Yb：YAG微片激光器的研究進(jìn)展

【摘要】簡(jiǎn)要介紹了激光二極管泵浦微片激光器的特點(diǎn)及應(yīng)用。系統(tǒng)介紹了摻 離子激光晶體材料作為激光增益介質(zhì)的微片激光器的特點(diǎn)。重點(diǎn)介紹了國(guó)內(nèi)外各種Yb：YAG微片激光器的研究現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上，對(duì) 微片激光器的應(yīng)用前景進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】Yb：YAG微片激光器；激光晶體

1、微片激光器

激光二極管抽運(yùn)的微片激光器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小型化、重量輕、光學(xué)系統(tǒng)集成化、可以實(shí)現(xiàn)高效率運(yùn)轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，在激光雷達(dá)、光學(xué)醫(yī)療等領(lǐng)域成為比較有潛力的固體激光器件[1]。因此，近年來微片激光器的研究領(lǐng)域成為熱點(diǎn)之一。

微片激光器的增益介質(zhì)厚度通常為幾百微米，直徑為毫米量級(jí)[2]。由于微片激光器很薄，這會(huì)導(dǎo)致泵浦光的吸收效率降低，通常在諧振腔輸出端面鍍上泵浦光反射膜，使泵浦光能夠被再次吸收。

微片激光器和普通的固體激光器一樣可以在脈沖或連續(xù)狀況下運(yùn)行，可以利用主動(dòng)調(diào)Q和被動(dòng)調(diào)Q來獲得脈沖輸出。微片激光器可以獲得峰值功率達(dá)數(shù)百瓦、重復(fù)頻率達(dá)納秒、單脈沖能量達(dá)微焦耳的調(diào)Q脈沖，在遠(yuǎn)程測(cè)量、微型手術(shù)等方面應(yīng)用前景較好。

2、摻Y(jié)b3+離子的激光晶體材料作為增益介質(zhì)的微片激光器研究現(xiàn)狀

2.1摻Y(jié)b3+離子的激光晶體材料特點(diǎn)

實(shí)用化的激光晶體主要有Nd：YAG、Yb：YAG、等作為增益介質(zhì)的激光晶體材料，是現(xiàn)階段廣泛研究的微片激光器。由于摻Nd3+離子的激光晶體材料的發(fā)射截面大、熒光壽命短、散熱問題嚴(yán)重等，因此，摻Y(jié)b3+離子的激光晶體材料是目前廣泛研究的微片激光器，它采用微片晶體作為增益介質(zhì)，有利于實(shí)現(xiàn)激光器的小型化和集成化。下面介紹幾種典型的摻Y(jié)b3+離子的激光晶體材料的特點(diǎn)。

Yb：YAG：該晶體用作激光增益介質(zhì)時(shí)量子轉(zhuǎn)換效率較高、具有寬的吸收帶寬，對(duì)泵浦光的吸收系數(shù)大，可以做成薄片，有利于實(shí)現(xiàn)激光器的小型化。

Yb：YAB：該晶體屬于四硼酸鹽類化合物，是準(zhǔn)四能級(jí)系統(tǒng)，是很好的自倍頻激光晶體，具有大的非線性系數(shù)和熱機(jī)械性能。當(dāng)強(qiáng)光入射到晶體時(shí)，產(chǎn)生溫度梯度，導(dǎo)致熱膨脹系數(shù)也不同。

Yb：KYW：該晶體具有高的發(fā)射截面、發(fā)射帶寬，對(duì)泵浦光（981nm）吸收截面大，適合于產(chǎn)生飛秒超短脈沖以及寬帶調(diào)諧應(yīng)用。但該晶體的熒光壽命小，不利于儲(chǔ)能。

Yb：KGW：該晶體的吸收帶較寬，是二極管泵浦固體激光器很適合的材料；具有大的發(fā)射截面和吸收截面，有利于泵浦光的吸收和發(fā)射，對(duì)微片激光器的發(fā)展有深遠(yuǎn)意義。

通過對(duì)上述幾種摻Y(jié)b3+晶體的特點(diǎn)分析可以看出：摻Y(jié)b3+離子的激光晶體材料可以實(shí)現(xiàn)高濃度摻雜，增益介質(zhì)可做成微片，是激光領(lǐng)域研究的重要晶體材料之一，推動(dòng)著固體激光器跨越式的發(fā)展。

2.2Yb：YAG微片激光器的研究進(jìn)展

由于Yb3+離子獨(dú)特的光譜結(jié)構(gòu)，使之廣泛的應(yīng)用到固體激光材料中。摻Y(jié)b3+離子激光晶體材料的發(fā)展與Yb：YAG激光晶體的發(fā)展密切相關(guān)。在20世紀(jì)六十年代人們開始發(fā)現(xiàn)摻Y(jié)b3+離子在某些晶體中的光譜特性，研究摻Y(jié)b3+離子激光晶體的序幕由此揭開。

國(guó)外的發(fā)展現(xiàn)狀如下：

國(guó)外相對(duì)比較重視對(duì)Yb：YAG微片激光器的研究，2012年，LE Zapata等人對(duì)Yb：YAG激光器方面作了大量的研究，分析了基于低溫復(fù)合技術(shù)摻Y(jié)b3+的釔鋁石榴石激光啁啾脈沖放大器；同年，N Vretenar等人也開展了對(duì)Yb：YAG微片激光性能的討論，使用新的兩相噴霧冷卻方式來冷卻的Yb：YAG薄片激光器，一個(gè)系統(tǒng)依賴于R134a冷卻，而另一個(gè)使用LN2。當(dāng)Yb：YAG從室溫冷卻到更低溫度時(shí)，在激光閾值從155W降到近10W，而斜率效率由54%增大到63%；2014年，E.A.PerevezentsevI等人研究低溫納秒的Yb：YAG微片激光器；2015年，M Hemmer等人，使用低溫冷卻的Yb：YAG微片激光器，提供能量高達(dá)160mJ脈沖，獲得重復(fù)頻率100Hz的優(yōu)良的光束質(zhì)量。

國(guó)內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀如下：

2005年，清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械系光子與電子技術(shù)研究中心的柳強(qiáng)等人，使用角抽運(yùn)Yb：YAG激光器，獲得了斜率效率達(dá)28%、最大連續(xù)功率為400w的激光輸出；2007年，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所的田玉冰等人設(shè)計(jì)了四程抽運(yùn)的Yb：YAG激光器，當(dāng)抽運(yùn)功率達(dá)4.13w時(shí)，得到670mW的1030mm的輸出激光；2009年，中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心的蔣東鑌等人，采用激光二極管陣列端面抽運(yùn)片狀Yb：YAG晶體，實(shí)現(xiàn)了1030nm的激光輸出，當(dāng)抽運(yùn)能量為7.6J，輸出耦合鏡的反射率為73%時(shí)，1HZ重復(fù)頻率輸出穩(wěn)定運(yùn)行于2.43J，斜率效率為54.5%，光-光轉(zhuǎn)換效率為32%，10Hz重復(fù)頻率輸出穩(wěn)定運(yùn)行于1.76J，斜率效率為43.3%，光-光轉(zhuǎn)換效率為23.2%；2010年，西安建筑科技大學(xué)的李隆等人對(duì)高功率Yb：YAG微片激光器的熱效應(yīng)進(jìn)行研究，采用光斑半徑300μm、功率為50W的5階超高斯光束端面抽運(yùn)摻Y(jié)b3+原子分?jǐn)?shù)0.08的Yb：YAG微片激光器，抽運(yùn)面上獲得52·180C的溫升量，產(chǎn)生0.1195μm最大熱形變，產(chǎn)生0.2152μm的附加光程差；2013年，廈門大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院程瑩等人通過鍵合Yb：YAG激光陶瓷來強(qiáng)化Cr，Yb：YAG自調(diào)Q微片激光輸出，當(dāng)吸收抽運(yùn)功率為7.1w 時(shí)，獲得了0.53w的自調(diào)Q激光輸出，對(duì)應(yīng)光-光轉(zhuǎn)換效率達(dá)7.5%，獲得了脈沖能量大于25μJ、脈沖寬度小于3ns、峰值功率高達(dá)9km的自調(diào)Q激光脈沖輸出；2015年，中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所的王旭等人，使用LD泵浦的被動(dòng)調(diào)QYb：YAG薄片激光器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)中使用的Yb3+離子濃度為，晶體厚度為500μm，采用厚度800μm的sic冷卻方式，獲得了最高功率2.8w的1030nm連續(xù)激光輸出。

3、結(jié)束語

固體微片激光器具有體積小巧、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高峰值功率等優(yōu)點(diǎn)，采用Yb：YAG激光晶體作為增益介質(zhì)的微片激光器的呈現(xiàn)出良好的發(fā)展勢(shì)頭。微片激光器在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，包括：激光雷達(dá)、半導(dǎo)體加工、激光劃線、太陽能電池制造、激光打標(biāo)、生物醫(yī)療、激光切割、激光測(cè)距等。因此，探索新型的高摻雜濃度的激光晶體，從而提高激光器的效率，開發(fā)其他多功能集成程度高的微片激光器成為今后Yb：YAG微片激光器的研究熱點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]張志偉.薄片式激光器及其應(yīng)用.強(qiáng)激光與粒子束，2005，17（4） 11～14

[2]柳強(qiáng)，鞏馬理等.角抽運(yùn)Yb：YAG激光器.物理學(xué)報(bào)，2005，02

作者簡(jiǎn)介

于洪杰（1983-），姓名：女、籍貫（黑龍江省、齊齊哈爾）、齊齊哈爾工程學(xué)院講師、碩士、研究方向：激光物理與新型激光器。