利用锁模技术产生的超短脉冲固体激光器研究进展毕业论文.doc

1 前言利用锁模技术产生的超短脉冲具有皮秒、飞秒量级的脉冲宽度，高脉冲重复频率，宽的光谱和高的峰值功率，作为揭示微观世界超快现象的重要手段，被广泛应用于物理、化学、生物学、激光光谱学、光通信以及激光精细加工等众多领域。掺钛蓝宝石晶体自1991年首次实现锁模激光以来，因具有宽调谐、窄脉冲和高功率等特点使其成为迄今为止在近红外波段性能最好的固体调谐脉冲光源。但钛宝石晶体的缺点是受激发射截面和上能级寿命乘积（）因子太小，难以生长出大尺寸晶体，不适于灯泵浦；同时它的吸收带在蓝绿波段，对泵浦光源要求苛刻，只能用Ar离子激光或掺Nd离子的固体激光倍频绿光来泵浦，不能用LD直接泵浦，从而导致结构庞大、维护费用高。目前，在几个飞秒超快时域中其他的锁模激光器还无法替代钛宝石激光。因此，在几十飞秒到亚皮秒超快时域的应用中，能够实现LD泵浦超短脉冲的新激光材料越来越受到人们的关注。最终将实现LD直接泵浦的高效率、小型化全固态超快激光器。目前，虽然Nd:YAG、 Nd:YVO4和Nd:YLF类的激光晶体适合于LD泵浦，利用半导体饱和吸收镜（SESAM）可以获得被动锁模激光运转，但增益带宽只有1nm左右，输出脉冲宽度仅为ps量级 。相比较而言，掺镱（Yb3+）类激光晶体在满足超快激光条件上更具优势，脉宽可小于100fs 。Yb3+是能级结构最简单的稀土激活离子，仅有一个基态2 F7 /2和2 F5 /2一个激发态，不存在激发态吸收和上转换，光转换效率高，荧光寿命较长。Yb3+吸收带在0.91.1m范围内能与InGaAs LD泵浦源有效耦合，且吸收线宽较宽；泵浦波长与激光输出波长非常接近，量子效率高；可实现高浓度Yb3+离子的掺杂，增益介质可做成微片。因此， Yb3+离子掺杂的晶体将是全固态超快激光一个重要的发展方向。1.1固体激光器 固体激光器是以固体材料为工作物质的激光器。激光晶体激光玻璃和激光陶瓷是固体激光器三种最主要的工作物质。1.11固体激光器的历史，发展现状及应用固体激光器的发展大致经历了以下几个阶段2在上世纪六十年代，固体激光器发展迅速，在振荡，放大调Q，锁模和锁模等技术和应用都获得了迅速发展。进入七十年代固体激光器发展缓慢，八十年代后，高功率固体激光器，可协调固体激光器和高效率固体激光器迅速发展，固体激光器前景广阔。九十年代至今，固体激光器得到了迅速而长远的发展，在各种新的领域不断有新的应用和发展。固体激光器具有输出能量大，具有很高的峰值功率，紧凑的器件结构，便于光纤耦合，比气体激光器波长短，使用寿命长和单元技术成熟。 固体激光器在工业激光材料加工激光医学和化学，科学研究与发展以及国防军事等方面都获得了广泛的发展，以用于激光打孔，焊接切割，微调，划片，打标，热处理，手术刀，医学诊断，激光雷达，全息摄影，激光存储，激光测污和环境监测，遥感，水下探测，激光光谱分析，激光测距，目标指示，指导，致眩和惯性约束聚变等，形成了广阔的世界固体激光市场。1.1.2固体激光器工作物质固体激光器对工作物质的一般要求可归结为2（1） 在激光工作频率范围内应该透明，这样当光产生色心时，不会引起吸收的显著增加（2） 掺入的激活离子受激发射截面要足够大，激励光谱要有效。吸收光谱和泵浦光的辐射谱要有近可能多的重叠才能充分利用泵浦光能量（3） 要求掺入的激活离子的浓度要高，有小的浓度猝灭效应，荧光寿命也要足够长（4） 需要有很高的光学质量，有害杂质，光学不均匀性气泡条纹等缺陷尽可能少，内应力少。入射光的偏振态的变化和入射光的波面畸变的变化不能再材料中产生。（5） 荧光量子效率高各方面性能好，有利于实验。容易产出大尺寸材料，工艺简单，成本低廉。固体基质材料主要有晶体玻璃和陶瓷。玻璃中的主要元素以共价键结合在一起，形成网状结构，其特点是进程有序而远程无序。在网络的空隙之中分散着掺入的激活离子，而这些网络会对离子产生电场，称为配位体电场，其对各个激活离子的影响不尽相同使离子谱线呈非均匀加宽。同样在晶体中离子排列有序，形成晶格结构，有序的晶格场对各离子的影响相同，离子谱线均匀加宽。发光中心的y b离子属于稀土离子，由于外层电子对内层电子的屏蔽作用，而这类离子未满壳的电子是内层电子，因而不论在什么基质中。这类离子的离子光谱变化不大与自由状态光谱大体相同。1.2 掺Yb3+激光晶体的特点25（1）。没有在激发态吸收和上转换的问题，具有较高的光转换效率（2）镱离子具有最简单的激活离子的能级结构，电子组态为Xe4f13 ，只有一个基态2F7/2和一个激发态2F5/2，两者之间的能级间隔约10000cm-1，在晶体场的作用下，斯塔克能级产生分裂，一个准三能级激光器运行机制便形成了（3）可以将Yb3+进行很高浓度的掺杂并且不会出现浓度猝灭现象（4）由无辐射弛豫引起的材料中的热负荷比较低，仅仅是掺Nd3+同种激光材料的三分之一，这是由于泵浦能级接近上层能级造成的。（5）在)Yb3+吸收波长范围为0.91.1m波段的InGaAs LD泵浦源的有效耦合，且吸收线宽（半宽）宽没有严格的温度控制，以获得相匹配的泵LD泵浦源泵浦波长;（6）具有很长的荧光寿命，这样有利于储能，为掺Nd3+同种激光材料的三倍多。（7）。量子缺陷低，泵浦波长跟激光输出波长非常接近，这样一来，大的本证激光斜率效率与量子效率可达90;产品特点可以看出，从以上：LD泵浦的掺Yb3+ 激光器在某些应用上比其他类型激光25器更好。掺Yb3+激光材料，由于Yb3+离子，实现了高掺杂浓度，增益介质可镱做成为微片，这是传统的稀土离子有些却不能。这对LD泵浦固体激光器实现了一体化，小型化，结构紧凑将有很大的意义。 1.2.2Yb3+离子在掺杂固体中的光谱特性由下图可以看到，Yb3+离子仅有两个电子态，基态2F7/2和激发态2F5/2，由于2F5/2这个能级不存在任何其他激光态能级，所以可以避免转换，激发态吸收和弛豫振荡等激光能量损耗。在晶格场作用下，能级发生分裂，激光过程最有可能发生在上能级2F5/2最低的Stark能级和下能级2F5/2的子能级之间，形成准三能级的激光运行基质。然而，准三能级的一个最大缺陷就是基态能级和激光跃迁的终止能级属于同一个能级多重态，Yb3+离子的光谱和激光性能在很大程度上依赖于基质材料2F7/2泵浦跃迁 零线跃迁激光跃迁2F5/2 表1.1 掺Yb3+能级结构图2 掺Yb3+离子激光晶体2.1掺Yb3+离子激光晶体的历史和发展1当Yb3+离子掺杂于石榴石系列晶体时，人们一直认为它是可产生激光的离子。早期影响其进一步发展的主要障碍是Yb3+离子对泵浦源有限吸收的特征。因为Yb3+离子仅有基态和激发态两个电子态，这两个电子态的能量间隔为10000cm-1，Yb3+离子电子构型为4f13，二十世纪六七十年代，Yb3+离子激光晶体发展缓慢，一直到发射波长为0.9-1.1um的InGaAs激光二极管出现，掺Yb3+离子材料才焕发了新的活力。Yb3+离子的主要吸收峰位0.9-1.0um，能与高亮度的InGaAs 激光二极管泵浦源有效耦合。由于Yb3+离子独特的结构，使之越来越多的应用到固体激光材料中。掺Yb3+离子激光晶体的发展与Yb：YAG晶体的发展密切相关。在20世纪六十年代人们开始发现掺Yb3+离子在某些晶体中的光谱特性，1971年，科学家用YbYAG晶体的泵浦在77K的温度下获得了1.029um的脉冲输出，得到了0.7w的峰值功率，研究掺Yb3+离子晶体的序幕由此揭开。在在此之后的20年时间里，对掺Yb3+激光晶激光性能的研究处于停滞不前的状态，原因是缺少更有效的的泵浦原，进入90年代，掺Yb3+离子激光晶体得到了长远的发展。泵浦原InGaAs二极管的输出功率和其稳定性升高且价格下降，人们对激光器性能高效性，高功率小型化和集成化的特点愈加重视，掺Yb3+离子晶体由于适应这一波段而日益被人们重视。掺Yb3+离子激光晶体在惯性约束核聚变以及在通信，军事上有着巨大的应用潜力，因而将Yb3+离子激光晶体的研究推上了高潮。国内外的许多著名的研究机构纷纷开始研究Yb3+激光晶体，期望发展高效率高功率的固体激光器。1991年，美国林肯实验室的科学家首次公布了InGaAs二极管泵浦原YbYAG晶体获得连续激光输出，吸收泵浦功率为245mw时，获得了23mw的最大输出功率。1993年FAN等人首次利用InGaAs二极管泵浦原，在室温下获得了Yb;YAG圆盘激光器的输出功率已达到41kw。目前，Yb3+在可调谐激光和飞秒激光输出方面也得到了迅猛发展， Yb3+离子输出激光最短脉冲宽已达到70fs。YbYAG晶体由于光学性能优良，机械性能比较好，化学性能稳定，可进行较高浓度的掺杂而受到人们的关注与青睐。2.2掺Yb3+激光晶体的类型1：目前，掺Yb3+在数十种激光晶体基质都获得了激光输出。这些晶体在连续波.波长协调.自调Q.自备频.被动锁模等多种工作方式下分别表现出了优异的激光性能。同时，Yb3+也是一种高效率的敏化离子，可以用作多种激光激活离子的泵浦能量吸收敏化剂，如Er3+，Ho3+，Tm3+，Nd3+，Cr4+等。激光晶体的分类方式有多种，有按激光活离子的种类分类，有按基质晶体的结构和成分特性进行分类，有按性能进行分类等。按照基质晶体的结构和成分特性进行分类17，主要有：石榴石型晶体，如Yb;YAG,Yb:GGG,Cr4+，Yb：YAG,磷灰石晶体，如Yb：FAP,Yb;CS-FAP,YB:S-FA P 等；硼酸盐晶体，如Yb：YAB.Yb：YCOB,Yb：GdCOB.Yb：BOYS等；氟化物晶体，如Yb：CaF2,Yb3+,Na+：CaF2,硅酸盐晶体，如Yb：LSO,Yb：YSO,Yb：GSO等，钒酸盐晶体，如Yb：YVO4,Yb：GdVO4等，钨酸盐晶体，如Yb：KYW.Yb：KGW,Yb：KLUW等表2.1掺Yb3+离子不同基质激光特性27基质泵浦波长（nm）激光波长（nm）发射带宽（nm）荧光寿命（ms）脉冲宽度（fs）平均功率（mw）YAG94210508.50.951363.1YAB9701040200.68198440BOYS9751062601.16980YCOB9761052452.28210160GdCOB9761045442.69040KYW9401057240.771120KGW9401037250.75100126SYS9791066730.870156Sc2O3976104411.60.8230540Lu2o39761033.5130.82220266CaF29791043802.4150880YVO49801021310.32120300上表27列出了几种已经实现飞秒激光输出的掺Yb3+激光晶体的特性。虽然二极管泵浦Yb:YAG晶体连续激光输出已经达到数千瓦研究水平，但由于Yb:YAG晶体相对窄的发射带宽，使得Yb:YAG晶体相比其他掺Yb3+激光晶体，难以成为满足超短脉冲激光输出的理想材料。目前Yb:BOYS,Yb:KYW和Yb：SYS晶体中，都获得了70fs左右的超短脉冲。Yb:BOYS,Yb：SYS和Yb：CaF2晶体，相比其他晶体具有更宽的发射带宽，有希望成为实现最短激光脉冲输出的掺Yb3+激光晶体，Yb:YVO4晶体实现120fs激光输出时，泵浦波长和激光波长接近，量子缺陷仅为4%。故掺镱固体激光器在超快激光领域有很快的发展2.3 YbYAG晶体固体激光器 由于YAG本身生长工艺成熟，生长出的晶体具有大尺寸及高质量的特点，并且具有非常优异的物理性能和机械性能，故掺Yb3+离子经常选择YAG作为研究对象。2.3.1YbYAG晶体的结构和性质 YAG晶体的矿物学名称是钇铝石榴石，分子式是Y3AI5O12Y1 其晶格常数1.200nm。石榴石的每个单位晶胞中含有8个Y3AI5O12Y，这其中包括24个Y3+，49个Al3+和96个O2-.石榴石结构是一种畸变的结构，Yb3+与稀土离子的半径比较接近 ，因此掺入部分稀土离子作为激活离子。将YAG作为激光介质始于20世纪中期，此后一直广泛应用于固体激光基质。表2.3列出了AG晶体物化特性。可以看出YAG晶体在光学，热力学性能优越，而且机械性能和化学稳定性比较好，同时，YAG能给离子提供良好的晶体场环境，因此是比较理想的晶体场材料 表2.3YAG晶体物化特性物化特性YAG组成Y3AI5O12Y晶体结构立方晶系，Ia3d空间群晶胞参数nm1.2008莫氏硬度8.5熔点1920密度g/cm34.55热导率W.cm-1.k-10.14比热容cal.Mol-1.k-1888热扩散cm2s-10.05热膨胀系数k-16.9*10-6折射率1.820透光波段0.28-5.5化学性质不溶于H2SO4，HNO3 ,HCL和HF中，当温度大于250溶于H3PO42.4 YbYAG晶体的光谱性能2F5/22F7/210679106241032778561256509369419681030图272.4.1YbYAG晶体中Yb3+离子能级结构图2.4.1为YbYAG晶体中Yb3+离子能级结构图，仅有一个基态和激发态，分别为2F7/2和2F5/2。这两者之间的能量间隔为104cm-1在晶场作用下，产生了斯塔克分裂分裂成4个能级和3个能级，因而形成准三能级的激光运行机制。但是在YbYAG晶体中存在一个主要问题是，在能级之上612cm-1处的激光下能级热布居数，在常温下有4%-5%的波尔兹曼分布，这是需要很高的功率泵浦密度，这样在晶体中会产生居透镜效应，效率下降。图2.4.2Yb;YAG晶体的光谱图27：（a）实线表示吸收光谱图(b)虚线代表荧光谱图表2.4.3室温下Yb;YAG晶体的光谱参数参数Yb;YAG泵浦波长pnm941激光波长lnm1030泵浦跃迁线宽pnm18激光跃迁线宽lnm-6泵浦跃迁截面p(10-20cm2)0.77激光跃迁截面l(10-20cm2)2.1泵浦跃迁饱和光强pKW/cm228激光跃迁饱和光强lkw/cm29.5激光跃迁饱和光通量l，sat（J/cm2）9.0最小泵浦功率Imin（KW/cm2）2.8上能级荧光寿命(ms)0.97量子缺陷0.11单个激发态热损耗-0.11由图2.4.2Yb;YAG晶体吸收光谱图可知，Yb3+离子有三个吸收峰，这三个吸收峰分别是913nm，938nm和968nm附近。913nm处吸收截面为3.8*10-21cm2，吸收线宽为7nm。在968nm处的吸收峰吸收截面为4.1*10-21cm2，吸收线宽4nm，光谱中强的荧光峰位于1030nm波长的弱吸收处（此弱吸收在77k时消失），发射面为2.2*10-20cm2，发射带宽约为6nm。Yb;YAG晶体较宽的吸收带，使得泵浦二极管不需要复杂的温控系统，而较宽发射带使得激光器可在较宽的波长范围内调谐。从图中可以看到，Yb;YAG晶体的吸收线宽比较宽。而且Yb;YAG晶体的吸收峰和发射峰比较接近，从而可以它的量子效率比较高。表2.4.3为室温下Yb;YAG晶体的光谱参数。从表中可以看出，Yb;YAG晶体吸收截面比较小，一个受激Yb离子没有固定的途径发生自猝灭。由于Yb3+离子的荧光带和吸收带相互重叠，激发态的Yb3+ 离子发出的光子可以被基态的Yb3+离子吸收，造成荧光捕获效应。荧光捕获效应的存在，导致了实际测量的荧光寿命偏大，这对晶体激光输出中腔设计以及优化腔参数有直接的影响。由于晶体中存在的氧空位Yb3+ 离子，导致Yb3+ 离子发生无辐射跃迁的几率增加，造成Yb;YAG晶体的荧光寿命在退火前较低，退火后晶体由于充分吸氧，极大的降低了氧空位的浓度并使Yb3+离子消除，荧光寿命较退火前增大由图可以看出Yb:FAP晶体的主要吸收带为905nm，在983nm处还有一个吸收峰。研究表明Yb:FAP晶体的吸收光谱和发射光谱即使在室温下也会出现一些小的吸收峰和多峰结构的发射峰。按常规，Yb离子的2F5/2能级最多分裂为3个能级结构，对Yb:FAP晶体吸收光谱的细致研究，观察在80K吸收光谱中，其零声子线不仅劈裂为983nm和978nm两条线，而且983主线海劈裂成二条线，二条线的能量分别为10172.83cm-1和10182.47cm-1下Yb;YAG固体激光器的应用及发展1（1）发展高功率连续激光器件是Yb;YAG晶体器件的一个重要方向。十年不到的时间里，二极管泵浦Yb;YAG晶体固体激光器件的输出功率从最初的23mW增加到千万瓦级别。赶上了在固体激光器领域中一直占垄断地位的Nd;YAG,美国利夫莫尔国家实验室活得了434w的连续输出功率。2000年又通过3930w二极管泵浦获得了1080的连续激光输出，光-光效率为27.5%，电-光效率12.%，近年来，科学家获得激光斜率效率高达90%，光-光效率为74%，泵浦功率密度为2.3KW/CM2，获得激光增益为8cm-1 (2) Yb;YAG晶体调Q激光输出1993年，fan等人采用Yb;YAG晶体作为增益介质，用镀有增透膜的LiNbO3晶体与一个薄膜片以及一个四分之一波片单位组合作为电光调Q开关，InGaAs二极管作为泵浦原首次使用，得到了1.03um的调Q脉冲激脉冲输出。重复率约为1.1KHZ的情况下，获得72uj的脉冲能量，11ns的脉冲宽度，2001年，Dong等人实现了Yb;YAG晶体调Q激光输出，调Q 激光脉宽为350ns，平均输出功率为55mw，重复频率为17khz，脉冲能量为3.2j。到2004年，Yan等人用Cr;YAG晶体作为可饱和吸收体，对Yb;YAG晶体进行了激光二极管泵浦的被动调Q实验，获得了抽运效率高达69%的调Q激光输出，其对应的脉冲能量为44uj，峰值功率为1.64kw，重复频率为25Khz.（3）Yb;YAG晶体超短激光输出超快激光是指产生皮秒（10-12s）或飞秒（10-15）脉宽激光脉冲的激光器。目前超快激光器得到了迅速的发展，最短脉宽小于10fs,峰值强度大于10TW/cm2，重复频率高于100GHz，平均功率必将达到100w以上。Yb3+ 离子的4f13电子具有大的自旋-轨道耦合吸收导致较强的声子耦合，因此具有大的荧光线宽，可以支持短脉冲输出，而相对长的荧光寿命有利于短脉冲放大。实现超快激光的输出时Yb3+ 离子晶体研究的一个重点。(4) Yb: YAG可调谐激光输出Yb:YAG晶体宽的发射带允许了宽的波长调谐。在1995年，Fan等人采用三个发射波长在936-937nm，总输出功率为3w的耦合二极管，泵浦Yb:YAG晶体，获得了连续可调谐激光，波长调谐范围为1028.98-1031.74，平均功率为1.05w。2001年。张力这等人实现了半导体激光器抽运全固化的Yb:YAG激光器的可调谐运转，得到了1030.5-1055.5nm范围内的连续可调谐激光。2002，科学家研制了腔内倍频Yb:YAG薄片激光器，采用角调谐的LBO晶体，并且在耦合腔内放置双石英双折射滤波器，活得了515.3-537.7nm的可调谐光3其他掺Yb晶体3.1Yb;FAP晶体：FAP晶体作为磷灰石族矿物的代表，空间群为P63/m。FAP基质为Yb3+离子提供较大的经常分裂能，从而使晶体具有较大的吸收和发射截面，阈值低，增益大，成本低等特点。此外，用激光二极管泵浦Yb3+离子时，因为泵浦波长和激光输出波长非常接近，其量子缺陷低，所以减轻了热负荷，使FAP比较差的热性能的特性就变得相对不重要，使得FAP晶体被证明在许多激光二极管泵浦的固体激光器的应用中具有的极强的生命中。Yb:FAP晶体的光谱性能。由图可以看出，在905nm和983nm处Yb:FAP晶体有一个吸收峰，有研究表明，Yb:FAP晶体的吸收和发射光谱即使在室温下也会出现一些小的吸收峰和多峰结构的发射峰，Yb:FAP晶体晶体的激光性能在所有已知的Yb掺杂的基质中，Yb:FAP晶体具有最低的泵浦饱和强度，这意味着它具有最低的泵浦阈值。用钛宝石激光器抽运Yb:FAP晶体，在室温下获得1043nm的激光，在输出耦合率为19.8%时，获得的斜率效率高达79%。11417cm-1110491022710182101721101163158501043nm2F5/22F7/2905978983 982图3.12Yb:FAP的能级图3.2Yb:YAB晶体目前的固体激光器发展越来越好，功率越来越高，功能越来越多，类型向小型化多波长发展，激光自倍频晶体材料越来越有吸引力和发展潜力，YbYAB晶体具有上下两个能级，分别能分裂成三个能级和四个能级，没有转换上的损耗，从而使阈值降低，成为重要的掺镱固体激光基质3.21YAB晶体光谱特性具有较宽的的吸收带，较高的吸收系数和较大的发射荧光带宽，从图24可以看出，晶体吸收有三个主峰，即937nm，975nm，981nm，在主峰975nm的吸收截面积为3.410-20cm2，吸收带宽为25nm，这种结构更有利于用高功率InGaAs激光二极管做泵浦原，从而实现固体激光器的集成化。不同掺杂浓度晶体吸收峰的位置没有发生变化，只是紫外截止吸收边的位置随掺杂浓度的提高略微向短波方向移动。图242 表示Yb :YAB晶体在981-1015nm的范围内有较宽的荧光带，但是只有一个主峰在1043nm，其荧光寿命为0.68ms，当掺杂yb浓度提高是，荧光光谱也会增加，这样有利于激光调谐产生及超短脉冲产生。Yb:YAB晶体具有优良的热机械性能，当很强的激光束入射晶体时，会在晶体内产生温度梯度，从而沿不同方向引起的热膨胀也不同。图3.213.3 Yb:CaF2晶体CaF2晶体是典型的萤石型的立方结构，Yb:CaF2晶体物化性能优异，且易于获得高质量和大尺寸晶体。如果获得突破，在全固态高功率，可调谐超快激光增益介质和放大介质方面，具有潜在的应用价值。Yb:CaF2晶体的光谱特性Yb:CaF2晶体的吸收和发射光谱非常宽，这主要是因为CaF2晶体的格位点阵对称多样性和光谱的热宽化效应。如此宽的光谱特征和无序结构的材料与玻璃类似，有利于获得宽带调谐激光输出。3.31Yb:CaF2晶体激光性能;Yb:CaF2晶体激光测试24，由图24可以看出室温下，采用钛宝石作泵浦原，激光波长是920nm，输出功率为1.1w，光斑半径为39um，1.7at% Yb:CaF2晶体在1030nm的激光阈值吸收功率等于150mw，斜效率等于50%,激光波长在1000nm到1060nm之间可调谐由于Yb:CaF2晶体结合了高的热导率和宽的发射线宽，而且有可以很容易地获得大尺寸的晶体，相信不久将来Yb:CaF2晶体会使yb掺杂的材料在二极管泵浦飞秒激光应用方面实现一次重要的突破图3.313.32 Na+：CaF2晶体不同浓度的Yb:CaF2晶体固体激光器的调Q效果不同，在LD泵浦作用下，该晶体以自调Q激光方式运转，输出激光的中心波长是1050nm，如图所示，激光脉冲的重复频率和脉宽随泵浦功率的增加线性增加，而脉宽呈指数关系减小。传统的调Q锁模中的Q开关包络是由于可饱和吸收体未达到完全饱和引起的，Yb3+,Na+：CaF2晶体晶体被动锁模的调Q脉冲则是由于晶体本身具有自调Q特性引起的。一方面，被动锁模的调Q脉冲重复频率与连续运转时相一致，另一方面，由于该晶体本身自调Q运转，腔内的功率密度相较于连续运转提高了好多重复频率KHZ脉宽us输入功率W图3.32.LD泵浦Yb3+,Na+：CaF2晶体自调Q激光脉冲重复频率和脉宽随泵浦功率的变化, 图3.323.4Yb:YSO和Yb:LSO晶体Yb作为激活离子的主要缺点是准三能级运转机制，这是由于激光终止能级和基态能级属于同一个能级多重态。然而由于Yb离子的最外层电子构型为4f13，在所有稀土离子中与基质晶体具有最强的电子-声子耦合作用。又由于硅酸盐晶体具有变形的低对称格位，Yb的基态2F7/2能级分裂最大。Yb:YSO和Yb:LSO晶体YSO和LSO具有相同的晶体结构，同属于底心单斜晶体，空间群为I2/a。从图25中可以看出，1003nm，1032nm，1042.5nm，1056nm，1082nm为波峰，在1003处得发射强度虽然很大，但是在1003处在吸收损耗很强，所以偏振效率不会太高。激光性能Yb:YSO晶体激光波长的连续调谐范围在1025-1091nm，Yb:LSO为1030-1095nm，前者输出功率大于4W的波长范围为60nm，后者为50nm，如前所述，与Yb:YSO相比，Yb:LSO的一个优势是晶体的热导率不随掺杂浓度的增加而降低。因此，对于Yb:LSO晶体，可以通过使用高浓度掺杂的短晶体来降低LD泵浦光束和腔内基础模式之间的不匹配度，获得更高效率的激光性能。图3.43.5Yb;Y2O3由于掺掺Yb3+激光材料是准三级能级结构，严重的热效应是制约其向更高输出功率发展的瓶颈，探索热传导性能更为优越的激光介质成为需要，与YAG基质相比，同为立方体结构的Y2O3基质不仅具有与YAG同样优秀的物理化学稳定性，而且还具有更高的热导率和较低的热膨胀系数，更加适合向高亮度高平均功率激光器发展，物理化学性质Y2O3熔点243030晶体结构类型立方结构空间群T7h格位对称性C2.S6配位数6阳离子格位浓度1029cm-1268.7有效离子半径A0.90晶格常熟A10.603光透过范围um0.23-8折射率1050nm1.89莫氏硬度6.8密度g/cm-35.03热膨胀系数/10-6K-16-7热导率/w/m。k27表3.2.1Y2O3和YAG基质材料的物理化学性质3上表详细列举了Y2O3和YAG基质材料的物理化学性质。它表明Y2O3基质具有的许多优点3：1）在较高温度下，Y2O3立方结构稳定，不会发生双折射问题。2）由于Y2O3 的导带到价带的带隙比较大，足以容纳大多数三价稀土离子发射能级，不同的掺杂稀土离子可以产生不同的发光性能的有效裁剪，从而实现多功能化的应用3）掺杂三价稀土离子时不会产生电荷补偿问题4）具有很高的熔点，具有很好的化学性能和光化学性能稳定性，具有较宽的光学透明性范围。5）具有较低的声子能量，这样可以抑制无辐射跃迁概率，辐射跃迁概率得到提高，量子发光效率因而提高。6）具有很高的热导率图3.2.2,3.2.3，3.2.4显示了掺杂原子分数为8%的b;Y2O3激光透明陶瓷与掺杂原子分数分数为10%的YB：YAG做了对比。图2a显示了样品在室温下在800-1100nm范围内吸收光谱。Y2O3激光透明陶瓷有906nm，950nm，976nm三个吸收峰，YB:YAG为915nm，940nm，969nm，而对应的吸收系数为12.1cm-1，14.7 cm-1， 19.2 cm1，相应YB：YAG吸收系数为5.7 cm1,11 cm1,6.5 cm1,吸收峰的宽度为10nm，24nm和7nm，而YB：YAG单晶为9nm，20nm，6nm。Yb3+离子在Y2O3激光透明陶瓷较YB：YAG单晶在吸收峰方面强度高，但是却具有相同的宽度，这说明Y2O3基质获得的光抽运效率会比较大。图2b显示了样品在室温下在950nm-1150nm范围的荧光光谱。Yb:Y2O3陶瓷具有俩个发射峰，分别为1031nm和1075nm，具有20nm的发射带宽，YB：YAG单晶的发射峰分别为1029nm和1048nm，具有约10nm的发射带宽。YbY2O3:陶瓷的荧光光谱带宽约为YB：YAG单晶的两倍，由于陶瓷具有特别的结构，这种结构改变了Yb3+离子周围环境，同时配位场的对称性以及配位场力也发生了改变，这样一来荧光发射峰的展宽也变得非均匀。发射带宽越大锁模压缩效果也会越窄，正是由于有了较大的发射带宽Yb:Y2O3陶瓷在超短脉冲领域应用前景广阔。A3=11025A2=10504A1=10225Z4=931Z3=526Z2=295-373Z1=0107610312F5/22F7/2 图3.5基质是Y2O3时镱离子能级图3图3.6吸收光谱图4.掺镱固体激光器发展前景4.1固体激光器发展前景人们对掺镱固体激光器的研究始于上世纪中期，但是并没有引起人们足够重视，直到发光二激光泵浦Yb:YAG晶体在77K温度下获得了1.029um的脉冲激光输出，才使掺镱固体激光器的研究逐渐起步。在上世纪90年代，由于InGaAs LD的发展，其具有高性能的输出功率和稳定性且成本较低，镱离子激光晶体又进入人们的视野。许多著名的研究机构开始关注掺镱固体激光器的研究。在众多的掺镱固体激光器中属Yb:YAG的研究最为多样与深入。可见光输出掺镱自倍频激光器研究也不断发展与深入，从1999年开始自倍频激光器得到了持续的发展，1995年，掺镱固体器在短脉冲方面活得累510飞秒激光脉冲输出，在这以后的固体激光器的有更短的脉冲更加高的峰值功率，并不断发展。近些年来，掺镱固体激光器输出高功率，短脉冲和宽波长等方面发展迅速，由于镱离子独特的能级结构，其激光性能以及吸收与发射特性与所选基质材料的关系很大，基质材料的晶格场对镱离子的能级分布有决定作用。所以对基质材料的选择对寻找阈值较低，效率高，激光运转脉冲短的晶体材料来满足愈来愈多的对掺镱固体激光器的发展与4.2激光陶瓷发展前景我国也在YAG和Y2O3的粉体和透明陶瓷的研究方面取得了初步的成果。实现具有自主知识产权的国产激光陶瓷体系9、并实现激光输出是当前主要目标。氧化钇属立方晶系，无双折射现象，热导率高，是YAG的两倍多，掺入激活离子Nd和Yb的Y2O3晶体是一种优异的固体激光介质材料。但由于Y2O3的熔点高达2430度，且在2280度附近会发生立方相向六方相的多晶相变，因而难以生长出大尺寸和高光学质量的Y2O3单晶。随着陶瓷制备技术及纳米制粉技术的发展，Y2O3透明陶瓷的烧结温度可降低为1700度左右。Yb:Y2O3透明陶瓷是国际上第一台实现锁模飞秒激光输出、并保持最高斜效率的陶瓷激光材料。杨秋红11教授领衔的课题组在透明陶瓷研究中，发挥了高校多学科交叉的优势、始终将创新放在首位，从2005年起开展氧化镧钇透明陶瓷的研究并拥有6项核心发明专利， Y2-2xLa2xO3液相点可从Y2O3的熔点2430度连续降至1700度左右，氧化镧钇透明陶瓷实现了组成、烧结温度和激光物理性能的连续可调。同时氧化镧钇陶瓷具有独特的激光光谱性能。该体系的创新研究结果2007年先后在国际一流学术刊物应用物理快报(Appl. Phys. Lett. 91, 111918 (2007)和美国光学学会会刊：B（J. Opt. Soc. Am. B,24(3), 681(2007)）等刊物上发表。并引起国外从事激光方面的有关专家的高度关注，2007年与法国LULI国家高功率激光实验室签署了合作开发研究氧化镧钇透明陶瓷材料及激光性能协议11。课题组采用高纯商业纳米粉为原料，通过预处理、球磨、干燥，在16001700度还原条件下保温20小时以上，烧结成致密的、具有高光学质量的Yb氧化镧钇透明陶瓷。研制的Yb氧化镧钇透明陶瓷（3.5mm厚）在激光工作波段1080nm的直线透过率高达81%，材料的吸收光谱、发射光谱与日本的Yb:Y2O3透明陶瓷基本相同，荧光寿命则提高40%以上。 Yb氧化镧钇透明陶瓷样品经中国科学院上海光学精密机械研究所梁晓燕研究员和苏良碧博士所在的课题组加工，双面抛光，在未镀膜的条件下测试激光性能，采用LD端泵、实现最高CW连续激光输出达到500mW，斜率效率为13%。标志着我国从此拥有自己独特的激光透明陶瓷体系。结 论（1）本文阐述了Yb3+离子的能级结构，Yb3+作为能级结构最简单的稀土激活离子，仅有一个基态2 F7 /2和2 F5 /2一个激发态，不存在激发态吸收和上转换，光转换效率高，荧光寿命较长，与不同基质掺杂是显示不同的性能。在几十飞秒到亚皮秒超快时域的应用中，能够实现LD泵浦超短脉冲的新激光材料越来越受到人们的关注。最终将实现LD直接泵浦的高效率、小型化全固态超快激光器。（2）本文重点阐述了Yb:YAG晶体的特点发展趋势及应用前景。YAG晶体在光学，热力学性能优越，而且机械性能和化学稳定性比较好，同时，YAG能给离子提供良好的晶体场环境，因此是比较理想的晶体场材料 。因此Yb:YAG晶体具有广泛的应用。（4）本文也简单介绍了几种不同基质的晶体的光谱吸收发射特性以及激光特性，特点不同而具有不同的应用。(5)相比晶体而言，陶瓷具有很多独特的优势，如能制造出大尺寸且形状可以控制的的陶瓷材料，其中Yb：Y2O3激光陶瓷较大的发射带宽使得Yb:Y2O3陶瓷在超短脉冲领域应用前景广阔参 考 文 献1徐军，徐晓东，苏良碧.掺镱激光晶体材料M.上海：上海科学普及出版社，2005.12;6-302吕百达，固体激光器件M，第2版.北京:北京邮电大学出版社，2003.1:1-43漆云凤，楼棋洪，朱洪涛，周军，董景星，魏运荣，何兵.Yb: Y2O3透明陶瓷的光学性能研究J.物理学报，2007,56（5）：2658-26594 杨培志 , 邓佩珍 , 殷之文. Yb: YAG晶体的生长缺陷及位错走向 J . 人工晶体学报 , 2000, 29 ( 4 ) :400 - 401 .5 C. H onninger, G. Zhang, and U. Keller. Femtosecond Yb:YAG laser using semiconductorsaturable absorbers J . OPTICS LETTERS,1995,20(23):24056 Jun Dong1*, Ken-ichi Ueda1, Akira Shirakawa1, Hideki Yagi, Takagimi Yanagitaniand Alexander,A.Kaminskii. Composite Yb:YAG/Cr4+:YAG ceramics picosecond microchip lasers J OPTICS EXPRESS.2007,15(22):145227潘尚可，杨培志.掺Yb闪烁晶体的研究进展。无机材料学报J，2005,20（5）：10268X.Xu,Z.Zhao,P.Song,et al.,Upconversion luminescebce in Yb3+-doped yttrium aluminum garnets,Phsica B J ,2005,357(3-4):3659 齐建全,李龙土,朱青,桂治轮. Yb203掺杂的BaTi03陶瓷.材料学报J，2000,10（14）：16610李善锋，苗壮，彭杨，张庆瑜. 掺Yb硼硅酸盐玻璃的光学特性及其双光子合作上转换荧光.物理学报J，2006,8（55）：4316-431711杨秋红，徐军，苏良碧，张红伟. ：Yb:Y2-2xLa2XO3 激光透明陶瓷的光谱性能.物理学报J,2006.3 (5):1208-120912於海武，段文涛，徐美建，蒋新颖. Yb激光材料综述.光学材料J,2007.5(44):32-3313 董世蕊，侯蓝田. 掺Yb3+硅酸盐玻璃的制备和光谱特.激光技术J,3（44）：238-24014宋秋鸣，陈长水，殷绍唐，张庆礼，朱灵. 激光二极管泵浦Yb：YAG激光器.量子电子学报. J,4（22）：52615 Lacovara P，Chai HK，Wangetal CARoomtemperature diode pumped Yb：YAG laserJOptLett16(14)：1089109116 Jonas Hellstrm,* Hanna Henricsson,Valdas Pasiskevicius,Udo Bnting,and Dirk Haussmann2. Polarization-tunable Yb:KGW laser based on internal conical refraction, OPTICS LETTERSJ,32(19)17潘尚可，杨培志. 掺 yb 3 +闪烁晶体的研究进展.无机材料学报. J.5(20).1027-102918 王晓丹,赵志伟,徐晓东,宋平新，姜本学,徐 军,邓佩珍，Gilbert Bourdet3，Yb掺杂原子数分数为0.5的Yb：Y3 A15 012晶体的光谱分析,中国激光J.5(33).693-69419 S. Taccheo, G. Della Valle, R. Osellame, G. Cerullo, N. Chiodo, P. Laporta, and O. Svelto. Er:Yb-doped waveguide laser fabricated by femtosecondlaser pulses. OPTICS LETTERSJ22(29).2627-262820 杨培志,徐军,邓佩珍,乔景文,尹红兵,陈杏达,王四亭,钟鹤裕,马国彬,刘新斌. Yb YAG晶体生长与激光性能, 人工晶体学报J,1998,3(22),231-23221 杨培志 邓佩珍 殷之文，掺Yb3+激光晶体的研究进展.人工晶体学报J.2000,2(29).321-32322张红伟，杨秋红，徐军，掺 Yb3+ 的氧化镧钇透明激光陶瓷的光谱特性. 硅酸盐学报J.2006.6(34)666-66923 漆云凤 楼祺洪 董景星 魏运荣 周 军, Yb：Y2 03陶瓷薄片激光器获得105 W连续激光输出.光学学报J.2006，5（26）,797-79824 薛迎红.LD泵浦新型全固态Yb:YAB激光器的研究。天津大学硕士学士论文.200401.12-1525邱宏伟，毛艳丽，董军，邓佩珍，徐军，陈伟，激光晶体材料Yb：YAG的研究进展.量子电子学报J.2002.119,1-2激光晶体材料的研究进展25宋宴蓉，胡江海，周劲峰，赵广军，严成峰，苏良碧，徐军.半导体可饱和吸收镜调Q的Yb:LSO激光器.中国激光2006.10（33）,1298-129926薛迎红，王清月，柴璐，苏良碧，徐军.激光而激管抽运Na，Yb共掺杂CaF2晶体自调Q激光特性的研究.中国激光2005.10(32),1314-131527张志斌.Yb:YAG晶体生长与激光性能研究.电子科技大学工程学术论文。2005.2-15袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇