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鉻增益介質(zhì)在可調(diào)諧激光中的應(yīng)用與特性

晶體 / 2024年12月19日

鉻離子（Cr3?）因其獨(dú)特的光學(xué)特性，在可調(diào)諧固體激光器中發(fā)揮著重要作用。作為一種理想的激活離子，鉻離子的3d3電子構(gòu)型賦予其寬帶吸收和發(fā)射特性，以及高效的能量存儲(chǔ)能力。本文將深入探討鉻離子的關(guān)鍵特性，分析不同基質(zhì)材料的優(yōu)勢(shì)和不足，并探討鉻摻雜激光器的多樣化應(yīng)用。

為什么選擇鉻離子？

鉻離子擁有以下關(guān)鍵特性，使其成為理想的激活劑：

  • 寬吸收與發(fā)射光譜：由于其顯著的振動(dòng)耦合效應(yīng)，Cr3?離子表現(xiàn)出寬帶吸收和發(fā)射特性，適用于多種波長(zhǎng)調(diào)諧激光器。
  • 高效能量存儲(chǔ)：Cr3?的激發(fā)態(tài)壽命可達(dá)100微秒，有助于在閃光燈泵浦系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)高效能量存儲(chǔ)。
  • 環(huán)境穩(wěn)定性：鉻離子具有較強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性，在高溫和復(fù)雜環(huán)境中表現(xiàn)出色。
  • 室溫操作：鉻離子因其抗非輻射弛豫能力強(qiáng)，可在室溫下實(shí)現(xiàn)高效激光發(fā)射。

鉻摻雜激光的關(guān)鍵基質(zhì)材料

釔鋁石榴石（YAG）

描述

釔鋁石榴石（YAG）是一種常用的激光基質(zhì)材料，具有優(yōu)異的機(jī)械和光學(xué)性能。摻鉻的YAG（Cr:YAG）在激光技術(shù)中應(yīng)用廣泛。

Cr:YAG毛坯
圖1. 芯飛睿生長(zhǎng)的Cr:YAG毛坯

優(yōu)點(diǎn)

  • 高熱穩(wěn)定性：在高溫條件下仍能保持穩(wěn)定的性能，適用于高功率激光系統(tǒng)。
  • 窄發(fā)射帶寬：以1350 nm為中心，適合需要穩(wěn)定連續(xù)波操作的激光器。
  • 高損傷閾值：能夠承受高功率密度，減少損壞或停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。

缺點(diǎn)

  • 發(fā)射波長(zhǎng)范圍有限：相對(duì)于其他基質(zhì)材料，Cr:YAG的發(fā)射波長(zhǎng)范圍較窄，限制了其在某些應(yīng)用中的適用性。
  • 泵浦源要求高：需要特定波長(zhǎng)的泵浦源（如940 nm）來(lái)實(shí)現(xiàn)高效激發(fā)。

不同的基質(zhì)材料對(duì)Cr3?離子的光學(xué)性能有顯著影響。以下是幾種常見(jiàn)基質(zhì)材料的詳細(xì)分析：

釓鈧鎵石榴石（GSGG）

描述

釓鈧鎵石榴石（GSGG）是一種立方結(jié)構(gòu)的晶體，具有高熱導(dǎo)率和優(yōu)異的熱、化學(xué)穩(wěn)定性。摻鉻的GSGG（Cr:GSGG）在激光技術(shù)中備受關(guān)注。

優(yōu)點(diǎn)

  • 高熱導(dǎo)率：有效減少運(yùn)行時(shí)的熱累積，適用于高功率和脈沖激光器。
  • 寬吸收帶：在808 nm波長(zhǎng)附近具有顯著的吸收峰，與二極管激光器泵浦源兼容，確保高效泵浦。
  • 寬發(fā)射光譜：發(fā)射范圍在700至900 nm之間，適用于超短脈沖的產(chǎn)生，特別是在鎖模激光器中提供高功率和精細(xì)度的結(jié)合。
芯飛睿生產(chǎn)的Cr:GSGG
圖2. 芯飛睿生產(chǎn)的Cr:GSGG

缺點(diǎn)

  • 制備復(fù)雜且成本較高：由于其復(fù)雜的化學(xué)組成，晶體生長(zhǎng)過(guò)程要求高，導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加。
  • 發(fā)射截面較低：需要更高的泵浦能量或更長(zhǎng)的晶體長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的增益。

LiCAF（LiCaAlF6）和LiSAF（LiSrAlF6）

描述

LiCAF和LiSAF是氟化物基質(zhì)是超快激光和寬帶調(diào)諧激光的理想基質(zhì)材料。它們的低聲子能量和低熱非線性使其在高精度光學(xué)實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)優(yōu)越。摻鉻后（Cr:LiCAF和Cr:LiSAF）在可調(diào)諧激光器中表現(xiàn)出色。

優(yōu)點(diǎn)

  • 寬調(diào)諧范圍：Cr:LiSAF的發(fā)射波長(zhǎng)范圍為780至1000 nm，適用于超快脈沖激光器。
  • 高效率：在超短脈沖生成中表現(xiàn)出色，適用于超快光譜學(xué)和時(shí)間分辨研究。
  • 低熱效應(yīng)：氟化物晶體的低非線性和低熱效應(yīng)使其適用于高重復(fù)頻率的激光操作。

缺點(diǎn)

  • 機(jī)械強(qiáng)度較低：氟化物晶體相對(duì)脆弱，易受機(jī)械應(yīng)力影響。
  • 制備工藝復(fù)雜：高質(zhì)量晶體的生長(zhǎng)需要嚴(yán)格控制，增加了生產(chǎn)難度和成本。

鉻激光器的未來(lái)發(fā)展方向

  • 基質(zhì)材料創(chuàng)新：開(kāi)發(fā)更高增益、更寬帶寬的新型晶體基質(zhì)，例如新型氧化物和氟化物基質(zhì)，進(jìn)一步提升激光性能。
  • 晶體生長(zhǎng)技術(shù)改進(jìn)：采用先進(jìn)的Czochralski或Bridgman法優(yōu)化晶體生長(zhǎng)工藝，以提高晶體質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本。
  • 多功能激光設(shè)計(jì)：將鉻激活激光器與其他光學(xué)組件結(jié)合，如光學(xué)參量振蕩器（OPO）和多波段放大器，拓展其在超快光學(xué)和非線性光學(xué)中的應(yīng)用。
  • 環(huán)保型激光系統(tǒng)：研發(fā)更加節(jié)能高效的泵浦源和冷卻系統(tǒng)，為工業(yè)和醫(yī)療領(lǐng)域提供更加可持續(xù)的解決方案。

結(jié)論

鉻激活晶體的廣泛調(diào)諧范圍和高性能使其成為激光技術(shù)中的關(guān)鍵元素。通過(guò)不斷創(chuàng)新基質(zhì)材料和改進(jìn)制備技術(shù)，鉻激光器將持續(xù)推動(dòng)科學(xué)、工業(yè)和醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展。隨著對(duì)寬帶光學(xué)系統(tǒng)需求的增加，鉻激活晶體的潛力將進(jìn)一步擴(kuò)大，為高功率和高精度激光器開(kāi)辟新的可能性。

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