ПРОШЛАЯ И НАСТОЯЩАЯ ЖИЗНЬ ND: ЛАЗЕРНЫЕ КРИСТАЛЛЫ YAG

Лазерные кристаллы представляют собой функциональные кристаллические материалы, которые могут достигать лазерной мощности посредством электрической или оптической накачки и являются основой всех твердотельных лазеров. Лазерные кристаллы обычно состоят из кристаллов лазерной матрицы и активированных ионов. Обычно активированные ионы включают ионы редкоземельных металлов, ионы переходных металлов и центры окраски.

С момента внедрения лазерной генерации в кристаллах рубина (Cr: Al2O3) в 1960 году было обнаружено и разработано около 350 матричных материалов и более 20 активных ионов, что позволило достичь эффективной лазерной мощности с более чем 70 длинами волн.

В зависимости от материалов матрицы лазерные кристаллы обычно можно разделить на три категории: кристаллы оксидов (например, Al2O3, Y3Al5O12, YAlO3, Y2O3, Sc2O3), кристаллы фторида (например, CaF2, BaF2, SrF2, LaF3, MgF2, LiYF4, LiCAF). , LiSAF) и кристаллы солей оксидов металлов (таких как Ca5(PO4)3F, Y2SiO5, YVO4, YAl3(BO3)4, CaWO4) и т.д.

В настоящее время наиболее широко используемыми лазерными кристаллами являются Nd: YAG, Nd: YVO4 и Ti: Al2O3, которые известны как три фундаментальных лазерных кристалла. Среди них Nd:YAG в основном используется в лазерах средней и большой мощности; Nd:YVO4 доминирует в маломощных и высокоэффективных лазерах; Титан-сапфир применяется в области лазеров широкой настройки и сверхбыстрых импульсных лазеров. В последние годы было разработано множество новых лазерных кристаллов для удовлетворения конкретных потребностей или повышения производительности, удовлетворяя растущий спрос на все твердотельные лазеры и связанные с ними высокотехнологичные отрасли.

Гранат — природный минерал и один из самых ранних изученных кристаллических материалов. Структурно кристаллы граната относятся к кубической кристаллической системе с общей формулой A3B2C3O12. Среди них A представляет собой такие атомы, как Y, Gd, Lu, La и т. д., занимающие додекаэдрическую решетку; B представляет собой атомы, такие как Sc, Al, Ga, Fe и т.д., занимающие узлы октаэдрической решетки; С — атом Al, Ga, Fe и др., занимающий тетраэдрические позиции; Среди них иттрий-алюминиевый гранат (YAG), иттрий-галлиевый гранат (YGG) и гадолиний-галлиевый гранат (GGG) являются представителями лазерных кристаллов граната, а иттрий-алюминиевый гранат является наиболее широко используемым лазерным кристаллом.

ПРОГЛАШЕННАЯ И НАСТОЯЩАЯ ЖИЗНЬ ND: ЛАЗЕРНЫЕ КРИСТАЛЛЫ YAG

Длина связи YO в кристалле иттрий-алюминиевого граната составляет 0,245 нм. В этом кристалл, Y3+ и другие редкоземельные ионы имеют схожие радиусы.

Y3+, расположенный на додекаэдре, может быть заменен активированными лазером ионами. (трехвалентные редкоземельные катионы), такие как Nd3+, Er3+, Tm3+, Ho3+ и Yb3+, превращаясь в лазерные кристаллы. Между тем, ионы в узлах октаэдрической решетки также могут быть заменены ионами трехвалентных металлов, сенсибилизированными, такими как Cr3+, V3+, Mn3+ и Fe3+.

В настоящее время Nd3+: YAG, (Nd3+, Ce3+): YAG, (Nd3+, Ce3+): Tb3+: YAG и (Nd3+, Ce3+): Cr3+: YAG коммерциализированы и широко используются. Вообще говоря, Кристаллы со структурой граната обладают отличными термомеханическими свойствами и характеристики лазера, что делает их пригодными для мощных лазеров Приложения.

Однако кристаллы, легированные неодимом, имеют низкую концентрацию легирования и узкие пики поглощения, что имеет определенные ограничения в приложениях лазеров с диодной накачкой. В табл. 1 приведены физические, химические и термические свойства кристаллов алюмоиттриевого граната.

Гейсик и др. впервые сообщил о лазерной генерации кристаллов Nd:YAG в 1964 году. С тех пор эта серия кристаллов и их лазеры привлекли широкий исследовательский интерес, способствуя исследованиям и применению этой серии кристаллов.

В настоящее время Nd:YAG-лазеры киловаттного уровня коммерциализированы и показали преимущества в приложениях промышленной обработки. В последнее десятилетие, благодаря исследованиям мощных тепловых лазеров, Nd:YAG снова оказался в центре внимания исследований. По сравнению с кристаллом гадолиниево-галлиевого граната, легированного неодимом, с высокой теплоемкостью (Nd: GGG), теоретическая мощность лазера кристалла Nd: YAG на одну треть выше, а эффект тепловой линзы составляет лишь половину от эффекта Nd: GGG. кристалл.

Высокоэффективные кристаллы Nd:YAG с большой апертурой являются ключевыми материалами для твердотельных лазеров средней мощности и нашли множество уникальных применений и многообещающих перспектив применения в промышленной, научной и военной областях. В военной области развитие мощных лазерных технологий произвело революцию в военном оружии, и мощные твердотельные лазеры с выходной мощностью 100 кВт начали находить практическое применение.

Исследования и производство кристаллов Nd:YAG в основном сосредоточены в США и Китае.

В США компании II-VI и Northrop Grumman Synaptic занимаются подготовкой лазерных кристаллов Nd:YAG, качество кристаллов и уровень обработки которых являются ведущими в мире; В частности, для роста кристаллов была использована новая технология выращивания выпуклого интерфейса с диаметром кристалла 150 мм и оптической однородностью 0,1 на дюйм λ (с длиной волны 250-300 нм) и достигнута концентрация легирования различных компонентов менее 10%. .

В дополнение к кристаллам, легированным неодимом, иттрий-алюминиевый гранат, легированный иттербием (Yb: YAG), показал преимущества в области высокоэффективных мощных лазеров благодаря своей высокой квантовой эффективности и считается важным способом разработки мощных лазеров. .
С начала 1990-х годов несколько всемирно известных исследовательских институтов проводили исследования кристаллов Yb: YAG, а также их лазерных применений и устройств.

В 1991 году Лаборатория Линкольна Массачусетского технологического института (MIT) успешно разработала первый Yb:YAG-лазер с индий-галлиевым мышьяковистым диодом в качестве источника накачки при комнатной температуре и выходной мощностью 12 мВт;

В 2004 году Исследовательская лаборатория Хьюза в США достигла выходной мощности лазера 4,4 кВт с использованием дисков Yb:YAG, а недавно достигла выходной мощности лазера, превышающей 5 кВт;

В 2004 году немецкая компания Trump также разработала дисковый лазер Yb:YAG мощностью 4 кВт и продемонстрировала, что один диск может достигать выходной мощности лазера, превышающей 10 кВт.

В 2013 году Национальная лаборатория Сингапура создала одночиповый Yb:YAG-лазер мощностью 1,1 кВт, близкий к дифракционному пределу, что на данный момент является самой высокой выходной мощностью среди одночипового лазера. В Китае Университет Цинхуа также достиг выходной мощности Yb:YAG-лазера мощностью 1 кВт. Что касается лазеров с синхронизацией мод, самый короткий в мире Yb: YAG-лазер с синхронизацией мод имеет длительность импульса 136 фс и выходную мощность 3 Вт. В 2014 году Институт квантовой оптики Макса Планка разработал Yb: YAG-лазер с самосинхронизацией мод мощностью 270 Вт и пиковой мощностью 28 МВт, что является самой высокой пиковой мощностью, достигнутой в лазерах с самосинхронизацией мод на сегодняшний день.