陸靜瑤， 孫立杰， 鐘德高,b,c,d， 劉均海,c,d， 滕 冰,b,c,d

（青島大學(xué) a. 物理科學(xué)學(xué)院；b. 威海創(chuàng)新研究院；c. 國(guó)家實(shí)驗(yàn)應(yīng)用物理教育示范中心；d. 山東省大學(xué)光電材料物理與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071）

隨著二極管泵浦固體激光器的發(fā)展，穩(wěn)定、高效的微片激光器領(lǐng)域的研究熱度不斷升高[1]。微片激光器有很多顯著的優(yōu)點(diǎn)，例如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、光學(xué)系統(tǒng)集成化、可以實(shí)現(xiàn)高效率運(yùn)轉(zhuǎn)等。鐿離子 (Yb3+)因其特征吸收波長(zhǎng)可以和銦鎵砷二極管泵浦源的發(fā)射波長(zhǎng)有效耦合而受到廣泛的關(guān)注。Yb3+只有2 個(gè)電子態(tài)，基態(tài)2F7/2和激發(fā)態(tài)2F5/2。在晶格場(chǎng)的作用下，其能級(jí)容易產(chǎn)生明顯的分裂，形成激光產(chǎn)出所需的準(zhǔn)三能級(jí)系統(tǒng)。這種簡(jiǎn)單的電子結(jié)構(gòu)不易產(chǎn)生激發(fā)態(tài)吸收和上轉(zhuǎn)換效應(yīng)，因此量子損失可以忽略不計(jì)，具有較高的光-光轉(zhuǎn)換效率。與摻釹離子(Nd3+)激光材料相比，鐿離子激光介質(zhì)通常具有更長(zhǎng)的熒光壽命，更適合于儲(chǔ)能，此外，摻鐿晶體表現(xiàn)出相對(duì)較寬的吸收和發(fā)射線寬，有利于超短脈沖激光器和可調(diào)諧激光器[2]。1971年，Reinberg 等[3]首次用摻Y(jié)b3+的釔鋁石榴石(Yb:YAG)晶體產(chǎn)生激光，此激光最大功率為0.7 W。此后，各種Yb3+摻雜的稀土氧化物基質(zhì)晶體，如硼酸鹽[4-5]、釩酸鹽[6]、鎢酸鹽[7]和硅酸鹽[8]等，也實(shí)現(xiàn)了連續(xù) (continuous wave，CW)激光作用。激光介質(zhì)作為工作物質(zhì)，是激光器件的關(guān)鍵部分，探索具有理想光譜特性的新型激光介質(zhì)也具有重要意義。稀土正磷酸鹽晶體RePO4(其中Re 為鑭系元素)具有很強(qiáng)的抗輻射性、極高的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，可以在不破壞晶相結(jié)構(gòu)的情況下，容納各種作為高濃度摻雜劑的鑭系離子[9-11]。因此，稀土正磷酸鹽可被視為一種潛力巨大的新型激光基質(zhì)晶體。近年來(lái)，摻雜 Yb3+和 Nd3+的 RePO4晶體作為 1.0 μm 左右的固態(tài)激光器的增益介質(zhì)，顯示出重要的潛在應(yīng)用前景。例如，單斜結(jié)構(gòu)的Nd:GdPO4晶體[12]、四方相結(jié)構(gòu)的 Nd:YPO4晶體[13]和Nd:LuPO4晶體[14]相繼實(shí)現(xiàn)了高效CW 激光作用。本課題組一直致力于小尺寸、高質(zhì)量的Yb:YPO4和Yb:LuPO4激光晶體的研究[15-17]。Yb:LuPO4的片狀晶體實(shí)現(xiàn)了CW 激光作用；還開(kāi)發(fā)了 Yb:LuPO4的微型柱狀晶體，從而可以將連續(xù)激光輸出功率增加到 5～10 W[18]，在主動(dòng)和被動(dòng)調(diào)Q 模式下都實(shí)現(xiàn)了約1 000～1 010 nm 的高效激光操作[19-21]。厚度為1 mm 的Yb:YPO4晶體也實(shí)現(xiàn)了1 030 nm 左右的CW 激光操作。文獻(xiàn)報(bào)道的這些結(jié)果證實(shí)正磷酸鹽稀土是一種很有前途的新型 ～ 1.0 μm 激光基質(zhì)晶體。

然而，由于正磷酸鹽具有非一致熔融特性，其晶體生長(zhǎng)困難，目前Yb:YAG 的正磷酸鹽晶體只能通過(guò)高溫溶液法生長(zhǎng)[22]。本課題組選擇Pb2P2O7作為助熔劑，正磷酸鹽晶體通常在Pb2P2O7的頂面上成核，在正磷酸鹽晶體較大的情況下，通常其平行于 Pb2P2O7的表面生長(zhǎng)得更快，所以其垂直于Pb2P2O7表面方向的尺寸(厚度)較小[21-22]。通過(guò)以Pb2P2O7為助熔劑的高溫溶液法，可以收獲厚度小于1mm 的微型板狀Yb:YPO4晶體。

采用高溫溶液法從Pb2P2O7助熔劑中成功生長(zhǎng)出厚度為0.6 mm 的Yb:YPO4晶體，測(cè)量并確定晶體結(jié)構(gòu)屬于四方晶系和I41/amd空間群。使用MStudio 軟件計(jì)算了Yb:YPO4晶體的理論熱力學(xué)控制形貌，實(shí)現(xiàn)了小于1 mm 的微型板狀Yb:YPO4晶體在1 010 nm 處不同輸出耦合條件下的連續(xù)波激光操作。結(jié)果表明，Yb:YPO4晶體是一種很有前景的激光材料。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 晶體生長(zhǎng)

Yb:YPO4晶體是通過(guò)高溫溶液法從Pb2P2O7助熔劑中生長(zhǎng)出來(lái)的。在晶體生長(zhǎng)的制備階段，采用化學(xué)共沉淀法制備磷酸氫鉛(PbHPO4)。將Pb(NO3)2溶液和 H3PO4溶液混合產(chǎn)生沉淀，再將沉淀水洗、抽濾和烘干，得到PbHPO4。將PbHPO4和高純度(99.99%) Y2O3、Yb2O3作為晶體生長(zhǎng)的起始材料，將此3 種材料分別取一定量并充分混合，其中Yb2O3與Y2O3的物質(zhì)的量比為1∶19。將上述混合后的起始材料轉(zhuǎn)移到鉑坩堝中,再將鉑坩堝放入馬弗爐中，緩慢加熱至1 280 ℃，保溫24 h，此時(shí)PbHPO4在高溫條件下分解為晶體生長(zhǎng)所需的Pb2P2O7助熔劑，同時(shí)Y2O3、Yb2O3的起始原料也在緩慢溶解。待原料完全溶解，將坩堝以1～2 ℃/h的速度緩慢冷卻至900℃，再將坩堝從900 ℃的馬弗爐中取出，倒出熔融物，在空氣中冷卻至室溫。將冷卻后的產(chǎn)物在稀硝酸中浸泡約10 d，晶體與助熔劑分離，過(guò)濾洗滌得到透明的淡黃色Yb:YPO4晶體。

1.2 激光實(shí)驗(yàn)

圖1 為Yb:YPO4微片激光器的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。采用平凹諧振器裝置研究了Yb:YPO4晶體的激光性能。M1 是平面鏡，在1 020～1 200 nm 具有高反射率(HR＞99.8%)，在975 nm 具有高透射率(HT＞98%)。作為輸出耦合器的M2 是凹面鏡，曲率半徑為25 mm，其透射率分別為T(mén)= 1%、5%和10%，諧振腔長(zhǎng)度為2 mm。采用片狀Yb:YPO4晶體進(jìn)行激光實(shí)驗(yàn)。圖1 中1 表示Yb:YPO4晶體。將沒(méi)有進(jìn)行任何表面拋光以及鍍膜處理的晶體清洗并固定在銅散熱器上。泵浦源是具有高亮度、高功率特點(diǎn)的光纖耦合二極管激光器，其發(fā)射波長(zhǎng)為975 nm(帶寬＜2 nm)，光纖直徑為100 μm，數(shù)值孔徑(NA)為0.22。泵浦輻射通過(guò)聚焦光學(xué)器件聚焦，然后通過(guò)平面鏡M1 照射到Y(jié)b:YPO4激光晶體上，此時(shí)泵浦光斑半徑約為70 μm。利用1 個(gè)經(jīng)標(biāo)定的分束鏡，可同時(shí)測(cè)量激光的輸出功率、激發(fā)發(fā)射光譜等數(shù)據(jù)。

圖1 激光器實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the experimental laser setup

2 結(jié)果與討論

2.1 晶體結(jié)構(gòu)

用高溫溶液法生長(zhǎng)的 Yb:YPO4晶體如圖2 所示。Yb:YPO4晶體的尺寸約為 4 mm×2 mm×0.6 mm。YPO4和 YbPO4的標(biāo)準(zhǔn)衍射卡片和生長(zhǎng)的Yb:YPO4晶體的 X 射線粉末衍射(X-ray powder diffraction, XRD)見(jiàn)圖3，所有衍射峰位置一一對(duì)應(yīng)，沒(méi)有出現(xiàn)額外的峰，說(shuō)明Yb:YPO4晶體具有與 YPO4晶體和 YbPO4晶體相同的結(jié)構(gòu)(四方晶系，空間群I41/amd)[15]。Yb:YPO4晶體的衍射峰位于YPO4和YbPO4晶體之間，說(shuō)明部分Y3+離子被Yb3+離子取代，衍射角(2θ)的差異與變化是因?yàn)?Y3+的離子半徑大于Yb3+的離子半徑[15]。圖4(a)為鋯石型I41/amdYb:YPO4的晶體結(jié)構(gòu)示意圖。1 個(gè)P 原子與周圍的4 個(gè)O 原子相連形成1 個(gè)[PO4]四面體，而Y3+有8 個(gè)配位的O 形成1個(gè)[YO8]多面體。Y-O8和 P-O4形成的多面體通過(guò)共用1 個(gè)O 或1 個(gè)邊緣相互連接，形成 Y—O—P化學(xué)鍵鏈。使用 MStudio 軟件計(jì)算了理論熱力學(xué)控制的形態(tài)，結(jié)果如圖4(b)所示。從圖4(b)可以看出，熱力學(xué)穩(wěn)定的YPO4晶體形貌被[100]和[101]面包圍，呈現(xiàn)出由1 個(gè)四棱柱和2 個(gè)四棱錐組成的結(jié)構(gòu)。在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，Yb:YPO4晶體的各晶面可以根據(jù)生長(zhǎng)習(xí)性自由發(fā)育生長(zhǎng)。然而，Yb:YPO4的晶體生長(zhǎng)仍然是一個(gè)多參數(shù)受控過(guò)程，取決于內(nèi)部化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)和外部生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)之間的相互作用。為了獲得具有微型板狀形貌的晶體，需要擴(kuò)大晶體[100]晶面的面積。使用 Pb2P2O7作為助熔劑，正磷酸鹽晶體通常在Pb2P2O7的頂面上成核并生長(zhǎng)為細(xì)長(zhǎng)的[100]板，晶體的長(zhǎng)尺寸沿著四方c 軸。較大的晶體通常平行于 Pb2P2O7表面生長(zhǎng)得更快，并且具有較小的垂直尺寸(厚度)[21-22]。通過(guò)以Pb2P2O7為助熔劑的高溫溶液法，可以收獲厚度小于1 mm 的微型板狀Yb:YPO4晶體。

圖2 高溫溶液法生長(zhǎng)的Yb:YPO4 晶體Fig. 2 Yb:YPO4 crystal grown by high temperature solution method

圖3 Yb:YPO4 晶體的X 射線粉末衍射Fig. 3 X-ray powder diffraction pattern of Yb:YPO4 crystal

圖4 (a) Yb:YPO4 晶體的晶體結(jié)構(gòu)和[PO4]和[YO8]多面體的配位；(b) YPO4 晶體的理論形態(tài)和實(shí)際生長(zhǎng)形態(tài)Fig. 4 (a) Crystal structure of Yb:YPO4 crystal and the coordination of the [PO4] and [YO8] polyhedra, (b) theoretical morphology of YPO4 crystal and actual growth morphology

2.2 激光實(shí)驗(yàn)

由于Yb3+離子準(zhǔn)三能級(jí)的特性，激光晶體在振蕩波長(zhǎng)處具有重吸收損耗。隨著輸入泵浦功率的增加，激光晶體對(duì)泵浦光的吸收逐漸飽和，即吸收的泵浦功率(Pabs)與輸入泵浦功率(Pin)的比值ηa=Pabs/Pin會(huì)隨著Pin的增加而減小, 半導(dǎo)體激光器的泵浦光束一般都具有很大的發(fā)散度，在激光振蕩條件下，直接測(cè)量晶體的泵浦光吸收效率在實(shí)驗(yàn)上是難以實(shí)現(xiàn)的[23]。 因此，通常在沒(méi)有激光振蕩的情況下測(cè)量晶體的小信號(hào)吸收或不飽和吸收，然后根據(jù)小信號(hào)吸收估計(jì)不同入射泵浦功率下晶體吸收的泵浦功率[23]。首先在無(wú)激光條件下測(cè)量了該晶體的小信號(hào)吸收，小信號(hào)吸收的測(cè)量值為ηa,exp=0.16。

采用如圖1 所示的平凹諧振腔，利用自然生長(zhǎng)的 Yb:YPO4微片晶體(厚度為 0.6 mm)實(shí)現(xiàn)了CW 激光操作。圖5(a)所示為作為吸收泵浦功率(Pabs) 函數(shù)的輸出功率，這是在輸出耦合T=1.0%、5.0%和10%的情況下測(cè)量的。如圖5(a)所示，在T=1%的最低輸出耦合下，激光閾值為0.41 W，激光輸出功率隨Pabs線性增加，達(dá)到最大值0.14 W。斜率效率和光-光轉(zhuǎn)換效率分別為12.9%和12.8%。當(dāng)輸出耦合從T=1%增加到T=5%時(shí)，最大激光輸出功率增加到0.36 W，相應(yīng)的斜率效率和光-光轉(zhuǎn)換效率也分別增加到21.8%和21.5%。在此基礎(chǔ)上，測(cè)量了Yb:YPO4片狀晶體在較高輸出耦合下的連續(xù)激光性能。當(dāng)輸出耦合從T=5%增加到T=10%時(shí)，激光輸出閾值從0.50 W 增加到0.60 W，而斜率效率下降到19.8%，光-光轉(zhuǎn)換效率下降到19.6%。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)輸出耦合透射率為T(mén)=5%時(shí)，Yb:YPO4晶體可以獲得最佳的激光輸出。Yb:YPO4微片晶體在不同輸出耦合T=1%、5%和10%下測(cè)量的CW 激光性能總結(jié)在表1 中?？梢钥闯?，隨著輸出耦合的增加，最大輸出功率、斜率效率和光-光轉(zhuǎn)換效率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，而激光閾值則趨于緩慢增大。除了激光輸出效率，激光發(fā)射光譜是激光晶體的另一個(gè)重要特性，它給出了一定條件下的激光振蕩波長(zhǎng)。圖5(b)顯示了在泵浦功率Pabs=1.1 W 下測(cè)量的激光發(fā)射光譜，對(duì)于T=1%、5% 和10%這3 種不同的輸出耦合透射率，發(fā)現(xiàn)激光輸出波長(zhǎng)隨著激光輸出耦合透射率的增加而顯著轉(zhuǎn)移到更短的波長(zhǎng)。因?yàn)殡S著輸出耦合透過(guò)率的增大，諧振腔中總的損耗就越大，就需要更多的增益來(lái)克服損耗，所以會(huì)造成激光的發(fā)射波長(zhǎng)向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)，因?yàn)橹挥性诮咏l(fā)射峰的短波長(zhǎng)區(qū)域時(shí)，激光工作介質(zhì)才可以提供較高的增益[23]。當(dāng)輸出耦合透射率從T=1% 增加到T=10%，激光發(fā)射波長(zhǎng)振蕩從1 008～1 010 nm 轉(zhuǎn)變?yōu)? 009～1 014 nm。在T=5%的最優(yōu)輸出耦合透射率下，激光發(fā)射波長(zhǎng)位于1 010.0 nm 和1 011.8 nm。

圖5 (a) 輸出功率與吸收的泵浦功率； (b) Yb:YPO4 微片激光器的連續(xù)波激光發(fā)射光譜Fig. 5 (a) The output power and the absorbed pump power, (b) continuous wave laser emission spectrum of Yb:YPO4 microchip laser

表1 具有不同輸出耦合透射率的Yb:YPO4 晶體的CW 激光性能的參數(shù)Tab. 1 Parameters characterizing the CW laser performance of Yb:YPO4 crystal with different output coupling transmittances

3 結(jié) 語(yǔ)

采用高溫溶液法以Pb2P2O7為助熔劑生長(zhǎng)板狀Yb:YPO4晶體,測(cè)量并確定其晶體結(jié)構(gòu)屬于四方晶系和I41/amd空間群。使用MStudio 軟件計(jì)算了Yb:YPO4晶體的理論熱力學(xué)控制形貌。在一個(gè)緊湊平凹諧振器中，Yb:YPO4晶體用作增益介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了在1 010 nm 左右的連續(xù)激光輸出。當(dāng)輸出耦合透射率為5%時(shí)，產(chǎn)生的最大連續(xù)波輸出功率為0.36 W，泵浦功率為 2.19 W，光-光轉(zhuǎn)換效率和斜率效率分別為21.5%和21.8%。