激光材料是激光技術(shù)發(fā)展的核心和基礎(chǔ),具有里程碑的意義和作用: 20世紀(jì)60年代第一臺(tái)紅寶石晶體激光器問(wèn)世,激光誕生,70年代摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG)[引,固體激光開(kāi)始大力發(fā)展;80年代鈦寶石晶體(Ti:A1203),超短、超快和超強(qiáng)激光已成為可能,飛秒(fs)激光科學(xué)技術(shù)蓬勃發(fā)展、并滲透到各個(gè)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用學(xué)科領(lǐng)域;90年代礬酸釔晶體(Nd:YV04)固體激光的發(fā)展進(jìn)入新時(shí)期一全固態(tài)激光科學(xué)技術(shù)(SSDPL,Solid-state LDPumped Laser);??進(jìn)入新世紀(jì),上世紀(jì)60年代初出現(xiàn)的激光和激光科學(xué)技術(shù),正以其強(qiáng)大的生命力推動(dòng)著光電子技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,激光材料也在單晶、玻璃、光纖和陶瓷等四方面全方位迅猛展開(kāi),如微一納米級(jí)晶界,完整性好、制作工藝簡(jiǎn)單的微晶激光陶瓷和結(jié)構(gòu)緊湊、散熱好、成本低的激光光纖,正在向占據(jù)激光晶體首席達(dá)40年之久的Nd:YAG發(fā)出強(qiáng)有力的挑戰(zhàn),激光材料也已從最初的幾種基質(zhì)材料發(fā)展到數(shù)十種,受到各國(guó)政府、科學(xué)界乃至企業(yè)界的高度重視.
Nd:YAG的出現(xiàn)使得固體激光器真正開(kāi)始大力發(fā)展,并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化,因其增益高、熱性能和機(jī)械性能良好而成為當(dāng)前科研、工業(yè)、醫(yī)學(xué)和軍事應(yīng)用中最重要的固體激光器.特別是在高功率連續(xù)和高平均功率固態(tài)激光器方面,20世紀(jì)90年代前,閃光燈泵浦的Nd:YAG激光晶體獨(dú)占熬頭,單根棒的輸出功率可達(dá)kW量級(jí).隨著激光二極管(LD)的迅速發(fā)展,大功率激光器的泵浦方式也有重大發(fā)展.LD泵浦激光器的高效率、高質(zhì)量、長(zhǎng)壽命、高可靠性、小型化以及全固化等優(yōu)越性是燈泵無(wú)法相比的. 1993年,LD泵浦的Nd:YAG板條已獲得1.05kW的平均輸出功率。
通過(guò)基質(zhì)晶體中陽(yáng)離子置換形成的Nd:GGG激光晶體,與Nd:YAG比較具有如下優(yōu)點(diǎn):
(1)Nd3+在GGG中的分凝系數(shù)為0.5,是YAG(0.18)的近三倍;
(2)Nd:GGG的平界面生長(zhǎng)較Nd:YAG的凸界面更容易獲得大尺寸、高質(zhì)量的單晶體.而且,由于Nd:GGG具有好的熱機(jī)械性能、化學(xué)穩(wěn)定性、高的熱導(dǎo)率,是新一代戰(zhàn)略武器級(jí)高功率固體熱容激光器的優(yōu)選工作物質(zhì).2003年,美國(guó)利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室LD泵浦的Nd:GGG激光器的平均輸出功率已經(jīng)達(dá)到10kW,在2004年又突破30kW,預(yù)期到2007達(dá)到一個(gè)脈沖100kW,每秒200個(gè)脈沖.作為戰(zhàn)略武器級(jí)的Nd:GGG熱容激光器,其功率必須達(dá)到100kW以上.目前所生長(zhǎng)的晶體尺寸還沒(méi)有達(dá)到戰(zhàn)略武器級(jí)的需要.按照美國(guó)利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Nd:GGG熱容激光武器方案,晶體的直徑至少在咖160mm以上.所以,大直徑優(yōu)質(zhì)激光晶體是發(fā)展固體強(qiáng)激光的前提和基礎(chǔ).
作為輕便型的激光器,必須實(shí)現(xiàn)LD泵浦下的全固化.但是,Nd:YAG和Nd:GGG在808nm的吸收峰線寬僅lnm,而典型LD輸出線寬達(dá)3nm,且發(fā)射波長(zhǎng)存在o.2一o.3nm/oC的溫度系數(shù).因此,采用LD泵浦Nd:YAG時(shí),為了提高泵浦效率,使LD的輸出波長(zhǎng)正好對(duì)準(zhǔn)Nd:YAG的吸收峰,需要使用額外的制冷裝置控制LD的工作溫度.為此,國(guó)際上掀起了探索適于LD泵浦的高效率、寬吸收帶激光晶體的研究熱潮. Yb3+與Nd3+相比具有如下優(yōu)點(diǎn):
(1)能級(jí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,高濃度摻雜不產(chǎn)生熒光猝滅;
(2)與晶場(chǎng)耦合作用強(qiáng),具有寬得多的吸收峰線寬,LD泵浦下無(wú)需要溫度控制系統(tǒng);
(3)前者的熒光壽命一般為后者的4倍,更有利于儲(chǔ)能;
(4)量子缺陷較低,無(wú)輻射弛豫引起的材料中的熱負(fù)荷低,僅為摻Nd3+同種激光材料的三分之一.因此,LD泵浦的Yb:YAG固體激光器的輸出功率很快就趕上了在固體激光器領(lǐng)域一直占?jí)艛嗟匚坏腘d:YAG,從最初的23mW增加到千瓦量級(jí)。從上世紀(jì)90年代初,許多國(guó)際著名研究機(jī)構(gòu)如美國(guó)的Lawrence Livermore National Laboratory(LLNL)、林肯實(shí)驗(yàn)室(MIT)、德國(guó)斯圖加特大學(xué)和JENA大學(xué)、瑞士聯(lián)邦工學(xué)院、英國(guó)南安普敦大學(xué)、法國(guó)LULl實(shí)驗(yàn)室、日本大阪大學(xué)和HOYA公司等都紛紛開(kāi)展了Yb激光器件的研究,將其視為發(fā)展高功率激光的一個(gè)主要途徑.國(guó)外,1991年,美國(guó)林肯實(shí)驗(yàn)室(MIT)首次在室溫下采用InGaAs二極管泵浦Yb:YAG晶體獲得23mW連續(xù)激光輸出.2004年,Yb:YAG圓盤激光器的輸出功率已經(jīng)達(dá)到4kW.國(guó)內(nèi),上海光機(jī)所于1997年在國(guó)內(nèi)首次獲得了400mW的連續(xù)激光輸出112,13J,并與法國(guó)LULI實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合正在發(fā)展LD泵浦Yb:YAG平均輸出kw級(jí)、100J(ns)的LUCIA激光系統(tǒng).2005年,清華大學(xué)采用2000W的LD泵浦Yb:YAG晶體獲得了520W的連續(xù)激光輸出.最近,又首次在國(guó)內(nèi)獲得了1000W的激光輸出,基本達(dá)到國(guó)際同等水平.但是,Yb:YAG晶體是一種準(zhǔn)三能級(jí)激光系統(tǒng),室溫下激光下能級(jí)(一612cm以)的熱布居比例為4.2%.因此,Yb:YAG具有較高的泵浦閾值功率,且激光性能受溫度的影響很大,必須通過(guò)冷卻晶體獲得高效率的激光運(yùn)轉(zhuǎn).為此,尋找新的基質(zhì)晶體或通過(guò)結(jié)構(gòu)、組成設(shè)計(jì)獲得低閾值、高效率的摻Y(jié)b激光介質(zhì)是一個(gè)主要的研究方向.
轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。