FAP 899 3.7 8.6 1047 4.1 7.3 1.26 0.043 2.0 0.09
Yb∶BCBF 912 19 1.1 1034 24 1.3 1.17 0.097 17 1.64

 

Yb∶YAG晶体激光性能的主要研究进展

Table 2 The progress on laser performance of Yb∶YAG

Year Institute Crystal size and doping

level(atom fraction,%)

Pump source Slope efficiency Output power
(λ=1.03μm)
1971 Texas Instrument
Incorparation
2×2×25mm(10%) GaAs∶Si(LED) 5% 0.7W(77K)
1991 Lincoln Lab. 1.65mm thick
(6.5%)
Ti∶Sapphire
InGaAs(968nm)
56%
31%
46mW
23mW
1994 Lincoln Lab. 0.4mm thick
(25%)
InGaAs 47% 210mW
1994 Universitat
Stuttgart
0.7mm thick(9%) InGaAs 68% 4.4W
1995 Hughes Research
Lab.
0.8×4.5×2.6nm
(15%)
InGaAs 27% 50mJ/pulse
15Hz
1995 Universitat
Stuttgart
0.3-0.4mm thick
(8%)
InGaAs LD
fiber coupled
66.5% 9.5W at 203K
(1.018-1.05μm)
1996 Hughes Research
Lab.
2×20mm(1 %) InGaAs LD array
(941nm)
30% 150W,
average:69W
1996 Fukui Univerdity 1.1mm thick
(10%)
Ti∶Sapphire
(913nm)
32% 41.6mW(9.4ns)
1998 Lawrence Livermore
National Lab.(LLNL)
2×50mm
(0.5%)
InGaAs LD stack
packaged
27% 434W
1998 Hughes Research
Lab.
3×30mm(1.5%) InGaAs LD array 50% 950W
1999 LLNL 2×50mm
(6×1019cm-3)
InGaAs LD array 12% 220W(CW)
195W(5kHz)
Q-switched
... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ...

 

掺Yb3+磷灰石结构晶体

  掺Yb3+磷灰石结构晶体主要包括Yb∶S-FAP和Yb∶FAP,其最大特点是光谱性能优异,具有阈值低、增益大、效率高和成本低等优点。缺点是这类晶体的热力学性能和机械性能均不好、生长过程中由于组分严重挥发而难以获得高质量大尺寸单晶。Chai B H等采用改进的提拉法工艺获得了较大尺寸的高质量单晶。Yb∶FAP和Yb∶S-FAP激光性能研究的主要进展如表3所示。对Yb∶FAP和Yb∶S-FAP晶体,由于吸收系数较小,通常采用端面泵浦,泵浦源既可用钛宝石激光器,也可用InGaAs激光二极管(900nm)。

Table 3 The progress on laser performance of Yb∶FAP and Yb∶S-FAP

year Institute Crystal specimen Pump source Slope efficiency Output power
1993 LLNL Yb∶FAP Ti∶Sapphire(905nm) 60.5% 214mW
1994 LLNL Yb∶FAP Ti∶Sapphire(905nm) 79% 900mW
1994 LLNL Yb∶S-VAP
Yb∶C3S2-FAP
Ti∶Sapphire(905nm) 67.1%
55.2%
440mW
420mW
1994 LLNL Yb∶S-FAP Ti∶Sapphire(905nm) 71.5% 505mW
1996 LLNL Yb∶S-FAP InGaAs LD array 43% 13W
70Hz(50μs)
1996 LLNL Yb∶S-FAP InGaAs LD array   47mJ/27ns
2Hz,50W
1996 University of
Manchester
Yb∶S-FAP InGaAs(900nm) 78% 75mW
1997 Tianjin
University
(China)
Yb∶S-FAP Ti∶Sapphire(905nm)   50mW
pulse-width
35.4ps
1998 University of
Manchester
Yb∶SFAP InGaAs(900nm) 53% 150mW
125μJ/pulse
1998 LLNL Yb∶S-FAP InGaAs LD array 10% 100J at 1-10ns,
10Hz

Table 4 Survey for laser and spectroscopic characteristics of rare-earth-doped gain media

Rare earth ion Storage lifetime

(ms)

Emission cross section
(10-20cm2)
Extraction efficiency
(%)
Laser wavelength
(nm)
Diode material
Nd 0.2-1.3 . >1.3 * <70 × ~1050 * AlGaAs *
Yb 1-5 . 0.1-6 * <95 * ~1030 * InGaAs *
Er 5-15 * 0.1-0.5 × <90 * ~1630 . InGaAsP .
Tm 5-15 * 0.1-0.5 × <90 * ~1950 . InGaAsP .
Ho 5-15 * 0.3-1.8 * <75 × ~2100 . InGaAsP .

*:Acceptable; .:Marginal; ×:Not acceptable

 

值得注意的是,Yb∶S-FAP跟二极管的输出特性匹配很好,类似Nd玻璃与闪光灯泵浦源相位匹配的情况。Yb∶S-FAP在900nm附近具有吸收线宽约为4nm的吸收带,可用InGaAs二极管阵列作为泵浦源。与其它掺Yb3+激光介质不同的是:Yb∶S-FAP晶体的吸收和发射截面都比较大,这使Yb粒子数反转容易做到大于50%。在1.047μm处的增益截面为7.3×10-20cm2,确保能有效地提取能量,其1.26ms的荧光寿命为有效地储存泵浦能量创造了条件。因此,随着LD作为惯性聚变能择优泵浦源的出现,Yb∶S-FAP就成为了惯性约束核聚变(ICF)理想增益介质的候选材料。表4概述了几种稀土激活离子的光谱和激光特性。