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    “唯快不破”的Yb:CALGO晶體

    “唯快不破”的Yb:CALGO晶體

    2021-04-09 22:51


       福晶小課堂| “唯快不破”的Yb:CALGO晶體                    

    ——  一種極具前瞻性的可實現高功率窄脈寬的超快激光晶體  

    一、何為超快激光 

            眾所周知,20世紀最偉大的發明之一 ——激光,被譽為“最亮的光”、“最準的尺”與“最快的刀”[1]。那么超快激光又是什么呢?              

    要理解超快激光,必須得知道什么是激光脈沖。激光脈沖是指以脈沖方式工作的激光器發出的一個光脈沖,打比方來說,手電筒如果保持開關開著,手電筒就是連續工作,如果打開開關立刻合上,就相當于發出了一個光脈沖。                

    激光脈沖可以做到非常短,有納秒,皮秒,飛秒,甚至阿秒量級。例如皮秒量級,是指在1秒鐘之內就可以發出一萬億個超短脈沖。一般來說,脈沖寬度小于10ps的激光稱為超快激光。                

    超快激光時間單位換算見表1。  

                      
     二、超快激光的增益晶體           

    目前,超快激光的增益晶體主要有兩大類,分別為鈦寶石(Ti:Al2O3)晶體和Yb3+離子摻雜激光晶體。隨著二極管激光器(LD)直接泵浦的全固態激光器(DPSSL)朝著高效率、小型化、集成化的方向發展,Yb3+離子摻雜激光晶體逐漸成為超快激光研究的熱點[1]。 

    摻Yb3+離子無序結構晶體兼具晶體的有序性和玻璃的無序性,表現出優異的光譜特性,而在摻Yb3+離子無序結構這類晶體中,鋁酸鹽晶體無疑是目前所有摻Yb3+離子超快晶體中綜合性能最好的一類晶體[2]。                

    Yb:CaGdAlO4(CALGO)晶體屬于四方晶系,在晶體結構中,Ca2+和Gd3+ 離子不僅離子半徑不同而且價態也不一樣,因此其無序性可以分為兩大類:陰離子-陽離子鍵長的無序性和電價分布的無序性[1]。這種多種無序結合的結構使得Yb:CALGO晶體能夠實現更大的發射譜寬,在眾多無序結構晶體中脫穎而出[2]。                

    發射譜寬和熱導性是衡量激光晶體超快特性的兩個關鍵因素。發射譜寬越大,可實現的鎖模脈沖寬度越??;熱導性能越好,可實現的輸出功率越高。摻Yb3+離子的不同晶體熱導率和發射譜寬對比[3-5]見表2。

                              

    Yb:CALGO晶體兼具高熱導率和超寬發射譜特性,有利于同時實現高功率窄脈寬的超快激光,在超快激光領域具有大的優勢和潛能。 

     

     三、福晶科技開發Yb:CALGO晶體歷程                                

    福晶科技從2016年開始進行Yb:CALGO晶體的生長。在工藝開發的早期階段,生長出的晶體毛坯顏色為橙色,并且大部分區域具有霧狀包絡(理想狀態為無色,少或無包絡),見圖1。                

                    圖1  改善前的橙色,帶霧狀包絡的Yb:CALGO晶體毛坯
                   

    由于色心的存在而導致的額外吸收以及包絡的散射作用使得Yb:CALGO晶體因為內部質量缺陷,無法滿足客戶的使用要求,主要表現為較低的激光功率和損傷閾值。在公司研發團隊的持續努力下,通過配方調整、溫場調節、氣氛改變等工藝的大膽嘗試和嚴格控制,目前,福晶科技可穩定生長出尺寸在φ30×50mm3以上的無色、少量或無包絡的Yb:CALGO晶體毛坯,見圖2。                             

    圖2  改善后的無色,帶少量包絡的Yb:CALGO晶體毛坯

    無色少量包絡和橙色少量包絡樣品在透過率、輸出功率和損傷閾值方面的比較情況分別見圖3、圖4和圖5。從對比數據可知,無色少量包絡樣品在紫外區域的透過率明顯要高,在輸出功率、損傷閾值方面也有很大的改善。

    圖3 改善前后Yb:CALGO晶體樣品透過率曲線比較    

                               

    圖4 改善前后Yb:CALGO晶體樣品輸出功率比較                

    圖5 改善前后Yb:CALGO晶體樣品損傷閾值比較              

    、Yb:CALGO晶體的產品指標    

    福晶公司可穩定、大量地提供摻不同Yb3+離子濃度的CALGO晶體元器件,基本指標如表3:                 

    需要了解更加詳細的福晶科技Yb:CALGO晶體參數以及定制咨詢,請與我們的銷售團隊聯系:                    

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    參考文獻                    

    [1]胡強強.幾種無序結構晶體的生長和性能研究[D].山東大學,2017.                    

    [2]蘇現翠.鐿離子摻雜LuAG、CLGA和CGA晶體飛秒激光特性研究[D].山東大學,2018.                    

    [3]張志斌.Yb:YAG晶體生長與激光性能研究[D].電子科技大學,2005.                    

    [4]Druon F, Boudeile J, Zaouter Y, et al. New Yb-doped crystals for high-power and ultrashort lasers[C] // Optics / Photonics in Security and Defence. International Society for Optics and Photonics, 2006:64000D-64000D-16.                    

    [5]Druon F, Ricaud S, Papadopoulos N, et al. On Yb:CaF2 and Yb:SrF2: review of spectroscopic and themal properties and their impact on femtosecond and high power laser performance[J]. Optical Materials,2011,489~502.                    

                        

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