1.3um波段處于石英光纖的低損耗區(qū)并臨近零色散區(qū),同時(shí)對(duì)水分子有良好的吸收特性,因此1.3μm波段激光在光纖通信、激光醫(yī)療、光學(xué)遙感等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。另外,1.3um波段激光通過(guò)二倍頻獲得的紅光激光和通過(guò)三倍頻獲得的藍(lán)光激光在激光顯示領(lǐng)域也有著重要的應(yīng)用。再者1.3μm波段激光還可通過(guò)受激拉曼散射產(chǎn)生1.5um波段人眼安全激光,其在激光雷達(dá)、自由空間光通信等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。特別地,1314nm的二次諧波(657nm)和四次諧波(328nm)可分別應(yīng)用于鈣原子光鐘和銀原子光鐘,提供了更高精度的時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)。
1.3mm 波段固體增益介質(zhì)主要有Nd:YVO4、Nd:GdVO4、Nd:YAG、Nd:GGG、Nd:KGW、Nd:YAP、Nd:YLF 等晶體。
目前，用于1.3μm激光的可飽和吸收體的主要有V∶YAG、Co∶LMA、Co∶MgAl2O4、半導(dǎo)體飽和吸收鏡等。
Co:MgAl2O4可飽和吸收體
Co:MgAl2O4晶體的全稱是摻Co2+鎂鋁尖晶石，Co2+在1.2～1.6μｍ 有較寬的吸收帶、很大的吸收截面、較長(zhǎng)的激發(fā)態(tài)壽命及較小的激發(fā)態(tài)吸收損耗。用于波長(zhǎng) 1.2到1.6 mm 的激光發(fā)射，特別適用于對(duì)人眼安全的波長(zhǎng)1.54 mm Er:glass激光器，同時(shí)也可以工作在波長(zhǎng)1.44 μm與 1.34 μm。大吸收截面(3.5±0.6×10-19cm2)可以實(shí)現(xiàn)閃光燈和二極管泵浦的Er:glass激光器的被動(dòng)Q調(diào)節(jié)，不產(chǎn)生腔內(nèi)聚焦。微小的受激態(tài)吸收，使對(duì)Q調(diào)節(jié)具有高對(duì)比度，原始飽和吸收率(小信號(hào))大于10。Co:MgAl2O4晶體是1.5μm人眼安全波段最理想的被動(dòng)調(diào)Q開(kāi)關(guān)，同時(shí)在1.3μm處也有良好的可飽和吸收特性，其吸收截面σa＝2.8×10-19cm2。Nd:YAG晶體在1319nm處的受激發(fā)射截面為0.95×10-19cm2。兩個(gè)截面的比值為2.95，有利于被動(dòng)調(diào)Ｑ脈沖激光的產(chǎn)生
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Co:MgAl2O4可飽和吸收體
- 吸收截面：Co:MgAl2O4晶體中，1.34 μm處的基態(tài)吸收截面約為（2.8±0.4）×10?19?cm2，1.54 μm處的基態(tài)吸收截面約為（3.5±0.6）×10?19?cm2。
- 弛豫時(shí)間：Co2?: MgAl2O4中的弛豫時(shí)間較長(zhǎng)，約為350 ns。這種較長(zhǎng)的弛豫時(shí)間使其更適合需要較大脈沖能量的應(yīng)用。
- 飽和強(qiáng)度：雖然Co:MgAl2O4的飽和截面較低，但其高飽和強(qiáng)度使其適用于高強(qiáng)度激光應(yīng)用。與其他材料（如V:YAG）相比，Co:MgAl2O4晶體的飽和強(qiáng)度約為V:YAG的50倍?。
V:YAG可飽和吸收體
V3+:YAG 的線性吸收光譜如圖所示,可以看出光譜范圍很寬，大于 1000nm，在 425nm、600nm、800nm、1140nm、1320nm附近有5個(gè)吸收峰，實(shí)驗(yàn)證明其在0.75~1.44 μm具有飽和吸收特性，可在此波段作為被動(dòng)調(diào)Q元件。它在1.3μm處的基態(tài)吸收截面大，為σgsa=(7.2±2.6)×10-18cm2，激發(fā)態(tài)吸收截面小，為σesa=(7.4±2.8)×10-19cm2，兩者比值為 β=σesa/σgsa≈0.1，即對(duì)應(yīng)的激發(fā)態(tài)再吸收損耗小。它的恢復(fù)時(shí)間較短,為22±6ns，合理設(shè)計(jì)腔型可獲得調(diào) Q 鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)。
V:YAG也是一種廣泛使用的飽和吸收材料，其關(guān)鍵特性如下：
- 吸收截面：V:YAG在1342 nm處的基態(tài)吸收截面約為7.2×10?18?cm2，而激發(fā)態(tài)吸收截面為7.4×10?19?cm2。與Co:MgAl2O4相比，V:YAG在類似波長(zhǎng)下具有更高的吸收率。
- 弛豫時(shí)間：V:YAG的弛豫時(shí)間遠(yuǎn)短于Co:MgAl2O4，通常約為22 ns。較短的弛豫時(shí)間使V:YAG更適合需要短脈沖持續(xù)時(shí)間和高重復(fù)率的應(yīng)用?。
V:YAG可飽和吸收體
物化性質(zhì)參數(shù)的表格對(duì)比
| 屬性 | Co:Spinel | V:YAG |
| 化學(xué)式 | Co2+:MgAl2O4 | V3+:Y3Al5O12 |
| 晶體結(jié)構(gòu) | 立方 | 立方– la3d |
| 密度 | 3,58 g/cm3 | 4,56 g/cm3 |
| 取向 | [100] or [111] < ±0.5° | <100> <+/-0.5° |
| 光密度 | 0.1-0.9 | 0.1-0.8 |
| 工作波長(zhǎng)范圍 | 1.2~1.6μm | 0.75～1.44μm |
| 吸收截面 | 3.5×10-19 cm2(at 1.54 μm) | 7.2×10-18cm2(at 1.34 μm) |
| 吸收系數(shù) | 0 ～ 7 cm-1 | 1.0cm-1 – 7.0cm-1 |
| 導(dǎo)熱系數(shù) | 17 Wm-1K-1 | 11.2 Wm-1K-1 |
| 損壞閾值 | >500 MW/cm2 | >500 MW/cm2 |
吸收譜圖對(duì)比
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鈷尖晶石吸收譜
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V YAG吸收譜
1.3μm被動(dòng)調(diào)Q激光器案例
鈷尖晶石
1999年，V.P.Mikhailov等人首先利用燈泵作為泵源,用Co2+:MgAI2O4晶體作為飽和吸收體,對(duì) Nd:YAIO3晶體的被動(dòng)調(diào)Q脈沖激光輸出。而后對(duì)Co2+:MgAL2O4晶體和 Co2+:LaMgAl11O19晶體做了比較研究，分別實(shí)現(xiàn)了 1.34 μm 和 1.5 μm 的被動(dòng)調(diào) Q脈沖輸出。利用Co2+:MgAl2O4晶體作為飽和吸收體的1.34μm 激光器脈沖寬度為110ns，單脈沖能量為10mJ。
2011年，Y. Liu等利用 Co2+:MgAl2O4（Co2+:MALO）晶體作為可飽和吸收體，實(shí)現(xiàn)了二極管泵浦 1.34 μm Nd:GdVO4 激光器的無(wú)源 Q 開(kāi)關(guān)輸出。當(dāng)輸出鏡的透射率為 15%時(shí)，Q 開(kāi)關(guān)脈沖寬度為 110 ns，在 9.69 W 的泵浦功率下，相應(yīng)的平均輸出功率為 460 mW，光電轉(zhuǎn)換效率為 36%。在約 330 kHz 的重復(fù)頻率下，單個(gè) Q 開(kāi)關(guān)脈沖能量和峰值功率分別約為 1.39 μJ 和 12.6 W。
2017年，林等基于激光晶體 Nd∶GYSGG 和 平凹諧振腔,利用 Co∶MgAl2O4可飽和吸收體獲得 了脈寬為20.5ns、峰值功率為1319W 的1331.6nm 脈沖激光輸出。
2018年，林等采用 Nd∶YAG 晶體,利用簡(jiǎn)單緊湊的雙鏡諧振腔及 Co∶MgAl2O4可飽和吸收體，實(shí)現(xiàn)了1319nm被動(dòng)調(diào)Q脈沖激光的輸出，脈沖寬度僅有18.3ns,單脈沖能量為28.1μJ,峰值功率達(dá)到1533W。與其他V:YAG、Co:LMA及納米材料可飽和吸收體相比，Co:MgAI2O4:晶體在1.3μm波段具有良好的飽和吸收特性。
V:YAG
2005年，薛等使用T0為85%的V:YAG,獲得了平均功率輸出功率 96 mW,脈寬8.8ns,重復(fù)頻率 25kHz,峰值功率436W.脈沖能量3.84μJ的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
2011年，徐用LD泵浦Nd:GdVO4晶體、V:YAG被動(dòng)調(diào)Q1342nm激光運(yùn)轉(zhuǎn)，其中飽和吸收體V:YAG的小信號(hào)透過(guò)率為96%。在輸出合鏡透過(guò)率T=15%及泵浦功率7.93W情況時(shí)，得到了最短脈沖寬度80ns、最高峰值功率244W及最大單脈沖能量19.5μJ。
2016年，Teng Song等報(bào)道了激光二極管泵浦被動(dòng)調(diào)Q的Nd: GYSGG激光器在1331 nm的性能，該激光器采用V: YAG飽和吸收體。當(dāng)泵浦功率為11.75 W時(shí)，最大平均輸出功率為251mW。采用8.8%的輸出耦合器，最小脈沖寬度為23.9 ns，脈沖重復(fù)頻率為11 kHz，與峰值功率相對(duì)應(yīng)954 W。
參考文獻(xiàn)
- Saturable absorber Co2+:MgAl2O4 crystal for Q switching of 1.34-mm Nd3+:YAlO3 and 1.54-mm Er3+:glass lasers
- 440nm被動(dòng)調(diào)Q全固態(tài)激光器的研制
- 1.34 μm緊湊型高重頻被動(dòng)調(diào)Q固體激光器
- V:YAG– a new passive Q-switch for diode-pumped solid-state lasers
- Passive Q-switch performance at 1.3 μm (1.5 μm) and nonlinear spectroscopy of Co2+:MgAl2O4 and Co2+:LaMgAl11O19 crystals
- LD 泵浦摻釹晶體的脈沖激光特性研究
- Pulse Characteristics of Passively Q-Switched 1.34 μm Nd:GdVO4/Co2+:MgAl2O4 Laser
- Nd:GYSGG laser at 1331.6 nm passively Q-switched by a Co:MgAl2O4 crystal
- 基于Co:MgAl2O4晶體的被動(dòng)調(diào)Q1319nmNd:YAG激光器
- LD泵浦Nd:YVO4/V:YAG被動(dòng)調(diào)Q1.34μm 激光器
- LD 泵浦全固化 V:YAG 被動(dòng)調(diào)Q激光特性研究
- Passively Q-switched Nd:GYSGG laser operating at 1.3μm with V:YAG as saturable absorber
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