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1、镨离子激光器的特性简介实验学院 0636142 班 王维一、镨离子的能级结构镨离子的能级结构如下图：可以看出，镨离子的能级结构比较复杂，能够产生激光输出的跃迁很多，输出谱线非常丰富。从文献中了解到，能够产生的波长有：(1)在可见光及近红外波段包括：492nm 的蓝光； 3P0-3H4522nm 的绿光； 3P1-3H5545nm 的绿光； 3P0-3H5607.2nm 的橙黄光； 3P0-3H6639.5nm 的红光； 3P0-3F2697nm 的暗红色光； 3P0-3F3720.9nm 的暗红色光； 3P0-3F4907.4nm 的红外光； 3P0-3G4(2)在中红外波段，可以产生 5.2
2、m 和 7.2m 才两种波长的光。 可以看出，镨离子激光的上能级基本上都是 3P0，这个能级的寿命约为40s，而产生红外光的上能级为 3F3，寿命能达到 300s。在查到的文献中，镨离子激光器比较有应用前景的是 492nm 的蓝光，这种激光可以用于水下通信，美国海军部以及德国汉堡大学在这方面做了很多工作，但是很遗憾国内几乎没有从事这方面研究的。另一种就是 7.2m 的红外光，这是迄今为止发现的波长最长的稀土离子激光输出。它将稀土离子激光的光谱范围扩展到了 3m 以上。后面我也将详细介绍这两种激光器。二、镨离子的吸收谱线下面的三张图分别表示了镨离子在蓝色、红色和红外波段的吸收谱。三、镨离子蓝绿光
3、激光器3.1 工作基质一般的镨离子蓝绿激光器采用 YLF(YLiF 4 )晶体作为基质。镨离子的典型掺杂量为 0.3%。晶体的最佳长度为 8mm，如果更长的话容易引起红黄色光一起产生震荡。晶体的两端要求磨光，不需要镀膜。也有采用掺镨的光纤作为基质的，纤芯直径为 2.4 微米，掺杂量为500ppm。数值孔径约为 0.24。3.2 输出波长及特性蓝绿光的输出波长中心在 492nm，有的课题组也得到了 479nm 的激光输出。工作方式一般为连续运转。也可以通过调 Q 的方法得到脉冲输出，但比较困难。主要是由于该激光是三能级结构，其泵浦阈值很高，限制了其应用。得到的激光输出功率约为 22mw，总转换效
4、率约为 7.5%，泵浦的斜率效率约为 35%。还有一些专利文献也是关于这种激光，但是介绍的十分不详细，没有给出功率参数。3.3 泵浦源镨离子激光器主要有三种泵浦方式：一是用氩离子激光器泵浦；二是用中心波长为 444nm 的染料激光器泵浦；还有一种是采用上转换激励方式，就是用两束波长较长的光泵浦，产生另一种波长较短的光。实验中采用的是 835nm 和1017nm 的光作泵浦光。从实验数据中，可以看出采用这种泵浦方式的斜率效率要远高于其它两种（约为 35%，另两种分别为最高 20%和 24%） ，是一个很有前途的方向。四、7m 镨离子激光器4.1 工作基质红外镨离子激光器采用三氯化镧作为基质。掺杂
5、浓度约为 1%，其尺寸为3*8*15mm。 LaCl3 在红外波段有良好的透过率，但是它也存在易潮解的问题。4.2 输出波长及特性得到的输出波长为 7.2m。工作方式为脉冲输出。其脉冲宽度在 10-500微秒不等。平均输出功率为 70W。其斜率效率随着温度的不同差异很大。在室温下约为 4%，而当温度降到 140K 的时候能达到 15%。室温时的总工作效率约为 2.3%。此外，在室温下的受激发射截面约为 1.510-19cm2。4.3 泵浦源采用的是中心波长在 2.02 微米的 Tm: YAG 激光器。五、后记镨离子是一种有待于研究与开发的激光工作物质，它能够产生的谱线非常丰富，除上面介绍的两种
6、外，利用 OPS 泵浦的红黄光镨离子激光器也是比较常见的。它对于研究激光的水下应用具有重要的意义，具有一定的军事价值。在查阅文献的过程中，很多国外文献都是保密的。希望今后国内也有更多的人从事相关的研究。六、参考文献1S. R. Bowman L. B. Shaw B. J. Feldman Joseph Ganem “A 7-m praseodymi-um based solid-state laser”, IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 32, NO. 4, APRIL 19962 Hanno Scheife, Gunter Huber,
7、Ernst Heumann, Sebastian Bar, Eugen Osiac “Assessment of Pr3+KY3F10 as a Blue-Green Laser”, Optical Materials 26 (2004) 3653743 Yuxing Zhao, Simon Fleming, Simon Poole “Blue Light Emission by a PrLiYF4 - Laser Operated at Room Temperature”, Optics Communications 114 (1995) 285-2884 Guenter Huber, An
8、dr Richter, and Ernst Heumann , “Continuous wave Prase-odymium solid-state lasers”, Proc. of SPIE Vol. 6451, 645102, (2007)5 T. Sandrock, T. Danger, E. Heumann, G. Huber, B. H. T. Chai, “Efficient Continu-ous Wave-laser emission of Pr3+-doped fluorides at room temperature”, Appl. Phys. B 58, 149-151
9、 (1994)6 H.J. Eichler, B. Liu, Zukang Lu, A.A. Kaminskii, “Orange, red and deep-red flashla-mp-pumped Pr3+LiYF4 laser with improved output energy and efficiency”, Appl. Plays. B 58, 421 424 (1994)7 S. R. Bowman, L. B. Shaw, B. J. Feldman, “Praseodymium Solid State Lasers at 5.2 and 7.2 Microns - Longest Rare Earth Wavelengths to Date”8 周稳观，晴天 YAIO3PR3菱形晶体高功率镨激光器，国外激光 1994第9期9V.O.Nicolai, “Solid state blue-green laser with high efficiency laser pump”, Sup-ersedes PAT-APPL-709 477-76, AD-D003 042.
