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1、1 前言利用锁模技术产生的超短脉冲具有皮秒、飞秒量级的脉冲宽度,高脉冲重复频率,宽的光谱和高的峰值功率,作为揭示微观世界超快现象的重要手段,被广泛应用于物理、化学、生物学、激光光谱学、光通信以及激光精细加工等众多领域。掺钛蓝宝石晶体自1991年首次实现锁模激光以来,因具有宽调谐、窄脉冲和高功率等特点使其成为迄今为止在近红外波段性能最好的固体调谐脉冲光源。但钛宝石晶体的缺点是受激发射截面和上能级寿命乘积因子太小,难以生长出大尺寸晶体,不适于灯泵浦；同时它的吸收带在蓝绿波段,对泵浦光源要求苛刻,只能用Ar离子激光或掺Nd离子的固体激光倍频绿光来泵浦,不能用LD直接泵浦,从而导致结构庞大、维护费用高
2、。目前,在几个飞秒超快时域中其他的锁模激光器还无法替代钛宝石激光。因此,在几十飞秒到亚皮秒超快时域的应用中,能够实现LD泵浦超短脉冲的新激光材料越来越受到人们的关注。最终将实现LD直接泵浦的高效率、小型化全固态超快激光器。目前,虽然Nd:YAG、 Nd:YVO4和Nd:YLF类的激光晶体适合于LD泵浦,利用半导体饱和吸收镜SESAM可以获得被动锁模激光运转,但增益带宽只有1nm左右,输出脉冲宽度仅为ps量级。相比较而言,掺镱Yb3+类激光晶体在满足超快激光条件上更具优势,脉宽可小于100fs 。Yb3+是能级结构最简单的稀土激活离子,仅有一个基态2 F7 /2和2 F5 /2一个激发态,不存在
3、激发态吸收和上转换,光转换效率高,荧光寿命较长。Yb3+吸收带在0.91.1m围能与InGaAs LD泵浦源有效耦合,且吸收线宽较宽；泵浦波长与激光输出波长非常接近,量子效率高；可实现高浓度Yb3+离子的掺杂,增益介质可做成微片。因此, Yb3+离子掺杂的晶体将是全固态超快激光一个重要的发展方向。1.1固体激光器固体激光器是以固体材料为工作物质的激光器。激光晶体激光玻璃和激光瓷是固体激光器三种最主要的工作物质。1.11固体激光器的历史,发展现状及应用固体激光器的发展大致经历了以下几个阶段2在上世纪六十年代,固体激光器发展迅速,在振荡,放大调Q,锁模和锁模等技术和应用都获得了迅速发展。进入七十年
4、代固体激光器发展缓慢,八十年代后,高功率固体激光器,可协调固体激光器和高效率固体激光器迅速发展,固体激光器前景广阔。九十年代至今,固体激光器得到了迅速而长远的发展,在各种新的领域不断有新的应用和发展。固体激光器具有输出能量大,具有很高的峰值功率,紧凑的器件结构,便于光纤耦合,比气体激光器波长短,使用寿命长和单元技术成熟。 固体激光器在工业激光材料加工激光医学和化学,科学研究与发展以及国防军事等方面都获得了广泛的发展,以用于激光打孔,焊接切割,微调,划片,打标,热处理,手术刀,医学诊断,激光雷达,全息摄影,激光存储,激光测污和环境监测,遥感,水下探测,激光光谱分析,激光测距,目标指示,指导,致眩
5、和惯性约束聚变等,形成了广阔的世界固体激光市场。1.1.2固体激光器工作物质固体激光器对工作物质的一般要求可归结为2（1） 在激光工作频率围应该透明,这样当光产生色心时,不会引起吸收的显著增加（2） 掺入的激活离子受激发射截面要足够大,激励光谱要有效。吸收光谱和泵浦光的辐射谱要有近可能多的重叠才能充分利用泵浦光能量（3） 要求掺入的激活离子的浓度要高,有小的浓度猝灭效应,荧光寿命也要足够长（4） 需要有很高的光学质量,有害杂质,光学不均匀性气泡条纹等缺陷尽可能少,应力少。入射光的偏振态的变化和入射光的波面畸变的变化不能再材料中产生。（5） 荧光量子效率高各方面性能好,有利于实验。容易产出大尺寸
6、材料,工艺简单,成本低廉。固体基质材料主要有晶体玻璃和瓷。玻璃中的主要元素以共价键结合在一起,形成网状结构,其特点是进程有序而远程无序。在网络的空隙之中分散着掺入的激活离子,而这些网络会对离子产生电场,称为配位体电场,其对各个激活离子的影响不尽相同使离子谱线呈非均匀加宽。同样在晶体中离子排列有序,形成晶格结构,有序的晶格场对各离子的影响相同,离子谱线均匀加宽。发光中心的y b离子属于稀土离子,由于外层电子对层电子的屏蔽作用,而这类离子未满壳的电子是层电子,因而不论在什么基质中。这类离子的离子光谱变化不大与自由状态光谱大体相同。1.2 掺Yb3+激光晶体的特点251。没有在激发态吸收和上转换的问
7、题,具有较高的光转换效率2镱离子具有最简单的激活离子的能级结构,电子组态为Xe4f13 ,只有一个基态2F7/2和一个激发态2F5/2,两者之间的能级间隔约10000cm-1,在晶体场的作用下,斯塔克能级产生分裂,一个准三能级激光器运行机制便形成了3可以将Yb3+进行很高浓度的掺杂并且不会出现浓度猝灭现象4由无辐射弛豫引起的材料中的热负荷比较低,仅仅是掺Nd3+同种激光材料的三分之一,这是由于泵浦能级接近上层能级造成的。5在Yb3+吸收波长围为0.91.1m波段的InGaAs LD泵浦源的有效耦合,且吸收线宽半宽宽没有严格的温度控制,以获得相匹配的泵LD泵浦源泵浦波长;6具有很长的荧光寿命,这
8、样有利于储能,为掺Nd3+同种激光材料的三倍多。7。量子缺陷低,泵浦波长跟激光输出波长非常接近,这样一来,大的本证激光斜率效率与量子效率可达90;产品特点可以看出,从以上：LD泵浦的掺Yb3+激光器在某些应用上比其他类型激光25器更好。掺Yb3+激光材料,由于Yb3+离子,实现了高掺杂浓度,增益介质可镱做成为微片,这是传统的稀土离子有些却不能。这对LD泵浦固体激光器实现了一体化,小型化,结构紧凑将有很大的意义。 1.2.2Yb3+离子在掺杂固体中的光谱特性由下图可以看到,Yb3+离子仅有两个电子态,基态2F7/2和激发态2F5/2,由于2F5/2这个能级不存在任何其他激光态能级,所以可以避免转
9、换,激发态吸收和弛豫振荡等激光能量损耗。在晶格场作用下,能级发生分裂,激光过程最有可能发生在上能级2F5/2最低的Stark能级和下能级2F5/2的子能级之间,形成准三能级的激光运行基质。然而,准三能级的一个最大缺陷就是基态能级和激光跃迁的终止能级属于同一个能级多重态,Yb3+离子的光谱和激光性能在很大程度上依赖于基质材料2F7/2泵浦跃迁 零线跃迁激光跃迁2F5/2 表1.1 掺Yb3+能级结构图2 掺Yb3+离子激光晶体2.1掺Yb3+离子激光晶体的历史和发展1当Yb3+离子掺杂于石榴石系列晶体时,人们一直认为它是可产生激光的离子。早期影响其进一步发展的主要障碍是Yb3+离子对泵浦源有限吸
10、收的特征。因为Yb3+离子仅有基态和激发态两个电子态,这两个电子态的能量间隔为10000cm-1,Yb3+离子电子构型为4f13,二十世纪六七十年代,Yb3+离子激光晶体发展缓慢,一直到发射波长为0.9-1.1um的InGaAs激光二极管出现,掺Yb3+离子材料才焕发了新的活力。Yb3+离子的主要吸收峰位0.9-1.0um,能与高亮度的InGaAs 激光二极管泵浦源有效耦合。由于Yb3+离子独特的结构,使之越来越多的应用到固体激光材料中。掺Yb3+离子激光晶体的发展与Yb：YAG晶体的发展密切相关。在20世纪六十年代人们开始发现掺Yb3+离子在某些晶体中的光谱特性,1971年,科学家用YbYA
11、G晶体的泵浦在77K的温度下获得了1.029um的脉冲输出,得到了0.7w的峰值功率,研究掺Yb3+离子晶体的序幕由此揭开。在在此之后的20年时间里,对掺Yb3+激光晶激光性能的研究处于停滞不前的状态,原因是缺少更有效的的泵浦原,进入90年代,掺Yb3+离子激光晶体得到了长远的发展。泵浦原InGaAs二极管的输出功率和其稳定性升高且价格下降,人们对激光器性能高效性,高功率小型化和集成化的特点愈加重视,掺Yb3+离子晶体由于适应这一波段而日益被人们重视。掺Yb3+离子激光晶体在惯性约束核聚变以及在通信,军事上有着巨大的应用潜力,因而将Yb3+离子激光晶体的研究推上了高潮。国外的许多著名的研究机构
12、纷纷开始研究Yb3+激光晶体,期望发展高效率高功率的固体激光器。1991年,美国林肯实验室的科学家首次公布了InGaAs二极管泵浦原YbYAG晶体获得连续激光输出,吸收泵浦功率为245mw时,获得了23mw的最大输出功率。1993年FAN等人首次利用InGaAs二极管泵浦原,在室温下获得了Yb;YAG圆盘激光器的输出功率已达到41kw。目前,Yb3+在可调谐激光和飞秒激光输出方面也得到了迅猛发展, Yb3+离子输出激光最短脉冲宽已达到70fs。YbYAG晶体由于光学性能优良,机械性能比较好,化学性能稳定,可进行较高浓度的掺杂而受到人们的关注与青睐。2.2掺Yb3+激光晶体的类型1：目前,掺Yb
13、3+在数十种激光晶体基质都获得了激光输出。这些晶体在连续波.波长协调.自调Q.自备频.被动锁模等多种工作方式下分别表现出了优异的激光性能。同时,Yb3+也是一种高效率的敏化离子,可以用作多种激光激活离子的泵浦能量吸收敏化剂,如Er3+,Ho3+,Tm3+,Nd3+,Cr4+等。激光晶体的分类方式有多种,有按激光活离子的种类分类,有按基质晶体的结构和成分特性进行分类,有按性能进行分类等。按照基质晶体的结构和成分特性进行分类17,主要有：石榴石型晶体,如Yb;YAG,Yb:GGG,Cr4+,Yb：YAG,磷灰石晶体,如Yb：FAP,Yb;CS-FAP,YB:S-FA P 等；硼酸盐晶体,如Yb：Y
14、AB.Yb：YCOB,Yb：GdCOB.Yb：BOYS等；氟化物晶体,如Yb：CaF2,Yb3+,Na+：CaF2,硅酸盐晶体,如Yb：LSO,Yb：YSO,Yb：GSO等,钒酸盐晶体,如Yb：YVO4,Yb：GdVO4等,钨酸盐晶体,如Yb：KYW.Yb：KGW,Yb：KLUW等表2.1掺Yb3+离子不同基质激光特性27基质泵浦波长nm激光波长nm发射带宽nm荧光寿命ms脉冲宽度fs平均功率mwYAG94210508.50.951363.1YAB9701040200.68198440BOYS9751062601.16980YCOB9761052452.28210160GdCOB9761045
15、442.69040KYW9401057240.771120KGW9401037250.75100126SYS9791066730.870156Sc2O3976104411.60.8230540Lu2o39761033.5130.82220266CaF29791043802.4150880YVO49801021310.32120300上表27列出了几种已经实现飞秒激光输出的掺Yb3+激光晶体的特性。虽然二极管泵浦Yb:YAG晶体连续激光输出已经达到数千瓦研究水平,但由于Yb:YAG晶体相对窄的发射带宽,使得Yb:YAG晶体相比其他掺Yb3+激光晶体,难以成为满足超短脉冲激光输出的理想材料。目前Yb:BOYS,Yb:KYW和Yb：SYS晶体中,都获得了70fs左右的超短脉冲。Yb:BOYS,Yb：SYS和Yb：CaF2晶体,相比其他晶体具有更宽的发射带宽,有希望成为实现最短激光脉冲输出的掺Yb
