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Yb:CALGO 晶体
- Yb:CaGdAlO4(也称为Yb: CALGO) 是一种优势突出，应用前景良好的新型激光晶体。晶体结构为四方晶系。用979nm pi偏振方向光源泵浦时将产生1050nm Theta方向偏振的光。这意味着极低的量子亏损（低至1.5%）以及获取超快脉冲的极大可能。此外Yb: CALGO还具有高达k=6.7W/m/K的热导率，使其能够适合高功率的应用。
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Yb:CaGdAlO4的主要优点：
Yb:CALGO（Yb:CaGdAlO4）是一种优势突出、应用前景广阔的新型激光增益材料，其晶体结构为四方晶系。用979 nm π偏振方向光源泵浦时将产生994 nm到1050 nm σ方向偏振的光。这意味着极低的量子亏损（低至1.5%），有望获得超快脉冲。此外，Yb:CALGO还具有高达=6.7 W/m/K的热导率，适用于高功率应用。
主要优点：
- 979 nm波段具有高吸收系数
- 受激发射截面大
- 激光阈值低
- 极低的量子亏损
- 宽波段输出 @ 994-1050 nm
- 激光二极管泵浦时具有高斜率效率（高达55%）
- 可提供掺杂浓度范围
应用：
- 使用10% 的输出镜和23 W泵浦功率的激光二极管，获得了超过5.5 W的输出功率；
- 有报道用28 W泵浦功率获得了最高12.5 W，94 fs的激光输出。
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表1. 基本特性 |
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晶体结构 |
四方 |
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点群 |
I4/mm |
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晶胞参数 |
a=3.6585 Å，c=11.978 Å |
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熔点 |
1850 ℃ |
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莫氏硬度 |
6 Mohs |
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密度 |
4.8 g/cm3 |
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热导率 |
K[001]=6.3 W/m/K；K[100]=6.9 W/m/K |
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热膨胀系数 |
10.1×10-6 /K（∥a）；16.2×10-6 /K（∥c） |
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激光波长 |
994-1050 nm |
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吸收波长 |
979 nm |
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吸收截面（979nm，π偏振） |
2.7×10-20 cm2 |
Yb:CaGdAlO4 晶体规格指标：
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表2. Yb:CaGdAlO4产品指标 |
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定向 |
a或c轴 |
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标准掺杂浓度 |
Yb：1，2，3，5 atm% |
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最大长度 |
50 mm |
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光洁度 |
10/5 参考MIL-PRF-13830B标准 |
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尺寸公差 |
直径公差：±0.1 mm 长度公差：±0.5 mm |
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平行度 |
20″ |
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垂直度 |
≤15′ |
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镀膜 |
AR-1030/980 nm，＜0.2% @ 1030 nm，R＜0.5%@ 980 nm； 可提供膜系定制服务。 |
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：
销售邮箱：
sales@castech.com
销售总机：
+86-(0)591-83710533，83791703
中国区销售：
+86-(0)591-83771604，83517265
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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