1.3um波段處于石英光纖的低損耗區(qū)并臨近零色散區(qū),同時對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、光學遙感等領(lǐng)域有著廣泛的應用。另外,1.3um波段激光通過二倍頻獲得的紅光激光和通過三倍頻獲得的藍光激光在激光顯示領(lǐng)域也有著重要的應用。再者1.3μm波段激光還可通過受激拉曼散射產(chǎn)生1.5um波段人眼安全激光,其在激光雷達、自由空間光通信等領(lǐng)域有著重要應用。特別地,1314nm的二次諧波(657nm)和四次諧波(328nm)可分別應用于鈣原子光鐘和銀原子光鐘,提供了更高精度的時間頻率標準。
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 1.2到1.6 mm 的激光發(fā)射，特別適用于對人眼安全的波長1.54 mm Er:glass激光器，同時也可以工作在波長1.44 μm與 1.34 μm。大吸收截面(3.5±0.6×10-19cm2)可以實現(xiàn)閃光燈和二極管泵浦的Er:glass激光器的被動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Q調(diào)節(jié)具有高對比度，原始飽和吸收率(小信號)大于10。Co:MgAl2O4晶體是1.5μm人眼安全波段最理想的被動調(diào)Q開關(guān)，同時在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。兩個截面的比值為2.95，有利于被動調(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。
- 弛豫時間：Co2?: MgAl2O4中的弛豫時間較長，約為350 ns。這種較長的弛豫時間使其更適合需要較大脈沖能量的應用。
- 飽和強度：雖然Co:MgAl2O4的飽和截面較低，但其高飽和強度使其適用于高強度激光應用。與其他材料（如V:YAG）相比，Co:MgAl2O4晶體的飽和強度約為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個吸收峰，實驗證明其在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，即對應的激發(fā)態(tài)再吸收損耗小。它的恢復時間較短,為22±6ns，合理設計腔型可獲得調(diào) Q 鎖模運轉(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在類似波長下具有更高的吸收率。
- 弛豫時間：V:YAG的弛豫時間遠短于Co:MgAl2O4，通常約為22 ns。較短的弛豫時間使V:YAG更適合需要短脈沖持續(xù)時間和高重復率的應用?。
V:YAG可飽和吸收體
物化性質(zhì)參數(shù)的表格對比
| 屬性 | Co:Spinel | V:YAG |
| 化學式 | 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 Nd:YAIO3晶體的被動調(diào)Q脈沖激光輸出。而后對Co2+:MgAL2O4晶體和 Co2+:LaMgAl11O19晶體做了比較研究，分別實現(xiàn)了 1.34 μm 和 1.5 μm 的被動調(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，實現(xiàn)了二極管泵浦 1.34 μm Nd:GdVO4 激光器的無源 Q 開關(guān)輸出。當輸出鏡的透射率為 15%時，Q 開關(guān)脈沖寬度為 110 ns，在 9.69 W 的泵浦功率下，相應的平均輸出功率為 460 mW，光電轉(zhuǎn)換效率為 36%。在約 330 kHz 的重復頻率下，單個 Q 開關(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,利用簡單緊湊的雙鏡諧振腔及 Co∶MgAl2O4可飽和吸收體，實現(xiàn)了1319nm被動調(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,重復頻率 25kHz,峰值功率436W.脈沖能量3.84μJ的實驗結(jié)果。
2011年，徐用LD泵浦Nd:GdVO4晶體、V:YAG被動調(diào)Q1342nm激光運轉(zhuǎn)，其中飽和吸收體V:YAG的小信號透過率為96%。在輸出合鏡透過率T=15%及泵浦功率7.93W情況時，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等報道了激光二極管泵浦被動調(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。當泵浦功率為11.75 W時，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，脈沖重復頻率為11 kHz，與峰值功率相對應954 W。
參考文獻
- Saturable absorber Co2+:MgAl2O4 crystal for Q switching of 1.34-mm Nd3+:YAlO3 and 1.54-mm Er3+:glass lasers
- 440nm被動調(diào)Q全固態(tài)激光器的研制
- 1.34 μm緊湊型高重頻被動調(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晶體的被動調(diào)Q1319nmNd:YAG激光器
- LD泵浦Nd:YVO4/V:YAG被動調(diào)Q1.34μm 激光器
- LD 泵浦全固化 V:YAG 被動調(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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