镱在光学与激光技术中的应用探索

镱在光学与激光技术中的应用探索

光学回「镱」录(1878~2020)

镱是高功率超快激光之源,镱是碟片激光发刃之始,镱是波长调谐的利器,镱是未来的量子存储,镱是三光子激发的重要之选,镱是光学原子钟的热门方向,镱是______________。

镱,这种1878年发现于瑞士伊特比村的稀土元素,以其独特的电子结构已渗透到各种光学相关领域,尤其是激光技术。本文将以穿插图表和习题的形式介绍掺镱激光器的工作原理和技术参数。

发现并得名于伊特比(Ytterby)的元素

钇(Y, Yttrium)、铽(Tb, Terbium)

铒(Er, Erbium)、镱(Yb, Ytterbium)

三价镱离子常用于高功率激光和可调谐固体激光器,尤其是过去十年出现于材料加工领域的高功率飞秒固体和光纤激光器都基于掺镱材料。下图中展示了微加工超短脉冲激光的发展,其中钛宝石再生放大器已被皮秒Nd:YVO4激光器替代,钕玻璃再生放大器已被掺镱光纤MOPA替代。

改编自相干激光技术文献掺镱固体激光材料的特殊性质:

电子结构简单,只有一种多重激发态,通过基态和激发态的不同亚能级间的跃迁进行泵浦和放大。

量子缺陷小,因此可提供高效率、低热效应,非常适合高功率应用。

简单的电子结构还能抑制激发态吸收以及各种有害的猝灭过程。

激光跃迁的增益带宽一般很宽,所以适合宽波长调谐或超短脉冲锁模。

上能级寿命较长,一般在1到2毫秒,这个特性适合Q开关应用。Yb:YAG中Yb3+的能级与常用的泵浦和激发跃迁波长。

Yb:YAG掺杂浓度

YAG(Y3Al5O12)晶体密度为4.56 g/cm3,当6.5%的Y离子被Yb离子置换时,请计算晶体中Yb离子的密度。解答:Y、Al、O原子量各为pY=88.91,pAl=26.98,pO=16,因此1摩尔YAG分子的质量和体积分别为:

WYAG = 3pY+5pAl+12pO = 593.63 gV = WYAG/ρYAG = 130.18 cm31摩尔YAG分子中有3摩尔Y离子,即阿伏加德罗常数的3倍,所以Y离子的密度为:NY = 3nA/V = 3x6.022x1023/130.18 = 1.388x1022 ions/cm3因为6.5%的Y离子被置换,故Yb离子密度为:NYb = 0.065xNY = 9x1020 ions/cm3Yb:YAG vs Nd:YAG

A司推出一款Nd:YAG激光器,B司马上跟进一款Yb:YAG激光器。假设两种激光器都能实现最佳纵向泵浦,Yb:YAG激光棒的模式光斑直径是Nd:YAG的五分之一,而且两激光器的泵浦效率相同。

A司声称其Nd:YAG激光器的泵浦阈值是Yb:YAG激光器的3.6倍。假设两激光器的单通损耗γ都是6%,请根据下表中的数值计算Yb:YAG激光棒的长度。Nd:YAG

Yb:YAG

Nt (1020 cm-3)

1.38

8.97

τ (ms)

0.23

1.16

σe (10-20 cm2)

28

1.8

σa (10-20 cm2)

-

0.12

λ (nm)

1064

1030

λP (nm)

808

941

Nt为有源载流子数,τ为上能级寿命,σe和σa分别为受激发射和吸收截面,λP为泵浦波长。解答:Nd:YAG四能级激光器在最佳泵浦条件下的泵浦功率阈值为:

Yb:YAG准三能级激光器在最佳泵浦条件下的泵浦功率阈值为:

因为前者是后者的3.6倍,因此:

变换得到Yb:YAG激光棒长度:

由于Nd:YAG的模式光斑大小是Yb:YAG的5倍,所以ANd/AYb=25,代入其它数值计算得:

注:不管A司B司,光学元件和调整架需求请认准Thorlabs司,助您搭出超稳定激光系统。

更稳的镜架,更稳的镜片,打造更稳的激光!Yb3+晶体激光器(激光跃迁:2F5/2→2F7/2)

基质晶体

波长μm

温度K

光泵

模式

BaCaBO3F

1.034

300

TiS

P

Ca3Sr2(PO4)3F

1.046

300

TiS

CW

Ca4Sr(PO4)3F

0.985

1.046

1.110

300

300

300

TiS

TiS

TiS

CW

CW

CW

Ca5(PO4)3F

1.043

300

TiS

CW

CaF2:Nd

1.0336

120

Xe

P

Gd3Ga5O12:Nd

1.0232

77

Xe

P

Gd3Sc2Al3O12:Nd

1.0299

77

Xe

P

KGd(WO4)2

1.026-1.044

300

LD

CW

KY(WO4)2

1.026-1.042

300

LD

CW

LiNbO3(Waveguide)

1.008

1.030

1.060

300

300

300

TiS

TiS

TiS

CW

CW

CW

Lu3Al5O12

1.0297

1.03

77

175

Xe

LD

P

CW

Lu3Al5O12:Nd,Cr

1.0294

77

Xe

P

Lu3Ga5O12:Nd

1.023

77

Xe

P

Lu3Sc2Al3O12:Nd

Sr5(PO4)3F

1.0299

0.985

1.047

77

300

300

300

Xe

Cr:LiSAF

TiS

LD

P

QCW

P

P

Sr5(VO4)3F

1.044

300

TiS

P

Y3Al5O12(Waveguide)

1.0293

1.0296

1.03

1.03

1.031

77

77

300

300

300

Xe

Xe

TiS

LD

TiS

P

P

CW

CW

P

Y3Al5O12:Nd(Waveguide)

1.0297

1.03

200

300

Xe

LD

P

CW

Y3Al5O12:Nd,Cr

1.0298

210

Xe

P

(Y,Yb)3Al5O12

1.0293

77

Xe

P

YCa4O(BO3)3

1.018-1.087

300

TiS

CW

Y3Ga5O12:Nd

1.0233

77

Xe

P

数据来源2001年版激光手册,TiS=钛宝石激光,Xe=氙灯,LD=激光二极管,Y3Al5O12即常说的钇铝石榴石(YAG)。Yb3+玻璃激光器(激光跃迁:2F5/2→2F7/2)基质玻璃

波长μm

光泵

模式

块体

Ca–Li borate(Nd)

K–Ba silicate

Li–Mg–Al silicate

Li–Mg–Al silicate(Nd)

1.018

1.06

1.015

1.015

Xe

Xe

Xe

Xe

P

P

P

P

光纤

氟锆酸盐

锗硅酸盐

石英

石英

石英

石英

石英(Al, P)

石英(Ge)

石英(Ge)

1.000-1.050

1.115, 1.128

0.974

1.010-1.162

1.015-1.140

1.028-1.064

0.980

1.115

1.13

TiS

Nd:YAG

LD

LD

Dye

Dye

Dye

Nd:YLF

Nd:YAG

S, CW

CW

S

S

S, CW

S, CW

CW

CW

CW

锁模脉冲产生掺镱材料广泛用于锁模激光器产生超短脉冲,特别是在高功率方面卓有成效。在瑞士ETH的Ursula Keller组,碟片式飞秒激光振荡器于2019年创造350 W平均功率新纪录;在德国弗劳恩霍夫研究所,科研人员正致力于合作开发10 kW级飞秒板条和光纤激光器。

350 W超短脉冲碟片振荡器的腔设计https://doi.org/10.1364/OE.27.031465

12路掺镱光纤放大器的相干合成

放大器强度的理论极限

对于面积为S的增益材料,证明通过它能得到的最高聚焦强度为:

σ是频率?处的发射截面,Δ?0是荧光带宽。解答:在放大脉冲没有明显畸变的情况下,放大器的最大通量约为饱和通量Γs=h?/σ,因此最高峰值功率为:

τmin为可达到的最窄脉宽。如果放大脉冲通过透镜聚焦成直径为d的光斑,则最高峰值强度为:

最窄脉宽τmin和荧光带宽的关系:

最小聚焦光斑直径受波长限制,因此,最大聚焦强度可改写成:

注:对于掺镱磷酸盐玻璃放大器,Γs=40 J/cm2,τmin=20 fs,λ=1030 nm,如果增益材料面积为1 cm2,根据以上公式可得最大峰值功率为2 PW,而聚焦光斑的最高强度为2x1023 W/cm2。

掺镱激光产品@Thorlabs

1. Y-Fi™飞秒光纤激光器· 可调重频1~10 MHz

· 超快脉宽<170 fs

· 平均功率>20 W

· 脉冲能量>3 µJ

· 中心波长1035 nm

2. Y-Fi™光参量放大器· 信号波长1275~1800 nm

· 闲频波长2.4~4.4 µm

· 超快脉宽<50 fs

· 可调重频1~4 MHz

· 高功率、高能量

3. BlueCut飞秒光纤激光器· 脉冲能量‎>10 µJ

· 超快脉宽<400 fs

· 平均功率>10 W

· 重频可达10 MHz

· 长期高稳定输出

4. orange飞秒光纤激光器· >10 W @ <200 fs

· >1 W @ <150 fs

· 重频50~250 MHz

· 高稳定、低噪声

· figure 9®锁模技术

· 也提供OEM掺镱光纤激光器

5. 掺镱光纤放大器(YDFA)· 波长1025~1075 nm

· 小信号增益>22 dB

· 典型输出功率20 dBm

· 单模或保偏版本

6. 高功率皮秒掺镱激光用反射镜· 基频到四倍频掺镱激光

· 高损伤阈值

· 激光加工应用

· S和P光同具高反射率

· Thorlabs还提供用于超快掺镱激光的低GDD超快反射镜、超快分束镜和谐波分束镜(高透基频P光,高反倍频S光)

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