福晶小课堂| “唯快不破”的Yb:CALGO晶体                    

——  一种极具前瞻性的可实现高功率窄脉宽的超快激光晶体  

一、何为超快激光 

        众所周知，20世纪最伟大的发明之一 ——激光，被誉为“最亮的光”、“最准的尺”与“最快的刀”^[1]。那么超快激光又是什么呢？              

要理解超快激光，必须得知道什么是激光脉冲。激光脉冲是指以脉冲方式工作的激光器发出的一个光脉冲，打比方来说，手电筒如果保持开关开着，手电筒就是连续工作，如果打开开关立刻合上，就相当于发出了一个光脉冲。                

激光脉冲可以做到非常短，有纳秒，皮秒，飞秒，甚至阿秒量级。例如皮秒量级，是指在1秒钟之内就可以发出一万亿个超短脉冲。一般来说，脉冲宽度小于10ps的激光称为超快激光。                

超快激光时间单位换算见表1。  

                  
 二、超快激光的增益晶体           

目前，超快激光的增益晶体主要有两大类，分别为钛宝石(Ti:Al₂O₃)晶体和Yb³⁺离子掺杂激光晶体。随着二极管激光器(LD)直接泵浦的全固态激光器(DPSSL)朝着高效率、小型化、集成化的方向发展，Yb³⁺离子掺杂激光晶体逐渐成为超快激光研究的热点^[1]。 

掺Yb³⁺离子无序结构晶体兼具晶体的有序性和玻璃的无序性，表现出优异的光谱特性，而在掺Yb³⁺离子无序结构这类晶体中，铝酸盐晶体无疑是目前所有掺Yb³⁺离子超快晶体中综合性能最好的一类晶体^[2]。                

Yb:CaGdAlO₄(CALGO)晶体属于四方晶系，在晶体结构中，Ca²⁺和Gd³⁺ 离子不仅离子半径不同而且价态也不一样，因此其无序性可以分为两大类：阴离子-阳离子键长的无序性和电价分布的无序性^[1]。这种多种无序结合的结构使得Yb:CALGO晶体能够实现更大的发射谱宽，在众多无序结构晶体中脱颖而出^[2]。                

发射谱宽和热导性是衡量激光晶体超快特性的两个关键因素。发射谱宽越大，可实现的锁模脉冲宽度越小；热导性能越好，可实现的输出功率越高。掺Yb³⁺离子的不同晶体热导率和发射谱宽对比^[3-5]见表2。

Yb:CALGO晶体兼具高热导率和超宽发射谱特性，有利于同时实现高功率窄脉宽的超快激光，在超快激光领域具有极大的优势和潜能。 

 三、福晶科技开发Yb:CALGO晶体历程                                

福晶科技从2016年开始进行Yb:CALGO晶体的生长。在工艺开发的早期阶段，生长出的晶体毛坯颜色为橙色，并且大部分区域具有雾状包络（理想状态为无色，少或无包络），见图1。                

                图1  改善前的橙色，带雾状包络的Yb:CALGO晶体毛坯
               

由于色心的存在而导致的额外吸收以及包络的散射作用使得Yb:CALGO晶体因为内部质量缺陷，无法满足客户的使用要求，主要表现为较低的激光功率和损伤阈值。在公司研发团队的持续努力下，通过配方调整、温场调节、气氛改变等工艺的大胆尝试和严格控制，目前，福晶科技可稳定生长出尺寸在φ30×50mm³以上的无色、少量或无包络的Yb:CALGO晶体毛坯，见图2。                             

图2  改善后的无色，带少量包络的Yb:CALGO晶体毛坯

无色少量包络和橙色少量包络样品在透过率、输出功率和损伤阈值方面的比较情况分别见图3、图4和图5。从对比数据可知，无色少量包络样品在紫外区域的透过率明显要高，在输出功率、损伤阈值方面也有很大的改善。

图3 改善前后Yb:CALGO晶体样品透过率曲线比较    

图4 改善前后Yb:CALGO晶体样品输出功率比较                

图5 改善前后Yb:CALGO晶体样品损伤阈值比较              

四、Yb:CALGO晶体的产品指标    

福晶公司可稳定、大量地提供掺不同Yb³⁺离子浓度的CALGO晶体元器件，基本指标如表3：                 

需要了解更加详细的福晶科技Yb:CALGO晶体参数以及定制咨询，请与我们的销售团队联系：                    

参考文献：                    

[1]胡强强.几种无序结构晶体的生长和性能研究[D].山东大学,2017.                    

[2]苏现翠.镱离子掺杂LuAG、CLGA和CGA晶体飞秒激光特性研究[D].山东大学,2018.                    

[3]张志斌.Yb:YAG晶体生长与激光性能研究[D].电子科技大学,2005.                    

[4]Druon F, Boudeile J, Zaouter Y, et al. New Yb-doped crystals for high-power and ultrashort lasers[C] // Optics / Photonics in Security and Defence. International Society for Optics and Photonics, 2006:64000D-64000D-16.                    

[5]Druon F, Ricaud S, Papadopoulos N, et al. On Yb:CaF₂ and Yb:SrF₂: review of spectroscopic and themal properties and their impact on femtosecond and high power laser performance[J]. Optical Materials,2011,489~502.                    

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