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专刊-固体激光增益介质
专刊-固体激光增益介质
激光作为20世纪“四大发明”之一,在科学研究、工业制造、航空航天、生物医疗、国防安全等领域发挥了变革性的、不可替代的关键核心作用。当前,激光技术“无所不在”,已广泛深入到人类生产、生活之中。激光增益介质是激光器的核心和基础,在激光技术的发展历程中发挥了“里程碑”作用。固体激光增益介质是指掺有稀土或过渡族金属离子等作为激活中心的单晶、陶瓷、玻璃等材料。
近年来,我国在固体激光增益材料研究方面也取得了一系列重要突破:成功生长的全球最大口径钛宝石晶体支撑了 10 PW 激光系统的建立;自倍频黄光激光晶体的商品化成为国际上首例复合功能晶体的实用范例;大尺寸 YAG 晶体/陶瓷、激光光纤为我国大功率激光设备的研制保驾护航;大尺寸高性能钕玻璃、Yb:CaF2晶体的研制使重频超强激光技术的实现成为可能;宽光谱增益玻璃已成为高通量光通信和放大技术进步的增益材料保障。
探索无止境,应用无极限。激光增益材料一方面不断向大尺寸、超大尺寸发展,推动材料制备技术的持续发展;另一方面正在向多维度发展,包括二维薄膜、一维光纤、零维纳米晶等,开拓激光材料的新领域。本专刊聚焦“固体激光增益介质”,特别邀请了国内部分专家、学者撰写论文,展现了在可见光、中红外波段激光材料,光通讯光纤激光材料、微纳增益介质材料和微纳激光技术等方面的最新研究进展和成果。由于时间和篇幅所限, 很多优秀的研究未能及时收录在本专辑中。希望本专辑能够抛砖引玉, 为促进我国固体激光增益介质材料和先进激光技术的研究与应用发展提供有益参考。
主题关键词:   固体激光增益介质稀土过渡族金属单晶玻璃陶瓷光纤
  • 论文汇编
  • 王贵吉,丁晓圆,尹延如,贾志泰,陶绪堂

    2022, 43(11): 1808-1814. DOI: 10.37188/CJL.20220175
    摘要:采用导模法(Edge‑defined film‑fed growth technique,EFG)制备了无掺杂及Dy3+掺杂的Lu2O3晶体,无掺杂及掺杂晶体在空气中退火后分别变为无色和淡黄色。采用高分辨X射线衍射、拉曼光谱以及吸收光谱等方法对晶体进行了表征。结果表明,晶体X射线衍射摇摆曲线的半峰宽分别为98.4"、170.4"、193.9",最大声子能量分别为609.0,611.4,612.6 cm-1;无掺杂晶体在260~3 000 nm波段没有明显的吸收,而掺杂晶体具有350,742,798,884,1 063,1 258,1 681,2 774 nm Dy3+的特征吸收峰。采用1 258 nm激光进行激发,得到2.7~3.0 μm的荧光光谱,计算了Dy3+6H13/2能级寿命分别为17.9 μs和16.3 μs。采用Judd‐Ofelt(以下简写为J‐O)理论计算了相关光学参量,结果表明Dy3+∶Lu2O3晶体具有实现3 μm波段激光输出的潜力。  
    关键词:Dy3+∶Lu2O3;导模法;中红外激光晶体   
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    发布时间:2022-12-08
  • 陈跃,姜本学,冯涛,张龙

    2022, 43(11): 1789-1807. DOI: 10.37188/CJL.20220264
    摘要:重频纳秒大能量激光器在科研探究、工业制造、军事防务等领域发挥着重要作用,本文详细介绍了Yb3+ 或 Nd3+稀土离子掺杂的激光晶体、激光玻璃和激光陶瓷的研究进展以及相应的重频纳秒大能量激光器代表性成果,分析了激光增益介质发射截面、热导率、上能级寿命等参数特性对激光系统的影响。针对重频纳秒大能量激光器增益介质的选择制备、热管理、自发辐射放大效应管控展开讨论并梳理解决对策,对其未来的发展前景进行了展望。  
    关键词:重频脉冲激光器;大能量激光器;Yb3+;Nd3+;增益介质   
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    发布时间:2022-12-08
  • 李加红,张庆礼,孙贵花,高进云,王小飞,窦仁勤,丁守军,张德明,刘文鹏,罗建乔,孙彧

    2022, 43(11): 1779-1788. DOI: 10.37188/CJL.20220249
    摘要:采用提拉法生长了质量优良的Yb∶GdScO3晶体,对样品的X射线粉末衍射进行了Rietveld精修,给出了晶体计算密度及掺杂浓度。Yb3+的有效分凝系数计算为1.04。室温下测量了其吸收光谱、发射光谱和荧光寿命,首次计算了GdScO3基质中Yb3+的吸收、发射振子强度、谱线强度、跃迁概率、能级寿命和积分发射截面等重要光谱参数,对其激光性能进行了初步评估。结果表明,Yb∶GdScO3易于输出1 030 nm和1 060 nm波段附近的激光,而对于1 000 nm附近的激光输出则只有在高粒子数反转情况下才可能实现。  
    关键词:Yb∶GdScO3;吸收光谱;发射光谱;光跃迁   
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    发布时间:2022-12-08
  • 卢小送,王慈,高志刚,任晶

    2022, 43(11): 1758-1778. DOI: 10.37188/CJL.20220208
    摘要:稀土上转换发光氟硅微晶玻璃是指稀土掺杂氟化物纳米晶与硅酸盐玻璃复合的发光材料,结合了氟化物晶体发光效率高与硅酸盐玻璃易加工和稳定性高的优势,在固体激光器、固态照明、光学编码防伪、光学测温等领域具有重要的应用前景,是无机发光材料中的研究热点。本文从含二元和三元氟化物纳米晶氟硅微晶玻璃上转换发光性能和应用研究两方面入手,介绍了该类材料的发展历程和研究现状,对比了不同组分、不同掺杂模式、不同晶体结构纳米晶上转换发光性能的差异,指出了目前研究中存在的问题,并对未来发展前景进行了展望。希望本文能为今后稀土上转换发光氟硅微晶玻璃的研究提供一定的实验参考。  
    关键词:氟硅酸盐玻璃;微晶玻璃;纳米晶复合玻璃;上转换发光;稀土离子   
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    发布时间:2022-12-08
  • 刘坚,王无敌,宋青松,董建树,薛艳艳,王庆国,徐晓东,苏良碧,徐军

    2022, 43(11): 1750-1757. DOI: 10.37188/CJL.20220229
    摘要:使用温梯法生长了10%Tb,x%Y∶CaF2(x = 0,3,5,10)系列晶体。通过X射线衍射分析了晶体结构,结果表明高浓度的稀土离子掺杂使得晶胞参数增大,但是仍然保持CaF2的萤石立方结构。采用吸收光谱、发射光谱及荧光衰减曲线等测试数据对其发光性能进行了研究。通过J⁃O理论计算,共掺Y3+离子后,光谱品质因子Ω46由0.75增加到0.80。F‑L公式计算得到10%Tb∶CaF2绿光545 nm处和黄光583 nm处的发射截面分别为0.89×10-21 cm2和0.082×10-21 cm2,10%Tb,10%Y∶CaF2在绿光545 nm处和黄光583 nm处的发射截面分别为0.89×10-21 cm2和0.077×10-21 cm2。并且Tb3+离子5D4能级的荧光寿命都在5 ms以上,并不存在高浓度掺杂导致的荧光寿命降低现象,长荧光寿命意味着Tb3+离子绝佳的储能能力。实验结果表明,Tb∶CaF2及Tb,Y∶CaF2晶体是有极大潜力实现可见激光输出的激光增益介质。  
    关键词:Tb∶CaF2;可见激光;光谱性能;J-O 理论   
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    发布时间:2022-12-08
  • 谭慧瑜,张沛雄,牛晓晨,宋家万,郑为比,陈言,李真,陈振强

    2022, 43(11): 1741-1749. DOI: 10.37188/CJL.20220164
    摘要:采用提拉法成功地生长了Sm3+掺杂CaDyAlO4晶体,并对其可见光光学性能进行研究,利用Judd‑Ofelt理论,得到强度参数、自发辐射概率及荧光分支比等重要的光谱性能参数。该晶体在353 nm处吸收峰最强,半高宽(FWHM)为13 nm,吸收截面为1.11×10-20 cm2;在353 nm激发下,获得了500~650 nm的超宽带橙黄光发射,Dy3+离子和Sm3+离子的主要发射峰分别位于570 nm和620 nm处,发射截面分别为4.15×10-20 cm2和4.03×10-20 cm2。上述结果表明,Sm3+∶CaDyAlO4晶体可能是500~650 nm橙黄色调谐激光器的一种有前景的增益材料。  
    关键词:激光晶体;Sm3+掺杂;Judd-Ofelt理论;橙黄光发射   
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    发布时间:2022-12-08
  • 刘强,武龙飞,李晓英,刘子玉,陈鹏辉,田丰,谢腾飞,PIRRIAngela,TOCIGuido,李江

    2022, 43(11): 1733-1740. DOI: 10.37188/CJL.20220153
    摘要:以NH4HCO3为沉淀剂,通过共沉淀法合成了分散性良好的Dy,Tb∶LuAG纳米粉体,并研究了前驱体的热分解行为、粉体的物相及显微形貌。在不添加任何烧结助剂的情况下,采用真空预烧结合热等静压烧结技术首次制备出高透明的Dy,Tb∶LuAG陶瓷,并研究了预烧温度对陶瓷显微形貌及光学质量的影响。当预烧温度为1 600 ℃时,退火后的Dy,Tb∶LuAG陶瓷(厚度为1.5 mm)在578 nm处的直线透过率达到83.6%,平均晶粒尺寸为0.9 μm。此外,退火后的3%Dy,1%Tb∶LuAG透明陶瓷在447 nm的吸收截面积为1.3×10-21 cm2,半高宽为3.0 nm,与商用GaN蓝色激光二极管具有良好的匹配性。研究表明,Dy,Tb∶LuAG透明陶瓷在黄光激光领域具有潜在的应用价值。  
    关键词:Dy,Tb∶LuAG;透明陶瓷;共沉淀法;热等静压烧结   
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    发布时间:2022-12-08
  • 方高阳,王燕,游振宇,李坚富,朱昭捷,涂朝阳

    2022, 43(11): 1721-1732. DOI: 10.37188/CJL.20220094
    摘要:黄光激光在医疗美容、原子冷却与捕获、激光雷达等领域具有潜在的应用前景,因此,黄光激光器的研究具有重要意义。Dy3+因其4F9/26H13/2辐射跃迁而成为黄光激光的最佳激活离子,但是其在可见光波段为自旋禁戒跃迁,导致其吸收截面和发射截面都很小,从而引起黄光激光输出困难。本文通过提拉法成功生长了Dy3+∶Sr3Gd(BO33(缩写Dy3+∶SGB)、Dy3+/Tb3+∶SGB和Dy3+/Eu3+∶SGB晶体,通过室温偏振吸收谱、发射谱、荧光衰减曲线以及Judd-Ofelt理论计算分析了其光谱性能和能量传递机制。研究表明,共掺Tb3+和Eu3+增大了Dy3+在黄光波段的发射截面和荧光量子效率,有利于Dy3+的黄光输出。此外,证明了Dy3+/Tb3+∶SGB晶体中发生了Dy3+和Tb3+之间相互能量传递过程,Dy3+/Eu3+∶SGB晶体中仅有Dy3+→Eu3+的能量传递过程。  
    关键词:Sr3Gd(BO33;Dy3+;黄光;光谱性能;能量传递   
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    发布时间:2022-12-08
  • 尹朋伟,李彦潮,赵文凯,赵国营,张龙,姜益光

    2022, 43(11): 1705-1720. DOI: 10.37188/CJL.20220263
    摘要:中红外稀土掺杂连续光纤激光在光声技术、红外制导、医疗手术、塑料加工以及5G通信等领域有着十分广阔的应用前景。然而,制备中红外稀土掺杂连续光纤激光器的光纤基质材料单一,再加上高增益光纤和器件的缺乏,大大限制了大功率单频连续光纤激光器的发展。本文对比了传统的石英光纤、氟化物光纤、硫系光纤和重金属氧化物光纤,最终将碲酸盐光纤作为阐述对象。重点阐述了国内外中红外稀土掺杂碲酸盐连续光纤激光的研究进展,目前2.0 μm波段的最高输出功率为8.08 W、最高斜率效率为77%;3.0 μm波段的理论模拟结果显示最高输出功率高达5.219 W、最高斜率效率可达40%。  
    关键词:中红外激光;稀土掺杂连续光纤激光器;碲酸盐光纤   
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    发布时间:2022-12-08
  • 许崇磊,马凤凯,张振,姜大朋,张中晗,寇华敏,陈振强,苏良碧,徐军

    2022, 43(11): 1690-1704. DOI: 10.37188/CJL.20220166
    摘要:可见波段激光因其在激光显示、光通讯、生物医疗、工业加工等领域的特殊应用而备受关注。近年来,Pr3+掺杂晶体作为一类重要的可见波段激光增益介质,已经在蓝光、绿光、橙光、红光波段实现了良好的激光输出,并已在氟化物中实现瓦级连续(CW)激光输出。本文系统总结了掺Pr3+氟化物和氧化物激光晶体在可见波段的光谱特性和激光输出现状,深入分析了激发态吸收、多声子弛豫、交叉弛豫过程对Pr3+可见激光输出的影响及其机制,旨在为新型可见光激光增益介质材料的筛选提供建议和指导。最后,总结了目前掺Pr3+可见激光晶体材料中仍存在的问题,并对后续的研究方向进行了展望。  
    关键词:可见光激光晶体;Pr3+掺杂;激发态吸收;交叉弛豫;多声子弛豫   
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    发布时间:2022-12-08
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