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2μm固体激光材料与激光器的发展

2021-01-09

  与气体激光器相比,半导体泵浦固体激光器具有体积小、重量轻、供电简单、结构紧凑、便于携带、便于维护和操作等优点。现在已用作手术治疗、肌肉组织焊接、牙科治疗、光镇痛和光针灸等领域。2μm波段恰恰处于水分子的吸收峰,输出波长为2μm的固体激光器是激光手术的最佳波长。与通常的Nd:YAG激光(1.064μm)相比,人体对2μm激光的吸收效果更好,激光切割能力大大提高,尤其对敏感组织,如肝、胃、结肠等软组织的烧蚀利切割效果更加理想。此外石英光纤还可以传播2μm激光,这使得激光传导更加容易。目前半导体激光器泵浦的Ho∶YLF 2.12μm激光器已做成结构紧凑、维护容易、便携式的医用器械。虽然2μm激光器有着如此广泛而重要的应用前景,并且在相应领域已经得到了大范围的应用,但是对于二极管泵浦2μm固体激光器深入的研究并不是伴随着激光器的产生而开始的,其间经历了漫长的过程。
  2、国外2μm波段固体激光材料及激光器的发展状况
  (1)Ho:YAG激光器
  1965年Bell实验室Johnson等人首先报道了Ho:YAG在液氮温度下实现振荡,使用的晶体用熔盐法生长,晶体长度25mm,输出三种不同的激光波长。输出波长2.0975μm时,脉冲阈值为44J;输出波长2.0914μm时,脉冲阈值为1760J;输出波长2.1223μm时,脉冲阈值为410J。高阈值限制了Ho:YAG的应用。
  (2)Er,Tm,Ho:YAG激光器
  Ho:YAG激光器泵浦效率低是由于Ho3+在YAG中只有几条弱吸收线。为了增加对灯泵能量的吸收,1966年Johnson等人采用Er3+和Tm3+来敏化Ho3+,由于它们吸收和传递泵浦能量,液氮温度下得到了5%的闪光灯泵浦效率和15W的连续激光输出。1975年,Beck等人报道了直径4mm,长度70mm的晶体在液氮温度下连续输出50W,斜率效率6.5%,使用钨卤素灯作泵浦源。1981年Barnes等人在液氮温度下实现了脉冲激光振荡和放大,TEM00模输出112mJ,斜率效率1.2%,放大输出235mJ。晶体直径4mm,长度56mm,晶体中Ho3+、Tm3+、Er3+和Y3+分别占0.021、0.037、0.616和0.326。
  (3)Tm,Ho:YAG激光器
  1987年Fan等人报道了用波长为781.5二极管激光器泵浦Tm,Ho:YAG获得室温连续输出,阈值4.4mW,斜率效率19%,输出波长2.074μm [5]。1990年Stoneman等人实现了Tm,Ho:YAG在2.09~2.12范围连续可调谐激光输出。晶体用引上法生长,Tm3+和Ho3+的含量分别为8.3×1020cm-3和6.9×1019cm-3。
  (4)Cr,Tm,Ho:YSGG激光器
  1986年Alpatev研制出Cr,Tm,Ho:YSGG(钇钪石榴石)激光晶体,并获得室温灯泵浦脉冲输出能量7.4J,斜率效率3.1%,输出波长2.088μm,并于1988年实现开关运行。其中晶体直径4mm,长度76mm,晶体中Cr3+、Tm3+、Ho3+的含量分别为2.5×1020cm-3、8×1020cm-3、5×1019cm-3。在室温下获得80mJ的电光调输出,此时的泵浦输入为125J,调阈值为60J。在转镜调时,获得280mJ的多峰光脉冲,500的总宽度,脉冲中含5~6个峰,峰-峰间隔2μm,每个峰半宽度为40~50。
  5)Cr,Tm,Ho:YAG激光器
  1988年ST Systems公司的Mark E.Storm 采用单椭圆腔,Cr3+、Tm3+、Ho3+浓度分别为2.7at%、5.8at%、0.36at%。晶体直径5mm,长度53mm。闪光灯内径4mm,闪光灯弧长50mm,闪光灯脉宽600us,全反镜曲率半径10m,输出镜透过率85%。在温度295K时,激光阈值25J,斜率效率2.3%。
  1989年美国海军研究实验室的G.J.Quarles等人采用67mm镀银椭圆腔和69mm漫反射腔,晶体直径5mm,长度76.2mm,Cr3+、Tm3+、Ho3+浓度分别为7.7×1019cm-3、8.0×1020cm-3、5.0×1019cm-3,氙灯充气压630Torr,闪光灯内径4mm,闪光灯弧长63.5mm,闪光灯脉宽540us,谐振腔长度为300mm,全反镜曲率半径为1m,输出镜透过率小于75%,输出波长为2.097μm。使用漫反腔得到了4.7%斜效率,阈值70J。使用镀银腔得到了5.1%斜效率,阈值38J[8]。同时从理论和实验上证明了YAG是Cr,Tm,Ho:YAG最好基质,Cr3+→Tm3+能量传递效率YAG高于YSAG和YSGG。
  1990年T.Becker等人报道了Cr,Tm,Ho:YAG激光器重频30Hz时的输出特性。Cr3+、Tm3+、Ho3+浓度分别为2at%、5at%和0.5at%。晶体直径分别为2.8mm、4mm和5mm,晶体长度为56mm,谐振腔腔长300mm,全反镜半径1m,输出镜透过率15%。闪光灯内径为4mm,弧长76mm,放电脉宽500μm。在20oC时,直径2.8mm晶体的效率比其它两种高,在重频21Hz时,斜效率1.6%,同时获得了6.5W的输出;在重频30Hz时,得到2W输出。
  1991年美国海军研究实验室采用单椭圆镀银腔,晶体直径5mm,长度67mm,Cr3+、Tm3+、Ho3+浓度分别为0.8at%、6.0at%、0.4at%,氙灯充气压450Torr,闪光灯内径5mm,闪光灯弧长63mm,闪光灯脉宽290μs,谐振腔长度为290mm,全反镜曲率半径为0.5m,输出镜透过率20%,水温20oC,重频1Hz时,得到最佳斜率效率。同时,研究了调的特性,发现开关的Cr,Tm,Ho:YAG效率几乎比长脉冲Cr,Tm,Ho:YAG低一个数量级,得到了2.121μm增益系数为0.07cm-1,估计调在2.121μm的增益系数为0.02~0.07cm-1。
  1994年W.Zendzian等人报道了闪光灯泵浦的Cr,Tm,Ho:YAG激光器。注入能量110J时,得到了17W的输出,斜效率为2%,同时从理论和实验上验证了热焦距对M2参数的影响。

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