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Yb:YAG晶體在科研工作中的應(yīng)用

Yb:YAG晶體,即摻鐿的釔鋁石榴石晶體,因其卓越的物理特性在科研領(lǐng)域中扮演著越來越重要的角色。Yb:YAG作為特殊的激光工作物質(zhì),不僅繼承了YAG基質(zhì)材料的優(yōu)良物理性質(zhì)和穩(wěn)定化學(xué)性能,而且因其更高的激光上能級壽命,展現(xiàn)出良好的激光工作性能。在相同的半導(dǎo)體泵浦功率下,Yb:YAG的每單位泵浦功率熱負荷僅為Nd:YAG的三分之一,這使得其在高功率激光操作中具有更優(yōu)良的散熱性能,有效減少了熱效應(yīng)對激光輸出的影響[1]。以下是幾個在科研工作中Yb:YAG晶體關(guān)鍵應(yīng)用場景:

1. 高重頻全固態(tài)飛秒激光器

Yb:YAG晶體因其高熱導(dǎo)率、長上能級壽命和寬發(fā)射帶寬,成為高重頻全固態(tài)飛秒激光放大器的理想增益介質(zhì)。在工業(yè)超快非熱微加工、極紫外光學(xué)頻率梳、高通量高次諧波產(chǎn)生、角分辨電子動量譜等領(lǐng)域,Yb:YAG晶體的應(yīng)用至關(guān)重要[2]。通過啁啾脈沖放大(CPA)技術(shù),Yb:YAG晶體(8 毫米長、6 毫米直徑、3 at.% 摻雜、AR膜系)能夠?qū)崿F(xiàn)kHz量級重復(fù)頻率、mJ量級能量的飛秒激光輸出,這對于高溫高密等離子體的驅(qū)動和強磁場陣列的自組織放大具有重要意義[3]。

2. 碟片激光器

碟片激光器以其結(jié)構(gòu)、效率和光束質(zhì)量上的優(yōu)勢,在實現(xiàn)高重復(fù)頻率、大脈沖能量及高平均功率的超快激光方面展現(xiàn)出強大的能力。Yb:YAG晶體在碟片激光器中的應(yīng)用,使得科研人員能夠?qū)崿F(xiàn)高能量、高光束質(zhì)量的激光輸出[4]。例如,中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所利用Yb:YAG單碟片再生放大器(215 微米厚、12 毫米直徑、7 at.% 摻雜、AR膜系;同時搭配兩塊尺寸 為 10 mm×10 mm×25 mm的BBO晶體實 現(xiàn)λ/4的相位調(diào)制量)實現(xiàn)了重復(fù)頻率為1 kHz、單脈沖能量為107 mJ的激光輸出,這是國內(nèi)首次達到這一成就[5]

Yb:YAG碟片狀晶體

圖1. 碟片狀Yb:YAG晶體

*圖片來源Dausinger + Giesen GmbH

3. 輻射平衡激光器(RBL)

在輻射平衡激光器(RBL)的研究中,Yb:YAG晶體被用于實現(xiàn)激光器的自冷卻,從而減少熱退化和提高激光效率[6]。通過精確控制泵浦光和激光光的波長,Yb:YAG晶體(4  毫米長、5 毫米寬、0.5 毫米長、5 at.% 摻雜、AR膜系)能夠在量子缺陷產(chǎn)生的熱量和非輻射衰減產(chǎn)生的熱量與熒光誘導(dǎo)冷卻之間達到平衡,從而實現(xiàn)高功率連續(xù)波(CW)操作[7]

Yb:YAG晶體用于輻射平衡激光器

圖2.基于Yb:YAG的RBL研究裝置示意圖[7]

4. 高穩(wěn)定高光光效率的再生放大器 

Yb:YAG晶體也被用于構(gòu)建高穩(wěn)定高光光效率的再生放大器。中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所的研究人員設(shè)計并搭建了基于Yb:YAG單薄片激光模塊(215 微米厚、9 毫米直徑、7 at.% 摻雜、AR膜系;同時搭配兩塊尺寸 為 12 mm×12 mm×20 mm的BBO晶體實 現(xiàn)λ/4的相位調(diào)制量)的再生放大系統(tǒng),實現(xiàn)了平均功率為40.9 W、重復(fù)頻率為1 kHz、脈沖寬度為3.4 ns的激光輸出,光光轉(zhuǎn)換效率達到16.1%[8]。

Yb:YAG晶體用于再生放大器

圖3.基于Yb:YAG的再生放大激光器裝置示意圖[8]

此外,中國科學(xué)大學(xué)的技術(shù)團隊也設(shè)計并搭建了基于Yb:YAG薄片激光模塊(100 微米厚、12.7 毫米直徑、7 at.% 摻雜、AR膜系;同時搭配兩塊尺寸 為 6 mm×6 mm×20 mm的BBO晶體實 現(xiàn)λ/4的相位調(diào)制量)的再生放大系統(tǒng),實現(xiàn)了重復(fù)頻率為50 kHz、輸出功率312 W、脈沖寬度720 ps、最大脈沖能量超過6 mJ的近衍射極限激光輸出[9]。這一成果標志著在輸出功率和光光效率方面取得了重大突破。

綜上所述,Yb:YAG晶體因其獨特的物理特性,在科研領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛,特別是在高功率、高重頻、高光束質(zhì)量的激光系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。隨著技術(shù)的不斷進步,Yb:YAG晶體有望在未來的科研和工業(yè)應(yīng)用中扮演更加重要的角色。

參考文獻:

[1] Zhou Y, Meng J, Albrecht A R, et al. Radiation-balanced Yb:YAG disk laser[J]. Optics Express, 2019, 27(2): 1392-1401.

[2] Giesen A, Hügel H, Voss A, et al. Scalable concept for diode-pumped high-power solid-state lasers[J]. Applied Physics B, 1994, 58(5): 365-372.

[3] Bowman S R. Lasers without internal heat generation[J]. IEEE J. Quantum Electron. 1999, 35(1): 115-122.

[4] Schad S S, Gottwald T, Kuhn V, et al. Recent developments in disk lasers at TRUMPF[J]. Proceedings of SPIE, 2016, 9726: 972615.

[5] Chen F, Yu J H, Chen Y, et al. 107 mJ Yb:YAG single thin-disk regenerative amplifier[J]. Chinese Journal of Lasers, 2023, 50(5): 0515001.

[6] Bowman S R. Optimizing average power in low quantum defect lasers[J]. Applied Optics, 2015, 54(31): F78-F84.

[7] Bowman S R, O’Connor S P, Biswal S, et al. Minimizing heat generation in solid-state lasers[J]. IEEE J. Quantum Electron. 2010, 46(7): 1076-1085.

[8] Shi Y S, Li Z Q, Pan X, et al. High stable and high optical-to-optical efficiency Yb:YAG single-disk regenerative amplifier[J]. Chinese Journal of Lasers, 2023, 51(2): 0201005.

[9] Lei X Y, Dai L H, Su M, et al. The Output Power of Domestic Yb:YAG Thin-disk Regenerative Amplifier Exceeds 300 W[J]. Chinese Journal of Lasers, 2024, 51(19): 1915002.

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