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解決方案
2μm固體激光材料與激光器的發展
2021-01-09
與氣體激光器相比，半導體泵浦固體激光器具有體積小、重量輕、供電簡單、結構緊湊、便于攜帶、便于維護和操作等優點。現在已用作手術治療、肌肉組織焊接、牙科治療、光鎮痛和光針灸等領域。2μm波段恰恰處于水分子的吸收峰，輸出波長為2μm的固體激光器是激光手術的最佳波長。與通常的Nd:YAG激光(1.064μm)相比，人體對2μm激光的吸收效果更好，激光切割能力大大提高，尤其對敏感組織，如肝、胃、結腸等軟組織的燒蝕利切割效果更加理想。此外石英光纖還可以傳播2μm激光，這使得激光傳導更加容易。目前半導體激光器泵浦的Ho∶YLF 2.12μm激光器已做成結構緊湊、維護容易、便攜式的醫用器械。雖然2μm激光器有著如此廣泛而重要的應用前景，并且在相應領域已經得到了大范圍的應用，但是對于二極管泵浦2μm固體激光器深入的研究并不是伴隨著激光器的產生而開始的，其間經歷了漫長的過程。
2、國外2μm波段固體激光材料及激光器的發展狀況
（1）Ho:YAG激光器
1965年Bell實驗室Johnson等人首先報道了Ho:YAG在液氮溫度下實現振蕩，使用的晶體用熔鹽法生長，晶體長度25mm，輸出三種不同的激光波長。輸出波長2.0975μm時，脈沖閾值為44J；輸出波長2.0914μm時，脈沖閾值為1760J；輸出波長2.1223μm時，脈沖閾值為410J。高閾值限制了Ho:YAG的應用。
（2）Er,Tm,Ho:YAG激光器
Ho:YAG激光器泵浦效率低是由于Ho3+在YAG中只有幾條弱吸收線。為了增加對燈泵能量的吸收，1966年Johnson等人采用Er3+和Tm3+來敏化Ho3+，由于它們吸收和傳遞泵浦能量，液氮溫度下得到了5％的閃光燈泵浦效率和15W的連續激光輸出。1975年，Beck等人報道了直徑4mm，長度70mm的晶體在液氮溫度下連續輸出50W，斜率效率6.5％，使用鎢鹵素燈作泵浦源。1981年Barnes等人在液氮溫度下實現了脈沖激光振蕩和放大，TEM00模輸出112mJ，斜率效率1.2％，放大輸出235mJ。晶體直徑4mm，長度56mm，晶體中Ho3+、Tm3+、Er3+和Y3+分別占0.021、0.037、0.616和0.326。
（3）Tm,Ho:YAG激光器
1987年Fan等人報道了用波長為781.5二極管激光器泵浦Tm,Ho:YAG獲得室溫連續輸出，閾值4.4mW，斜率效率19％，輸出波長2.074μm [5]。1990年Stoneman等人實現了Tm,Ho:YAG在2.09～2.12范圍連續可調諧激光輸出。晶體用引上法生長，Tm3+和Ho3+的含量分別為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（釔鈧石榴石）激光晶體，并獲得室溫燈泵浦脈沖輸出能量7.4J,斜率效率3.1％，輸出波長2.088μm，并于1988年實現開關運行。其中晶體直徑4mm，長度76mm，晶體中Cr3+、Tm3+、Ho3+的含量分別為2.5×1020cm-3、8×1020cm-3、5×1019cm-3。在室溫下獲得80mJ的電光調輸出，此時的泵浦輸入為125J，調閾值為60J。在轉鏡調時，獲得280mJ的多峰光脈沖，500的總寬度，脈沖中含5～6個峰，峰-峰間隔2μm，每個峰半寬度為40～50。
5）Cr,Tm,Ho:YAG激光器
1988年ST Systems公司的Mark E.Storm 采用單橢圓腔,Cr3+、Tm3+、Ho3+濃度分別為2.7at%、5.8at%、0.36at%。晶體直徑5mm，長度53mm。閃光燈內徑4mm，閃光燈弧長50mm，閃光燈脈寬600us，全反鏡曲率半徑10m，輸出鏡透過率85％。在溫度295K時，激光閾值25J,斜率效率2.3％。
1989年美國海軍研究實驗室的G.J.Quarles等人采用67mm鍍銀橢圓腔和69mm漫反射腔，晶體直徑5mm，長度76.2mm，Cr3+、Tm3+、Ho3+濃度分別為7.7×1019cm-3、8.0×1020cm-3、5.0×1019cm-3,氙燈充氣壓630Torr，閃光燈內徑4mm，閃光燈弧長63.5mm，閃光燈脈寬540us，諧振腔長度為300mm，全反鏡曲率半徑為1m，輸出鏡透過率小于75％，輸出波長為2.097μm。使用漫反腔得到了4.7％斜效率，閾值70J。使用鍍銀腔得到了5.1％斜效率，閾值38J[8]。同時從理論和實驗上證明了YAG是Cr,Tm,Ho:YAG最好基質,Cr3+→Tm3+能量傳遞效率YAG高于YSAG和YSGG。
1990年T.Becker等人報道了Cr,Tm,Ho:YAG激光器重頻30Hz時的輸出特性。Cr3+、Tm3+、Ho3+濃度分別為2at%、5at%和0.5at%。晶體直徑分別為2.8mm、4mm和5mm，晶體長度為56mm，諧振腔腔長300mm，全反鏡半徑1m，輸出鏡透過率15％。閃光燈內徑為4mm，弧長76mm，放電脈寬500μm。在20oC時，直徑2.8mm晶體的效率比其它兩種高，在重頻21Hz時，斜效率1.6％，同時獲得了6.5W的輸出；在重頻30Hz時，得到2W輸出。
1991年美國海軍研究實驗室采用單橢圓鍍銀腔，晶體直徑5mm，長度67mm，Cr3+、Tm3+、Ho3+濃度分別為0.8at%、6.0at%、0.4at%,氙燈充氣壓450Torr，閃光燈內徑5mm，閃光燈弧長63mm，閃光燈脈寬290μs，諧振腔長度為290mm，全反鏡曲率半徑為0.5m，輸出鏡透過率20％,水溫20oC，重頻1Hz時，得到最佳斜率效率。同時，研究了調的特性，發現開關的Cr,Tm,Ho:YAG效率幾乎比長脈沖Cr,Tm,Ho:YAG低一個數量級，得到了2.121μm增益系數為0.07cm-1,估計調在2.121μm的增益系數為0.02～0.07cm-1。
1994年W.Zendzian等人報道了閃光燈泵浦的Cr,Tm,Ho:YAG激光器。注入能量110J時，得到了17W的輸出，斜效率為2％，同時從理論和實驗上驗證了熱焦距對M2參數的影響。
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