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  • Nd:YVO4 晶体

  • 掺钕钒酸钇(Nd:YVO4)晶体是一种性能优良的激光晶体,适于制造激光二极管泵浦特别是中低功率的激光器。与Nd:YAG相比Nd:YVO4对泵浦光有较高的吸收系数和更大的受激发射截面。激光二极管泵浦的Nd:YVO4晶体与LBO,BBO,KTP等高非线性系数的晶体配合使用,能够达到较好的倍频转换效率,可以制成输出近红外、绿色、蓝色到紫外线等类型的全固态激光器。
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  掺钕钒酸钇(Nd:YVO4)晶体是一种性能优良的激光晶体,适于制造激光二极管泵浦特别是中低功率的激光器。与Nd:YAG相比Nd:YVO4对泵浦光有较高的吸收系数和更大的受激发射截面。激光二极管泵浦的Nd:YVO4晶体与LBO,BBO,KTP等高非线性系数的晶体配合使用,能够达到较好的倍频转换效率,可以制成输出近红外、绿色、蓝色到紫外线等类型的全固态激光器。现在Nd:YVO4激光器已在机械、材料加工、波谱学、晶片检验、显示器、医学检测、激光印刷、数据存储等多个领域得到广泛的应用。而且Nd:YVO4二极管泵浦固态激光器正在迅速取代传统的水冷离子激光器和灯泵浦激光器的市场,尤其是在小型化和单纵模输出方面。

 

Nd:YVO4与Nd:YAG比较的优势:
     在808nm左右的泵浦带宽,约为Nd:YAG的5倍;
     在1064nm处的受激发射截面是Nd:YAG的3倍;
     光损伤阈低,高斜率效率;
     单轴晶体,输出为线偏振。

福晶能够提供的产品和服务:

     最大至φ35x50mm3 的各种尺寸YVO4晶体和φ20x20mm3的高质量Nd:YVO4晶体;
     每月10,000片从3x3x0.5mm3到4x4x10mm3尺寸的Nd:YVO4器件;
     可提供浓度范围:0.1-3%;
     浓度控制精度: ±0.1%(atm%≥1%);±0.05%(atm%<1%);
     及时送货
     有竞争力的价格

 

 

图1.  0.5% Nd:YVO4(厚度为 4mm)的吸收曲线

 

Nd:YVO4晶体的基本属性:

 

原子密度 1.26x1020 atoms/cm3 (Nd 1.0%)
晶体结构 四方, 空间群D4h-I4/amd
a=b=7.1193Å, c=6.2892Å
密度 4.22g/cm3
莫氏硬度 4-5(近似玻璃)
热膨胀系数(300K) αa=4.43x10-6/K
αc=11.37x10-6/K
热传导系数(300K) ∥C:0.0523W/cm/K
⊥C:0.0510W/cm/K

Nd:YVO4晶体的特性:

 

发射波长 1064nm,1342nm
热光系数(300K) dno/dT=8.5×10-6/K
dne/dT=2.9×10-6/K
受激辐射截面 25×10-19cm2 @ 1064nm
荧光寿命 90μs(1%)
吸收系数 31.4cm-1 @810nm
内在损失 0.02cm-1 @1064nm
增益带宽 0.96nm@1064nm
极化激光辐射 π偏振;平行于光轴(C轴)
二极管泵浦光-光效率 >60%
Sellmeier方程(λ in μm) no2=3.77834+0.069736/(λ2-0.04724)-0.010813λ2
ne2=4.59905+0.110534/(λ2-0.04813)-0.012676λ2


Nd:YVO4激光特性:
  1. 与Nd:YAG相比,Nd:YVO4最大的优势在于更宽的吸收带宽范围内,具有比Nd:YAG高5倍的吸收效率,而且在808nm左右达到峰值吸收波长,完全能够达到当前高功率激光二极管的标准。这使得我们可以利用更小的晶体来制造体积越来越小的激光器。同时还意味着激光二极管可以用较小的功率输出特定的能量,从而延长了其使用寿命。Nd:YVO4的吸收带宽可达Nd:YAG的2.4-6.3倍,这一特性同样具有巨大的开发价值。除了较高的泵浦效率外,在二极管的规格上提供了更大的选择空间,这将为激光器生产商节省更多的制造成本。

 

  2. Nd:YVO4 在1064nm和1342nm处具有较大的受激发射截面。在a轴方向Nd:YVO4  1064nm波的受激发射截面约为Nd:YAG的4倍,而1342nm的受激发射截面可达Nd:YAG在1.3um处的18倍,故Nd:YVO4  1342nm波的连续输出效率要大大超过Nd:YAG,这使得Nd:YVO激光的两个波长都可以更容易保持一个较强的单线激发。

  3. Nd:YVO4的另一重要特点是它属单轴晶系,仅发射线性偏振光,因此可以避免在倍频转换时产生双折射干扰,而Nd:YAG是高匀称性的正方晶体,无此特性。虽然Nd:YVO4 的荧光寿命比Nd:YAG短2.7倍左右,但是因为Nd:YVO4具有较高的泵浦量子效率,所以在设计理想的光腔中仍然可获得相当高的斜率效率。

  下表比较了Nd:YVO4与Nd:YAG光的主要特性,包括受激发射截面(σ), 吸收系数(α) 荧光寿命(τ), 吸收长度(La), 阈值功率(Pth)以及泵浦量子效率(η)等。

 

表1. Nd:YVO4激光与Nd:YAG激光特性比较

晶体

(atm%)

σ

 (×10-19cm2)

α

(cm-1)

τ

(μs)

(mm)

Pth

(mW)

ηs

(%)

Nd:YVO(a-cut)

1.0

2.0

25

25

31.2

72.4

90

50

0.32

0.14

30

78

52

48.6

Nd:YVO(c-cut)

1.1

7 9.2 90 / 231 45.5
Nd:YAG 0.85 6 7.1 230 1.41 115 38.6

 

 

 

 

试验最佳结果 

 

‍‍表2. Nd:YVO4 激光泵浦二极管与Nd:YAG激光泵浦二极管的输出功率比较

晶体 尺寸(mm3 泵浦功率 输出(1064nm)
Nd:YVO4 3×3×1 850mW 350mW
Nd:YVO4 3×3×5 15W 6W
Nd:YAG 3×3×2 850mW 34mW

 

Nd:YVO4晶体的品质保证规范:

       •   波前畸变:<λ/4 @ 633nm
       •   尺寸公差:(W±0.1mm)x(H±0.1mm)x(L+0.2/-0.1mm)(L<2.5mm)

                             (W±0.1mm)x(H±0.1mm)x(L+0.5/-0.1mm)(L≥2.5mm)       

       •   通光孔径:>90% 中心区域
       •   平面度:λ/8 @ 633 nm, λ/4 @ 633nm(厚度小于2mm)
       •   光洁度:10/5 美国军标
       •   平行度:优于20 arc seconds
       •   垂直度:5 arc minutes
       •   角度公差:<±0.5°
       •   增透膜:1064nm,R<0.2%;HR镀膜:1064nm,R>99.8%,808nm,T>95%

       •   损伤阈值:>1GW/cm2 for 1064nm, TEM00, 10ns, 10Hz(增透膜)

       •   品质保证期:一年内正常使用

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