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激光二极管抽运的被动调Q固态激光器近年来已成为人们研究的热点。利用被动调Q技术,人们可以在结构简单紧凑、成本低廉的激光系统中获得稳定可靠的短脉冲、高峰值功率的激光脉冲输出。这类被动调Q激光器在通讯、工业、医疗、军事及基础科研等领域,都有广阔的应用前景。
Cr4+:GSGG和Co2+:Mg0.4Al2.4O4这两种新型晶体材料,可以分别作为1.06μm和1.5μm波段的被动调Q开关。与传统的Cr4+:YAG被动调Q晶体相比,Cr4+:GSGG晶体具有以下优势:在可见光部分是透明的(更有利于激光光路的校准),在1.06μm波段有更大的吸收系数,同时还具有较强的抗辐照能力。另一方面,由于CO2+:Mg0.4Al2.4O4晶体具有良好的机械、光学性能,较高的化学稳定性以及较大的基态吸收截面,因而可以作为1.5μm波段人眼安全激光的被动调Q开关。本论文系统的研究了这两种晶体的提拉法生长、晶体体结构及光学性能。主要内容如下:
1.通过不断优化生长工艺,我们采用提拉法成功生长出了Cr,Mg:GSGG和Cr,Ca:GSGG晶体。四面体配位四价Cr4+离子是通过共掺的二价阳离子Mg2+或Ca2+作为电荷补偿的形式获得的。通过ICP测试,得知晶体中Cr离子的分凝系数约为0.93。实验发现在Cr,Mg:GSGG晶体中,随着Mg2+浓度的增大,1.06μm处的吸收系数明显增大,这说明Mg2+的浓度一定程度上决定了四面体配位Cr4+浓度的多少,我们还对比分析了原生Cr,Mg:GSGG晶体与氧化气氛退火和还原气氛退后的Cr,Mg:GSGG晶体样品的吸收光谱。实验发现,氧化气氛退火时随着退火温度的升高,1.06μm处的吸收系数在750℃～900℃这个温度范围内迅速增加,随后又趋于饱和。我们认为这是由于退火的过程中,四价Cr4+离子首先在八面体格位上形成,然后在热激发的作用下快速向邻近四而体格位转变,最终两种格位的Cr4+离子浓度又达到热平衡造成的。在Cr,Ca:GSGG晶体的退火实验中我们也发现了相似的现象。
2.采用提拉法成功生长出了蓝色透明、无开裂及散射核心的高光学质量Co2+:Mg0.4Al2.4O4晶体。Mg0.4Al2.4O4属四方尖晶石系列晶体,空间群为Fd3m(227),掺杂的CO2+离子将占据晶体中四面体配位的Mg2+离子格位。在近红外1.1-1.7μm波段的宽带吸收是由电偶极跃迁允许的4A2→4T2(4F)能级之间的跃迁引起的。我们首次采用CO2+:Mg0.4Al2.4O4晶体对二极管泵浦的Er:glass激光介质实现了被动调Q激光运转。实验中我们获得了脉宽为3.5ns,脉冲能量为4.8μJ,峰值功率为1.37kW的脉冲激光输出。