掺Yb3+激光晶体的一些特性

    1965年贝尔电话实验室的L.F.Johnson等人用闪光灯泵浦Yb∶YAG晶体，当时由于高的阈值(325J)和低的转换效率未引起人们的重视；1967年，G.Burs等人报道了掺Yb3+离子的LiNbO3和LiTaO3晶体的光谱特性；1971年，A.R.Reinberg等人用GaAs∶Si LED泵浦Yb∶YAG晶体，在77K温度下，获得了1.029μm的脉冲激光输出，峰值功率达0.7W，从而揭开了掺Yb3+激光晶体的研究序幕。1976年，G.A.Bogomolova等人将Yb3+作为激活离子掺入到YAG和其它的石榴石结构晶体中。但在这之后的相当长一段时间里，由于缺少更为有效的泵浦源，掺Yb3+激光晶体仅能在低温下实现激光运行，因此，对其研究仅限于一些光谱特性的研究，而对激光性能的研究，则几乎处于停滞状态。进入90年代，随着高强的窄带泵浦源InGaAs LD(输出波长为0.87～1.1μm)的发展和成本的降低，掺Yb3+激光晶体的研究风起云涌。尤其是随着激光二极管作为惯性约束核聚变择优泵浦源的出现和掺Yb3+激光材料在通信、军事上的应用潜力，更将掺Yb3+激光晶体的研究推向了高潮。许多国际著名的研究机构，如美国的利夫莫尔国家实验室(LLNL)，林肯实验室(MIT)，休斯研究实验室；德国的斯图加特大学，汉堡大学；英国的南安普敦大学，曼彻斯特大学；瑞士联邦理工学院；日本的大坂大学，福田大学等相继开展了掺Yb3+激光晶体的研究，将其视为发展高效、高功率固体激光器的一个主要途径，利夫莫尔国家实验室还希望将其用作惯性约束核聚变点火装置中的增益介质。在国内，中科院上海光学精密机械研究所，山东大学等单位也相继开展了掺Yb3+激光材料的研究。目前，对其光谱和激光性能进行了较全面研究的当数Yb∶YAG晶体、Yb3+掺杂磷灰石结构晶体和一些具有潜在自倍频效应的晶体。Yb∶YAG晶体由于具有优良的光学、热力学和机械性能，化学稳定性好，可进行较高浓度的掺杂等特点而成为掺Yb3+激光材料中的佼佼者。在Yb∶FAP和Yb∶S-FAP晶体中，由于FAP和S-FAP基质能给Yb3+离子提供目前其它基质无可比拟的晶场环境而产生最大的晶场分裂能，优异的光谱性能使它具有阈值低，增益大，效率高和成本低等特点。因此，倍受人们青睐。Yb∶BaCaBO3F晶体由于具有潜在的自倍频效应而受到人们的关注。　

掺Yb3+激光晶体的特点

　　与其它的稀土激活离子相比，Yb3+离子具有如下特点：
　　(1)Yb3+为能级结构最简单的激活离子，电子构型为［Xe］4f13，仅有一个基态2F7/2和一个激发态2F5/2，两者的能量间隔约为10000cm-1，在晶场作用下，能级产生斯塔克分裂，形成准三能级的激光运行机制；
　　(2)Yb3+吸收带在0.9～1.1μm波长范围，能与InGaAs LD泵浦源有效耦合，且吸收线宽(FWHM)宽，无需严格的温度控制即可获得相位匹配的LD泵浦源的泵浦波长；
　　(3)量子缺陷低，泵浦波长与激光输出波长非常接近，这将导致大的本征激光斜率效率，理论上量子效率高达90%左右；
　　(4)由于泵浦能级*近激光上能级，无辐射弛豫引起的材料中的热负荷低，仅为掺Nd3+同种激光材料的三分之一；
　　(5)不存在激发态吸收和上转换，光转换效率高；
　　(6)荧光寿命长，为掺Nd3+同种激光材料的三倍多，长的荧光寿命有利于储能；
　　(7)在Yb3+掺杂浓度较高的情况下(Yb∶YAG晶体中Y3+的原子分数可高达10%以上)，多数晶体不出现浓度猝灭现象。

　　从上述的特点可以看出：LD泵浦的Yb3+激光器在某些应用上将明显优于Nd3+激光器。在掺Yb3+激光材料中，由于可实现Yb3+离子的高浓度掺杂，因此增益介质可做成微片，这是一些传统的稀土离子所做不到的。这对实现LD泵浦的固体激光器的集成化、小型化和结构紧凑将具有十分重要的意义。

掺Yb3+激光晶体的光谱特性

　　激活离子在晶体基质中的光谱特性能预测晶体的激光性能，光谱参数是指导激光器件设计的基本参数之一。激光晶体的光谱特性通常用下列参数衡量：吸收截面、吸收线宽、发射截面、发射线宽、荧光寿命和荧光量子效率等。在掺Yb3+激光晶体的光谱特性研究中，由于Yb3+离子简单的能级结构特征，人们通常采用倒易法(Reciprocity Method)计算Yb3+离子的受激发射截面(σem)，用F-L公式(Fuchtbauer-Ladenburg)计算辐射寿命(τem)，并与实测的荧光寿命进行比较以确定其准确性。