掺镱增益介质(Ytterbium-doped Gain Media)

定义：包含活性镱离子的激光增益介质镱(Yb)是一种化学元素，属于稀土金属类。在激光技术中，由于其三价离子Yb³⁺使其它扮演着重要角色，它被掺杂在不同主体材料中作为激光活性物质，包括晶体和玻璃。它通常用于高功率激光器和波长可调的固态激光器。

掺镱增益介质的特殊属性

镱掺杂的激光晶体和玻璃有一些很有趣的特性，这和例如钕掺杂的一些增益介质是有区别的：

• 它有一个非常简单的电子能级结构，从基态（²F_7/2）激发的，只有一种激发态（²F_5/2），在近红外或可见光附近。泵浦和放大涉及的基态和激发态不同状态之间的转换（见图1）。

Figure 1: Yb:YAG 中Yb³⁺离子能级，一般的泵浦结构和激光能级跃迁。

• 量子缺陷总是很小的，从而激光器可以有很高的功率效率而且在大功率激光器中减少了热效应。然而，可能在准三能级中表现出一些并发效应（见下文）。
• 简单的电子结构不包括激发态吸收和各种不利的淬火过程。
• 相比如掺钕晶体，其激光跃迁的增益带宽通常是相当大的。这允许宽的带宽调谐范围或在锁模激光器中产生超短脉冲。
• 高能态生命周期相对较长（典型的是1 - 2 ms量级），这对调Q是有益的。

准三能级特性

小的量子缺陷通常也是不愿看到的，即有显著影响的准三能级表现，特别是在短波长。这要求激光器要有相对较高的泵浦强度，使它更加难以完全实现潜在的高功率效率。对于掺镱激光器端面泵浦谐振器设计的另一个困难是：激光谐振腔镜注入泵浦光必须在激光波长有高反射率，而且要在很短的泵浦波长内有高的传输。分色镜在如此紧密波长处拥有这样的属性是很难实现的。

Figure 2: 掺镱的锗硅酸盐光纤的吸收和发射截面，即纤芯是用镱掺杂的光纤。(数据来源于R. Paschotta的光谱测量)

图2显示了掺镱的锗硅酸盐光纤的传输横截面。在波长910 nm或接近975nm处可能实现高效泵浦。在后一种波长下，泵浦线宽必须小，只有约50%可以由受激激发达到激发态，但吸收波长和量子缺陷效应会小于910 nm处。强三能级现象发生在1030nm左右，而四能级则在1080nm以外，并伴随少量的重吸收。对于掺镱晶体（如Yb:YAG），通常会有不同的激光转换，那些用较短的波长表现出更加明显的三能级特征。

掺镱增益介质的概述

有很多不同类型的掺镱增益介质，如：

• 钇铝石榴石（Yb:YAG）（→YAG激光器）：适用于大功率情形，如盘形激光器，发射波长在1030 nm，有时是1050nm
• 钒酸钇（Yb:YVO₄） （→钒酸激光器）：拥有宽而平滑的发射光谱
• 单斜双钨酸钾，如KGd(WO₄)₂、Yb:KY(WO₄)₂ 和Yb:KLu(WO₄)₂，也称为Yb:KGW、Yb:KYW和Yb:KluW：都有宽的发射光谱和大的发射横截面
• 正方双钨酸，如Yb³⁺:NaGd(WO₄)₂ (Yb:NGW)和Yb³⁺:NaY(WO₄)₂ (Yb:NYW)：非均匀增宽后有很大增益带宽的无序晶体
• 各种硼酸盐，如Yb:Sr₃Y(BO₃)₃ 即是Yb:BOYS和Yb:GdCa₄O(BO₃)₃ 即是Yb:GdCOB：有宽频带发射发射特性，GdCOB 有 χ⁽²⁾的非线性特征可于[[倍频
• ]]磷灰石，特别是Yb:Sr₅(PO₄)₃F即Yb:S-FAP和Yb:SrY₄(SiO₄)₃O即Yb:SYS：有宽频带发射和高转换效率的横截面特性
• 倍半氧化物，例如氧化钇(Yb:Y₂O₃)，氧化钪(Yb:Sc₂O₃)，氧化镥(Yb:Lu₂O₃)和氧化镱(Yb₂O₃)：有热导率高，适用于大功率操作等特性
• 氧化正矽酸盐，例如Yb:Y₂SiO₅即Yb:YSO，Yb:Lu₂SiO₅ 即Yb:LSO，Yb:Gd₂SiO₅ 即Yb:GSO：有宽频带发射、强的结构化、良好的导热系数等特性
• Yb:CaGdAlO₄即Yb:CaAlGdO₄，也称为Yb:CALGO：宽频带和平滑的发射光谱，高的热导率等特性
• 氟化钙(Yb:CaF₂)和氟化锶(Yb:SrF₂)：有很宽的发射频谱
• 各种玻璃（掺镱玻璃，如基于硅酸或磷酸盐玻璃，也用于光纤中）：有宽发射，但相对小的导热系数的特性上述这些介质也可以用作陶瓷增益介质。

在大多数情况下，镱离子掺杂取代其他离子（通常是钇）的介质中，取代后具有相同的大小。有匹配良好的原子尺寸和重量，高导热系数也可以维持甚至有更高的掺杂水平。

高功率情形

高效率，衍射极限的光束质量和输出功率超过1KW的掺镱双包层光纤激光器和放大器已经出现。常与Yb:YAG一起工作的盘形激光器，也可以产生远高于1KW并达到衍射极限的高质量光束，没有衍射极限的光束可以达到更高的功率水平。

锁模情况下的脉冲产生

各种掺镱增益介质用于锁模激光器（见下文）的飞秒脉冲产生，到目前为止，最高的平均输出功率达到80 W，由被动锁模的盘形Yb:YAG激光器获得[13、15]。

对于被动锁模，问题可能出现于调Q的不稳定。这种趋势是对于掺镱的相对小型的激光器截面来说。因此，一些宽频带掺镱增益介质不是很适合于被动锁模激光器，特别在高功率水平，但对再生放大器仍然很有用。在钨酸盐晶体中可实现相对较大的横截面。

一些掺镱的晶体有相当大的放大频带，但发射曲线并不是很平滑，它出现了几个最大值。在这种情况下，宽波长调谐性仍能实现，但实现短脉冲的锁模则是很困难的。

淬火和光暗化效应

由于Yb³⁺离子非常简单的能级结构，人们普遍认为淬火效应基本上是不可能发生的。然而,这种效应后来被人们发现[7]，在掺镱的光纤中也可能发生很强的淬火效应。在这种情况下，镱离子的一部分（百分之几），有时超过50%，会有极短时间的高能态，而其它镱离子基本上不受影响。淬火离子的百分比很大程度上取决于制作的条件。甚至其中一小部分有很大的影响，减少激光或放大器的性能，特别是对有很强的吸收截面的激光或泵浦波长。

另一个不利影响是在掺镱光纤中的光子湮灭效应，特别是在需要高掺镱激发密度情况下，可以观察到光纤中的退化现象。

目前来说，关于这些效应的数据还很少，问题还没有很好地解决。

镱铒共掺

镱掺杂也经常与铒掺杂在一起使用。通常，镱离子吸收泵浦辐射和并转移激发能到铒离子。尽管铒离子能直接吸收980nm的辐射波长，但掺镱共掺可以更有效，可以使掺镱的激光玻璃有更高的吸收截面和更高的掺镱密度，这样使短的泵浦吸收长度就能达到更高的增益。镱共掺有时也用于掺镨的增频转换激光器中。

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