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        釓鐿共摻雜鋁酸釔晶體的生長及性能研究

        2021-12-15 07:53:54譚慧瑜張沛雄陳振強
        人工晶體學報 2021年11期
        關鍵詞:泵浦偏振激光器

        譚慧瑜,汪 瑞,張沛雄,尹 浩,李 真,陳振強

        (暨南大學理工學院,光電工程系,廣州 510632)

        0 引 言

        近年來,超強超短激光在材料科學、激光聚變、激光質(zhì)子刀治療癌癥等相關領域有大量應用[1],摻雜Yb3+的激光晶體在超快激光領域的應用背景是十分廣泛的,并且,隨著在0.9~1.1 μm波段具有高效性能的InGaAs激光二極管的快速發(fā)展,1 μm波段的摻Yb3+的固體激光器已經(jīng)成為超快激光領域的研究熱點之一[2-4]。得益于Yb3+能級簡單,僅有2F7/2基態(tài)和2F5/2激發(fā)態(tài)兩個電子態(tài),具有量子缺陷低、吸收帶寬、弱濃度猝滅、量子效率高、熱損耗低,且沒有交叉弛豫和激發(fā)態(tài)吸收等眾多的優(yōu)點[5-8]。并且,三價Yb3+的能級結構十分獨特,摻雜Yb3+的激光介質(zhì)在0.9~1.0 μm之間存在強且寬的吸收,對器件溫控的要求越低,從而能夠有效提高泵浦效率,在1.0~1.1 μm之間呈現(xiàn)寬帶發(fā)射,利于超短脈沖的輸出[9]。

        眾所周知,YAP(YAlO3)晶體有著優(yōu)異的力學性能和熱性能[10],被證明是一種良好的激光基質(zhì)材料[11-12],基于此,在Yb∶YAP晶體中通過摻入Gd3+,代替部分Y3+,形成混合型的Gd3+/Yb3+∶YAP晶體,增加基質(zhì)晶體的成分無序化,進一步拓寬摻雜離子Yb3+的吸收及熒光光譜[13-14]。

        本文報道了采用提拉法成功地生長出新型混合Gd3+/Yb3+共摻鋁酸釔晶體,對晶體的結構、光譜以及激光性能進行研究。

        1 實 驗

        1.1 晶體生長

        圖1 Gd/Yb∶YAP單晶Fig.1 Gd/Yb∶YAP single crystal

        采用傳統(tǒng)的提拉法成功生長了Gd/Yb∶YAP激光晶體。采用經(jīng)典固相反應制備了由5.0%(原子數(shù)分數(shù))Yb∶Gd0.1Y0.9AlO3組成的Gd/Yb∶YAP多晶材料。使用純度均為99.999%的Gd2O3、Al2O3、Y2O3、Yb2O3等原料,將所有配料放置混料機中充分混合均勻,然后將混合物壓制成圓塊,在馬弗爐中燒結至1 200 ℃,燒結15 h后降至室溫,將多晶料取出后放到銥坩堝中[15],在氮氣環(huán)境中進行晶體生長。轉(zhuǎn)速控制在12~20 r/min之間,提拉速度控制在1~1.2 mm/h[16]。經(jīng)引晶、縮頸、放肩等徑、收尾等階段后,以15~45 ℃/h的速度將生長好的晶體分階段式降至室溫。冷卻至室溫后,為消除晶體的色心缺陷,將生長好的晶體放入馬弗爐中進行退火處理,退火溫度為1 200 ℃,經(jīng)39 h后,以30 ℃/h的速度降至室溫,生長得到的晶體如圖1所示。

        1.2 性能表征

        使用Rigaku Miniflex 600型X射線粉末衍射儀對晶體的結構進行表征[17],晶體的晶胞參數(shù)通過JADE 6.5 軟件計算;采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀對晶體的雜質(zhì)含量進行測試;使用Perkin-ElmerUV-Vis-NIR光譜儀測試晶體在900~1 050 nm波段的偏振吸收光譜;980~1 140 nm波段的偏振熒光光譜使用FLSP920熒光光譜儀進行測試,此外還測量了 Yb3+的2F5/2能級壽命。所有測試均在室溫下進行。

        1.3 激光實驗

        利用平平直腔對b切向的Gd/Yb∶YAP晶體進行激光實驗,實驗裝置如圖2所示,以中心波長為960 nm的半導體激光器作為泵浦源,光纖芯徑為100 μm,數(shù)值孔徑(NA)為0.22,采用光纖耦合輸出。泵浦光束通過1∶1的成像透鏡系統(tǒng)重新注入晶體,將經(jīng)銦箔包裹好的Gd/Yb∶YAP晶體安裝在銅片上,晶體的尺寸為4 mm×4 mm×3 mm,控制冷水系統(tǒng)恒溫在20 ℃,激光腔由全反鏡M1和輸出耦合鏡M2組成,其中,全反鏡M1上鍍有960 nm高透膜(T>99.5%)和1 020~1 100 nm高反膜(R>99.8%),輸出耦合鏡M2在1 020~1 100 nm波段的透過率分別為4%和7%。

        圖2 二極管泵浦連續(xù)波Gd/Yb∶YAP激光器原理圖Fig.2 Schematic diagram of diode-pumped continuous wave Gd/Yb∶YAP laser

        2 結果與討論

        2.1 XRD與稀土離子摻雜濃度分析

        為了確定晶體的結構,對退火后晶體進行研磨,將研磨所得的粉末進行XRD測試,結果如圖3所示。與標準卡片對比發(fā)現(xiàn),二者圖譜基本吻合,不存在雜相,物相純度高,Yb摻雜并未對基質(zhì)的結構造成影響。經(jīng)過計算,得到晶胞參數(shù)為a=0.534 15 nm,b=0.743 31 nm,c=0.521 35 nm。由ICP-AES法測得晶體中Yb3+的濃度為5.65% (1.32×1021ions/cm3)。并由式(1)計算了晶體中Yb3+的有效分凝系數(shù):

        Ke=CA/C0

        (1)

        式中:Ke為摻雜離子的分凝系數(shù);CA表示Yb3+在晶體中的摻雜濃度;C0表示Yb3+在熔體中的初始濃度。通過計算得到Gd/Yb∶YAP晶體中Yb3+的有效分凝系數(shù)為1.13,與Yb∶YAP晶體(分凝系數(shù)為0.97)相比較[18],表明Yb3+在Gd3+∶YAP晶體中易于摻雜。

        2.2 偏振吸收光譜

        對晶體結構很敏感的偏振吸收光譜作了測量,測量方法為在光路中樣品的前方放置一尼科耳棱鏡。900~1 050 nm波段范圍內(nèi),Gd/Yb∶YAP晶體沿a、b、c三個偏振方向的吸收光譜如圖4所示??梢郧宄乜吹?,不同的偏振方向在1 μm波段附近存在著不同的峰值中心,如果考慮非偏振泵浦光束的話,總共可獲得10~15 nm的吸收帶寬,晶體對泵浦源熱穩(wěn)定性的要求沒有那么高,因此可以有效地減少對溫場的依賴以及維持穩(wěn)定的激光輸出。此外,通過公式σ=α/N算出對應的吸收截面,其中α是吸收系數(shù),N是Yb3+在Gd/Yb∶YAP晶體中的濃度。由圖4可以看出晶體沿a、b、c三個偏振方向的吸收光譜有兩個較高的吸收峰,經(jīng)過計算,b偏振方向位于980 nm處的吸收截面為2.14×10-20cm2,而c偏振時位于962 nm處的吸收截面為1.32×10-20cm2,與表1中的其他摻Yb的激光晶體相比(如Yb∶YAP、Yb∶YAG、Yb∶GGG、Yb∶CALGO晶體),Gd/Yb∶YAP晶體擁有較大吸收截面。

        圖3 Gd/Yb∶YAP的XRD圖譜和YAP標準圖譜Fig.3 XRD pattern of Gd/Yb∶YAP and YAP standard pattern

        圖4 Gd/Yb∶YAP晶體沿a、b、c三個偏振方向的吸收光譜Fig.4 Absorption spectra of Gd/Yb∶YAP crystals along the three polarization directions of a, b and c

        表1 不同摻Yb激光晶體吸收參數(shù)的比較Table 1 Comparison of absorption parameters of different Yb-doped laser crystals

        2.3 偏振熒光光譜

        圖5為Gd/Yb∶YAP晶體在980~1 140 nm波段沿a、b、c三個偏振方向的熒光光譜。在a、b偏振方向,最強發(fā)射峰出現(xiàn)在1 044 nm處,而在c偏振方向時,最強發(fā)射峰出現(xiàn)在1 008 nm處,值得注意的是,c方向的特征峰比a、b偏振方向的更明顯、更強。在1 044 nm處a、b偏振方向的半峰全寬(FWHM)分別為68.5 nm和64 nm,而在1 008 nm處c偏振方向的半峰全寬為66 nm,與表2中的其他摻Yb的激光晶體,如Yb∶YAP(9 nm)、Yb∶YAG(10 nm)、Yb∶GGG(8 nm)相比,Gd/Yb∶YAP晶體擁有較大的發(fā)射半峰全寬,在超短脈沖和寬帶可調(diào)型的激光器中更具有應用前景。然后,基于Fuchtbauere-Ladenburg理論[22]計算了受激發(fā)射截面:

        (2)

        式中:σem為發(fā)射截面;n為晶體折射率;I(λ)為發(fā)射光譜的強度;τr為輻射壽命;β為熒光分支比。經(jīng)過計算,在1 008 nm處c偏振方向的發(fā)射截面為0.32×10-20cm2,而在1 044 nm處a偏振方向的發(fā)射截面為0.35×10-20cm2,b偏振方向的發(fā)射截面為0.39×10-20cm2。其他摻Yb3+的激光晶體發(fā)射光譜參數(shù)如表2所示。

        室溫下,OPO脈沖激光器激發(fā)Gd/Yb∶YAP晶體的熒光衰減曲線為單指數(shù)形式,如圖6所示,通過單指數(shù)擬合得到Yb3+∶2F5/2能級壽命(τm)為1.638 ms。

        圖5 Gd/Yb∶YAP晶體沿a、b、c三個偏振方向的熒光光譜Fig.5 Fluorescence spectra of Gd/Yb∶YAP crystal along the three polarization directions of a, b and c

        圖6 Gd/Yb∶YAP晶體2F5/2→2F7/2躍遷的熒光衰減曲線Fig.6 Fluorescence decay curve of Gd/Yb∶YAP crystal 2F5/2→2F7/2 transition

        表2 不同摻Yb激光晶體發(fā)射光譜參數(shù)的比較Table 2 Comparison of emission spectrum parameters of different Yb-doped laser crystals

        圖7 Gd/Yb∶YAP激光器的輸出功率與吸收泵浦功率的關系Fig.7 Relationship between the output power of Gd/Yb∶YAP laser and the power of absorption pump

        圖8 泵浦功率為5.82 W時,Gd/Yb∶YAP激光器的光譜圖Fig.8 Spectral view of a Gd/Yb∶YAP laser at pump power of 5.82 W

        2.4 Gd/Yb∶GYAP晶體的激光性能

        圖7為輸出耦合鏡透過率分別為T=4%和T=7%時輸出功率與泵浦功率的變化關系曲線。當泵浦功率為5.82 W時,最大輸出功率為0.51 W。對所得的數(shù)據(jù)進行擬合后發(fā)現(xiàn):T=4%時,激光閾值為3.75 W,最大輸出功率為510 mW,斜率效率為23.5%;T=7%時,激光閾值為4.8 W,最大輸出功率為239 mW,斜率效率為20%。由于泵浦有限,沒有記錄到更高的輸出功率。同時,使用光譜儀測試在5.82 W泵浦功率下Gd/Yb∶YAP晶體的激光光譜,如圖8所示,發(fā)現(xiàn)1 μm波段處有多波長的激光輸出,分別位于1 050.03 nm、1 051.38 nm、1 053.00 nm、1 054.62 nm、1 055.97 nm 5個波長處。

        3 結 論

        本文使用單晶提拉法成功制備出優(yōu)質(zhì)的Gd3+/Yb3+共摻鋁酸釔晶體。對晶體的結構及偏振光譜進行系統(tǒng)的研究,得到在980 nm處b偏振方向的吸收截面為2.14×10-20cm2,可用于InGaAs 激光二極管泵浦。在1 044 nm處a、b偏振方向的半峰全寬分別為68.5 nm和64 nm,而在1 008 nm處c偏振方向的半峰全寬為66 nm,并且在1 044 nm處b切向的發(fā)射截面為0.39×10-20cm2。同時,還對b切向的晶體進行了激光實驗,實現(xiàn)了1 μm波段處的連續(xù)激光輸出,當泵浦功率為5.82 W時,最大輸出功率高達0.51 W,斜率效率為23.5%。通過研究晶體的光譜性能和激光性能,表明Gd/Yb∶YAP晶體是一種優(yōu)良的激光晶體。

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