常志揚(yáng)

摘 要 近幾年，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)稀土離子激光新材料和半導(dǎo)體激光器的研究更加深入，同時(shí)，也更加注重研究緊湊全固化稀土離子激光器，這些都促進(jìn)了固體激光和上轉(zhuǎn)換激光器的發(fā)展和進(jìn)步。釩酸釔晶體的物理特性和機(jī)械性都相對(duì)較好，屬于比較熱門和新型的激光晶體，與之相比，摻釹釩酸釔晶體的優(yōu)越性更加突出，是一種非常優(yōu)質(zhì)的激光晶體，且應(yīng)用前景非常廣泛。本文就主要探討了摻釹釩酸釔晶體的光物理學(xué)特性和具體應(yīng)用，以供參考。

關(guān)鍵詞 摻釹釩酸釔晶體；光物理學(xué)特性；應(yīng)用

中圖分類號(hào) O4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2095-6363（2017）17-0006-01

20世紀(jì)中葉，光物理領(lǐng)域的研究核心逐步轉(zhuǎn)移到激光方面，且不斷涌現(xiàn)新效應(yīng)和新現(xiàn)象，光物理成為近代物理學(xué)的重要學(xué)科之一，同時(shí)也逐漸成為許多重要學(xué)科的理論基礎(chǔ)，如高技術(shù)光電子產(chǎn)業(yè)等，而其中最為前沿的就是對(duì)上轉(zhuǎn)換發(fā)光的研究。

1 頻率上轉(zhuǎn)換技術(shù)的概述和發(fā)展

所謂頻率上轉(zhuǎn)換，就是指與泵浦光的光子頻率相比，發(fā)射光的光子頻率更大的現(xiàn)象，主要是利用上轉(zhuǎn)換材料將光子由低能量轉(zhuǎn)變?yōu)楦吣芰?，并輻射出材料的過(guò)程。早在20世紀(jì)40年代，人們就發(fā)現(xiàn)了頻率上轉(zhuǎn)換，50年代開(kāi)始研究稀土離子上轉(zhuǎn)換，待到60年代，研究者通過(guò)進(jìn)一步研究頻率上轉(zhuǎn)換，來(lái)不斷提高紅外探測(cè)器的靈敏度，以滿足軍事上的夜用等需要。70年代第一次出現(xiàn)了上轉(zhuǎn)換激光，但是其不但需要低溫條件，總體效率也相對(duì)較低，所以重視程度并不高。80年代，物理學(xué)家通過(guò)運(yùn)用稀土離子上轉(zhuǎn)換效應(yīng)，將藍(lán)、綠、紅的全部可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍加以覆蓋，輸出的上轉(zhuǎn)換激光不但輸出效率非常高，而且室溫運(yùn)轉(zhuǎn)具備連續(xù)性。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，激光材料和激光技術(shù)飛速發(fā)展，這也帶動(dòng)了信息處理、水下通訊、表面處理、視頻顯示以及數(shù)據(jù)儲(chǔ)存等各種技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，對(duì)可見(jiàn)光波長(zhǎng)激光光源的需求也更加追求高性能、低成本和高效率，由于頻率上轉(zhuǎn)換技術(shù)的優(yōu)勢(shì)就在于穩(wěn)定、緊湊、低價(jià)、高效以及全固態(tài)激光器，所以一躍成為激光技術(shù)發(fā)展的研究重點(diǎn)。

頻率上轉(zhuǎn)換材料直接決定了頻率上轉(zhuǎn)換的效率和實(shí)現(xiàn)，而目前最常用的頻率上轉(zhuǎn)換材料就是發(fā)光中心為稀土離子的摻雜化合物。

2 摻釹釩酸釔晶體的概述及優(yōu)勢(shì)

1962年，物理學(xué)家范第一次運(yùn)用降溫法在偏釩酸鈉熔體中提取出摻釹釩酸釔晶體，1964年，鉑爾曼等人正式取得該方法的專利，但這種方法的缺點(diǎn)在于生長(zhǎng)的晶體都非常小。1966年，范和魯賓第一次運(yùn)用CZ技術(shù)生長(zhǎng)出相對(duì)較大的摻釹釩酸釔晶體，1年后戴斯等人也陸續(xù)發(fā)表了運(yùn)用CZ技術(shù)生長(zhǎng)摻釹釩酸釔晶體的期刊和論文。之后，陸續(xù)有人先后通過(guò)火焰熔融法、浮區(qū)生長(zhǎng)法以及布里曼生長(zhǎng)法成功生長(zhǎng)出了摻釹釩酸釔晶體。但是20世紀(jì)末，由于嚴(yán)重的燈泵浦下晶體效應(yīng)和較大的晶體生長(zhǎng)難度，嚴(yán)重影響了摻釹釩酸釔晶體的發(fā)展，直到90年代，我國(guó)物理研究所利用高頻感應(yīng)加熱，根據(jù)熔體提拉法對(duì)單晶生長(zhǎng)進(jìn)行了研究。

隨著全球光通訊產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和LD泵浦源的出現(xiàn)，對(duì)于釩酸釔的應(yīng)用不但技術(shù)條件更加先進(jìn)，而且市場(chǎng)前景更加廣闊，摻釹釩酸釔晶體的生長(zhǎng)方法也更加多樣。進(jìn)入21世紀(jì)以后，釩酸釔晶體是釩酸鹽晶體中價(jià)值最高，研究最多的晶體，其形狀為四方形，結(jié)構(gòu)類似于皓英石，呈現(xiàn)D4h的晶體空間群，是一種優(yōu)良性能的雙折射單軸晶體，具有非常突出的透光性能，高度光學(xué)透明性的光譜范圍可以達(dá)到40nm至5 000nm，可以用來(lái)作為偏振器、熒光劑和激光基質(zhì)材料。

1988年，美國(guó)首次將釩酸釔晶體在光纖通訊領(lǐng)域應(yīng)用，且在0.5nm～3nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)代替方解石和金紅石作為偏振器，釩酸釔晶體的化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械性以及激光損傷閾值都相對(duì)較高，且激光發(fā)射截面大、泵浦閾值低，屬于熱門的新型激光晶體材料。

摻雜稀土離子的釩酸釔晶體的應(yīng)用性質(zhì)也非常優(yōu)良，濃度不同的稀土離子摻入的釩酸釔晶體，不但閾值較低，而且非常高效。目前而言，基質(zhì)為摻釹釩酸釔晶體的激光晶體中，摻釹釩酸釔晶體是研究最多的晶體，這種晶體不但具備較大的激光發(fā)射截面，而且泵浦閾值較低，能夠連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)1.06nm和1.34nm的激光。

3 摻釹釩酸釔晶體的研究和應(yīng)用

20世紀(jì)60年代，紅寶石激光器正式出現(xiàn)，這也在一定程度上推動(dòng)了固體激光器的發(fā)展，但是早期的固體激光器主要使用了閃光燈泵浦，所以熱效應(yīng)和效率都相對(duì)較低，很大程度上限制了固體激光器的應(yīng)用和研究。直到80年代末，隨著激光二極管性能的不斷完善，才推動(dòng)了二極管泵浦固體激光器的產(chǎn)生和發(fā)展，這種固體激光器的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為壽命較長(zhǎng)、穩(wěn)定性高以及效率較高，進(jìn)一步復(fù)興和推動(dòng)了固體激光器的發(fā)展。

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者都針對(duì)摻釹釩酸釔晶體進(jìn)行了研究，例如，P.K等人通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，摻釹釩酸釔晶體進(jìn)行被動(dòng)調(diào)Q綠光激光器時(shí)，綠光輸出的平均功率高于36瓦，調(diào)Q脈沖的脈寬是65納秒，重復(fù)頻率為400兆赫，最大峰值功率是2kW。

近幾年，在激光器件領(lǐng)域，已經(jīng)開(kāi)始流行在研制高效率的小型固體激光器件時(shí)將激光二極管作為泵浦源，適合激光二極管泵浦的激光晶體非常多，其中最適合用于激光二極管泵浦中小功率激光器的工作材料就是摻釹釩酸釔晶體，這種晶體不但吸收系數(shù)和發(fā)射截面較大，而且吸收帶相對(duì)較寬。同時(shí)，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，已經(jīng)可以盡量將激光晶體由于吸收抽運(yùn)而產(chǎn)生的晶體熱透鏡效應(yīng)消除，進(jìn)一步推動(dòng)了摻釹釩酸釔晶體應(yīng)用于越來(lái)越多的大功率全固態(tài)激光器?；诩す舛O管泵浦的摻釹釩酸釔晶體全固態(tài)激光器的應(yīng)用潛力非常廣闊，國(guó)內(nèi)外都加強(qiáng)了對(duì)該晶體的研究，不斷提高其輸出功率和整體效率。

隨著上轉(zhuǎn)換材料和半導(dǎo)體激光的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)于頻率上轉(zhuǎn)換的研究也更加深入，同時(shí)在激光器緊湊全固化的發(fā)展過(guò)程中，上轉(zhuǎn)換激光器是重要發(fā)展方向，也是潛力巨大的緊湊綠激光器和藍(lán)激光器的重要方案，同時(shí)在很大程度上避免了半導(dǎo)體激光器發(fā)展為短波長(zhǎng)方向，更是推動(dòng)了信息技術(shù)、光盤技術(shù)、彩色打印技術(shù)以及彩色顯示技術(shù)等新興技術(shù)的發(fā)展。大量研究表明，摻釹釩酸釔晶體不但振子強(qiáng)度非常高，而且具備多生子無(wú)輻射領(lǐng)域中專有的上轉(zhuǎn)換發(fā)光性能，同時(shí)摻釹釩酸釔晶體的斜率效率非常高，與摻釹釔鋁石榴石相比，摻釹釩酸釔晶體的所需閾值功率僅是其一半，而在1.06mm位置的受激截面積是其4倍左右，在1.44mm位置的激光截面是其18倍左右，由此可見(jiàn)，摻釹釩酸釔晶體作為激光晶體的話具備非常明顯的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，這也為其進(jìn)一步研究和應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

綜上所述，摻釹釩酸釔晶體屬于非常優(yōu)質(zhì)的激光晶體之一，其優(yōu)越性不可替代，無(wú)論在頻率上轉(zhuǎn)換激光方面，還是在二極管激光泵浦倍頻方面，應(yīng)用價(jià)值都非常突出，同時(shí)，隨著綠激光器和藍(lán)激光器的飛速發(fā)展，摻釹釩酸釔晶體已經(jīng)可以在激光通訊、彩色打印、光盤技術(shù)、激光印刷以及激光測(cè)距等諸多領(lǐng)域加以應(yīng)用，無(wú)論發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景都非常廣泛。

參考文獻(xiàn)

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