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2006-09-12 14:13 |
陶瓷激光器的设计研究
采用设计灵活和低成本费用相结合的方法将使激光增益介质更加符合工程设计成本／效益的要求。美国加州斯坦福大学的科研人员正在探索把这些优点用在功率放大固体激光器中，包括连续波和锁模激光器，以减少激光吸收损耗，并致力于研究一种具有高导热率和高效率及小量子缺泵浦谱带的晶体基质。 x2 _?B[z
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该技术有许多应用，包括从重力波探测使用的稳定的高功率激光器到工业应用及军事目的的高平均功率激光器。为了实现高平均功率激光器，在陶瓷激光器设计灵活性方面已取得以下一些重大突破。
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.导热率和吸收长度（截面） FN>ns,
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在微芯片激光器研究中，为了减少晶体尺寸，必须使泵浦吸收达到最大。通常用Ｎｄ∶ＹＶＯ４材料制作微芯片激光器，因为这种材料比Ｎｄ∶ＹＡＧ材料有更大的吸收截面。在８０８ｎｍ波长处，这种材料比Ｎｄ∶ＹＡＧ的吸收截面大６倍。然而，Ｎｄ∶ＹＶＯ４的导热率很差，不到ＹＡＧ的一半。因此，当用这种材料制作较大功率的激光器时，这显然是一大瓶颈。目前，陶瓷烧结法使Ｎｄ∶ＹＡＧ的掺杂浓度大于６％原子浓度，因而使其吸收长度能与Ｎｄ∶ＹＶＯ４的相媲美；又由于陶瓷Ｎｄ∶ＹＡＧ的导热率明显高于Ｎｄ∶ＹＶＯ４，所以这种材料已成为优选对象。 W "}Cfv
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.低量子缺的新泵浦带 }zE
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增加Ｎｄ∶ＹＡＧ的掺杂浓度可使泵浦钕谱带成为可能，使以往这些没有足够高吸收系数的谱带有效地泵浦。在与波长８０８ｎｍ处传统泵浦相比，在波长８８５ｎｍ处泵浦Ｎｄ∶ＹＡＧ是比较有利的，因为能减少３０％的量子缺，能提高总效率和减少热负载。业已证实，在８８５ｎｍ波长处泵浦微芯片激光器具有５１％的斜坡效率；而相比之下，在８０８ｎｍ波长处泵浦的斜坡效率只有４７％。提高斜坡效率能帮助固体激光器输出更高的功率。 yE3l%<;q
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.缩短锁模脉冲长度 #[<XN s!"
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人们对微机械加工用高平均功率的皮秒脉冲锁模激光器给予了特别关注。为了产生短脉冲，锁模振荡要求有大增益带宽（发射谱带）；而高平均功率输出要求高导热率和使用二极管泵浦。Ｎｄ∶ＹＡＧ材料不适于这种应用，这是因其发射光谱带宽非常窄，且限制的脉冲宽度为 ～５ｐｓ。 # ]MV
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在Ｎｄ∶ＹＳＡＧ（Ｎｄ∶Ｙ３ＳｃｘＡｌ?５－ｘＯ１２中，ＹＡＧ材料的一个变种，钪（Ｓｃ的存在使晶胞产生畸变。这种材料产生２种化学性质截然不同的配置，用钕Ｎｄ）取代了钇ｙ），结果是Ｎｄ∶ＹＳＡＧ的发射光谱带宽比Ｎｄ∶ＹＡＧ宽５倍，并且具有高泵浦吸收和良好的导热系数。这种材料有足够的带宽用以支持亚皮秒脉冲，使其成为二极管泵浦锁模激光器的优选材料。Ｎｄ∶ＹＳＡＧ单晶生长工艺复杂且不易实现，现已研制成功一种高质量的陶瓷Ｎｄ∶ＹＳＡＧ材料，并已证实陶瓷Ｎｄ∶ＹＳＡＧ激光器具有３０％的斜坡效率。 )LRso>iOO
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Ｙｂ∶ＹＡＧ是一种用于制造高平均功率锁模激光器的最佳材料。业已证实，这种材料能提供大增益带宽，能产生＞５０Ｗ的平均输出功率。Ｙｂ∶Ｓｃ２Ｏ３可能是这种应用中较好的材料之一，其发射光谱带宽是Ｙｂ∶ＹＡＧ的２倍，因此脉冲宽度短２倍。然而，Ｙｂ∶ＳＣ２Ｏ３的高熔化温度（～２４３０℃）使得利用晶体生长方法生产大尺寸、高质量Ｙｂ∶Ｓｃ２Ｏ３单晶非常困难。最近Ｊ．Ｌｕ等人已研制成功Ｙｂ∶Ｓｃ２Ｏ３陶瓷。虽然这种方法要用很昂贵的先驱物质材料，但却是在高熔点材料范围内采用陶瓷烧结法成为可能的一个重要证明。 J
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展望未来 :Qd{V3*]
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陶瓷烧结方法／技术明显优于目前的晶体生长技术。可能是产生组合器件结构、新材料、扩大尺寸、提高性价比的唯一加工制造方法。可以预言，未来的陶瓷增益介质会具有极少的量子缺（＜５％），这将会对功率放大产生重要的影响。随着这些研究成果迅速转化为商品，某些开发研究成果很快就会变成现实商品。
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