可调谐激光晶体材料科学最新章节_王国富著

§ 1.2 掺过渡金属离子的可调谐激光晶体材料

1.2.1 可调谐激光晶体发展历史

1963 年贝尔 ^［1］实验室使用： MgF ₂ 晶体首次获得峰值1.63μm的可调谐激光运转，实现了第一个固态可调谐激光运转，它的发现是固态可调谐激光研究的重大进展。： MgF ₂ 晶体可调谐范围在 1.61 ～ 1.74 μm，： MgF ₂ 晶体CW输出功率达1.7 W，转换效率达 3.％。接着几年里又陆续发现了：MgF、： MgF和Sm ²⁺ ： CaF ₂ 等一批可调谐激光晶体采用闪光灯泵浦实现了激光输出，调谐范围在 1.12～ 2.17μm。但是这些激光都必须在低温下运转，实际应用意义不大。

1979 年J.C.Walling 报道了金绿宝石激光器的室温连续可调谐激光运转，调谐范围为 701～ 794 nm，中心波长为 750 nm。金绿宝石不仅可以CW运转，而且还可以脉冲运转、 Q开关运转和主、被动锁模运转。这是人们第一次在室温下获得可调谐激光输出，开创了固态可调谐激光晶体研究的新局面。20 世纪 80 年代是可调谐激光晶体研究最为活跃的时期。1984 和 1987 年S.T.Lai和报道了绿宝石激光，它的发射跃迁截面和增益是金绿宝石的两倍，调谐范围在 700 ～ 850 nm。 1982 年前后，德国汉堡大学B.Struve和G.Huber报道了系列的掺的石榴石GSGG、 GGG、YGG.LLGG和GSAG可调谐激光晶体，实现了激光运转，调谐范围在 700 ～ 950 nm。 1982 年林肯实验室P.F.Moulton ^［36］在Ti ³⁺ ：晶体中获得激光运转，调谐范围在 650 ～ 1 110 nm。由于Ti ³⁺ 是单电子结构，避免了激发态吸收，因此它的增益截面大。此外，：晶体还具有高的热导率和机械强度，已成为最广泛使用的商业化可调谐激光晶体。

1988 年实现了掺Cr ⁴⁺ 镁橄榄石可调谐激光输出，调谐范围在 1.13 ～ 1.37 μm。接着A.P.Shkadareich等人研制出掺的YAG的可调谐激光晶体。在 20 世纪 80 年代末与 90 年代初掺的可调谐激光晶体材料得到较大的发展， S.A.Payne等人发现了一系列掺的可调谐激光晶体，如： LiCaAlF ₆ （ LiCAF）、： LiSrAlF ₆ （LiSAF）和等晶体。表 1.1 列出 30 多种已实现激光运转的掺过渡金属的可调谐激光晶体材料。这些可调谐激光基本覆盖了 0.65 ～ 2.3 μm的光谱区域，如图 1.1 所示。

表1.1 掺过渡金属离子的可调谐激光晶体材料

续表

图 1.1 过渡金属离子掺杂可调谐激光晶体所覆盖的光谱波段示意图

1.2.2 全固态可调谐激光器技术的发展现状与前景

激光二极管（LD）作为泵浦源的应用为可调谐激光晶体的发展注入了新的活力，激光二极管（LD）与传统泵浦源相比，具有体积小、效率高、寿命长、光束质量高及稳定性好等优点。它的应用不仅提高了效率，而且使可调谐激光器进入了全固态化阶段，增加了其在应用中的竞争力。当前激光技术领域正朝着全固态激光技术发展，全固态激光是激光晶体、非线性光学晶体、大功率半导体激光（LD）和激光技术多年发展、实现技术集成的产物。作为未来光电子技术产业的核心器件之一，全固态LD泵浦的可调谐激光器及其可调谐激光晶体的发展技术朝着高功率、微型化、多波长、宽调谐、长寿命和高稳定性的趋势发展。

1990 年G.T.Maker ^［48］首次报道了全固化Ti： S激光器，它用LD泵浦的Q开关Nd.YLF激光器作泵浦源，用其倍频光泵浦三镜结构的Ti： S激光器，获得了 1.3 μJ输出，脉宽为 400 ns，峰值功率达3W，调谐范围746 ～ 833 nm。 1991 年T.R.Steele ^［49］用全固化Nd.YAG激光器倍频光泵浦Ti.S激光器，实现了全固化调Q运转，波长 795 nm处能量为 720 μJ，调谐范围 690 ～ 1 000 nm。J.Harrison ^［50］则用LD泵浦的YAG激光器倍频光泵浦CW掺钛蓝宝石激光器，实现了 75.～ 829 nm调谐全固化CW运转。但这种全固化激光器系统都需要经过一次电—光转换和两次光—光转换，效率低、结构复杂、价格昂贵，应用前景不大。而掺激光晶体因吸收波长可与大功率LD的 670 ～ 680 nm波长匹配，1990 年R.Scheps等人 ^［51］首次用发射波长为 670 ～ 680 nm大功率AlGaInP激光二极管（LD）泵浦： BeAl ₂ O ₄ ，斜效率为 25％。接着他们用 2 个 10 mW的 763 nm LD泵浦： LiCAF，实现了全固化的、结构简单的和高效率的可调谐激光运转。但是这些材料都存在着吸收系数小、 LD泵浦的激光效率低等问题。而已商业化的可调谐激光晶体掺钛蓝宝石Ti ³⁺ ： Al ₂ O ₃ 虽然具有宽的可调谐范围（65.～1 200 nm），但无法实现LD直接泵浦。