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【摘要】简要介绍了激光二极管泵浦微片激光器的特点及应用。系统介绍了掺 离子激光晶体材料作为激光增益介质的微片激光器的特点。重点介绍了国内外各种Yb：YAG微片激光器的研究现状，在此基础上，对 微片激光器的应用前景进行了分析。
【关键词】Yb：YAG微片激光器；激光晶体
1、微片激光器
激光二极管抽运的微片激光器具有结构简单、体积小型化、重量轻、光学系统集成化、可以实现高效率运转等优点，在激光雷达、光学医疗等领域成为比较有潜力的固体激光器件[1]。因此，近年来微片激光器的研究领域成为热点之一。
微片激光器的增益介质厚度通常为几百微米，直径为毫米量级[2]。由于微片激光器很薄，这会导致泵浦光的吸收效率降低，通常在谐振腔输出端面镀上泵浦光反射膜，使泵浦光能够被再次吸收。
微片激光器和普通的固体激光器一样可以在脉冲或连续状况下运行，可以利用主动调Q和被动调Q来获得脉冲输出。微片激光器可以获得峰值功率达数百瓦、重复频率达纳秒、单脉冲能量达微焦耳的调Q脉冲，在远程测量、微型手术等方面应用前景较好。
2、掺Yb3+离子的激光晶体材料作为增益介质的微片激光器研究现状
2.1掺Yb3+离子的激光晶体材料特点
实用化的激光晶体主要有Nd：YAG、Yb：YAG、等作为增益介质的激光晶体材料，是现阶段广泛研究的微片激光器。由于掺Nd3+离子的激光晶体材料的发射截面大、荧光寿命短、散热问题严重等，因此，掺Yb3+离子的激光晶体材料是目前广泛研究的微片激光器，它采用微片晶体作为增益介质，有利于实现激光器的小型化和集成化。下面介绍几种典型的掺Yb3+离子的激光晶体材料的特点。
Yb：YAG：该晶体用作激光增益介质时量子转换效率较高、具有宽的吸收带宽，对泵浦光的吸收系数大，可以做成薄片，有利于实现激光器的小型化。
Yb：YAB：该晶体属于四硼酸盐类化合物，是准四能级系统，是很好的自倍频激光晶体，具有大的非线性系数和热机械性能。当强光入射到晶体时，产生温度梯度，导致热膨胀系数也不同。
Yb：KYW：该晶体具有高的发射截面、发射带宽，对泵浦光（981nm）吸收截面大，适合于产生飞秒超短脉冲以及宽带调谐应用。但该晶体的荧光寿命小，不利于储能。
Yb：KGW：该晶体的吸收带较宽，是二极管泵浦固体激光器很适合的材料；具有大的发射截面和吸收截面，有利于泵浦光的吸收和发射，对微片激光器的发展有深远意义。
通过对上述几种掺Yb3+晶体的特点分析可以看出：掺Yb3+离子的激光晶体材料可以实现高浓度掺杂，增益介质可做成微片，是激光领域研究的重要晶体材料之一，推动着固体激光器跨越式的发展。
2.2Yb：YAG微片激光器的研究进展
由于Yb3+离子独特的光谱结构，使之广泛的应用到固体激光材料中。掺Yb3+离子激光晶体材料的发展与Yb：YAG激光晶体的发展密切相关。在20世纪六十年代人们开始发现掺Yb3+离子在某些晶体中的光谱特性，研究掺Yb3+离子激光晶体的序幕由此揭开。
国外的发展现状如下：
国外相对比较重视对Yb：YAG微片激光器的研究，2012年，LE Zapata等人对Yb：YAG激光器方面作了大量的研究，分析了基于低温复合技术掺Yb3+的钇铝石榴石激光啁啾脉冲放大器；同年，N Vretenar等人也开展了对Yb：YAG微片激光性能的讨论，使用新的两相喷雾冷却方式来冷却的Yb：YAG薄片激光器，一个系统依赖于R134a冷却，而另一个使用LN2。当Yb：YAG从室温冷却到更低温度时，在激光阈值从155W降到近10W，而斜率效率由54%增大到63%；2014年，E.A.PerevezentsevI等人研究低温纳秒的Yb：YAG微片激光器；2015年，M Hemmer等人，使用低温冷却的Yb：YAG微片激光器，提供能量高达160mJ脉冲，获得重复频率100Hz的优良的光束质量。
国内的发展现状如下：
2005年，清华大学精密仪器与机械系光子与电子技术研究中心的柳强等人，使用角抽运Yb：YAG激光器，获得了斜率效率达28%、最大连续功率为400w的激光输出；2007年，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的田玉冰等人设计了四程抽运的Yb：YAG激光器，当抽运功率达4.13w时，得到670mW的1030mm的输出激光；2009年，中国工程物理研究院激光聚变研究中心的蒋东镔等人，采用激光二极管阵列端面抽运片状Yb：YAG晶体，实现了1030nm的激光输出，当抽运能量为7.6J，输出耦合镜的反射率为73%时，1HZ重复频率输出稳定运行于2.43J，斜率效率为54.5%，光-光转换效率为32%，10Hz重复频率输出稳定运行于1.76J，斜率效率为43.3%，光-光转换效率为23.2%；2010年，西安建筑科技大学的李隆等人对高功率Yb：YAG微片激光器的热效应进行研究，采用光斑半径300μm、功率为50W的5阶超高斯光束端面抽运掺Yb3+原子分数0.08的Yb：YAG微片激光器，抽运面上获得52·180C的温升量，产生0.1195μm最大热形变，产生0.2152μm的附加光程差；2013年，厦门大学信息科学与技术学院程莹等人通过键合Yb：YAG激光陶瓷来强化Cr，Yb：YAG自调Q微片激光输出，当吸收抽运功率为7.1w 时，获得了0.53w的自调Q激光输出，对应光-光转换效率达7.5%，获得了脉冲能量大于25μJ、脉冲宽度小于3ns、峰值功率高达9km的自调Q激光脉冲输出；2015年，中国科学院西安光学精密机械研究所的王旭等人，使用LD泵浦的被动调QYb：YAG薄片激光器进行实验研究，实验中使用的Yb3+离子浓度为，晶体厚度为500μm，采用厚度800μm的sic冷却方式，获得了最高功率2.8w的1030nm连续激光输出。
3、结束语
固体微片激光器具有体积小巧、结构简单、高峰值功率等优点，采用Yb：YAG激光晶体作为增益介质的微片激光器的呈现出良好的发展势头。微片激光器在许多领域得到了广泛的应用，包括：激光雷达、半导体加工、激光划线、太阳能电池制造、激光打标、生物医疗、激光切割、激光测距等。因此，探索新型的高掺杂浓度的激光晶体，从而提高激光器的效率，开发其他多功能集成程度高的微片激光器成为今后Yb：YAG微片激光器的研究热点。
参考文献
[1]张志伟.薄片式激光器及其应用.强激光与粒子束，2005，17（4） 11～14
[2]柳强，巩马理等.角抽运Yb：YAG激光器.物理学报，2005，02
作者简介
于洪杰（1983-），姓名：女、籍贯（黑龙江省、齐齐哈尔）、齐齐哈尔工程学院讲师、硕士、研究方向：激光物理与新型激光器。
【关键词】Yb：YAG微片激光器；激光晶体
1、微片激光器
激光二极管抽运的微片激光器具有结构简单、体积小型化、重量轻、光学系统集成化、可以实现高效率运转等优点，在激光雷达、光学医疗等领域成为比较有潜力的固体激光器件[1]。因此，近年来微片激光器的研究领域成为热点之一。
微片激光器的增益介质厚度通常为几百微米，直径为毫米量级[2]。由于微片激光器很薄，这会导致泵浦光的吸收效率降低，通常在谐振腔输出端面镀上泵浦光反射膜，使泵浦光能够被再次吸收。
微片激光器和普通的固体激光器一样可以在脉冲或连续状况下运行，可以利用主动调Q和被动调Q来获得脉冲输出。微片激光器可以获得峰值功率达数百瓦、重复频率达纳秒、单脉冲能量达微焦耳的调Q脉冲，在远程测量、微型手术等方面应用前景较好。
2、掺Yb3+离子的激光晶体材料作为增益介质的微片激光器研究现状
2.1掺Yb3+离子的激光晶体材料特点
实用化的激光晶体主要有Nd：YAG、Yb：YAG、等作为增益介质的激光晶体材料，是现阶段广泛研究的微片激光器。由于掺Nd3+离子的激光晶体材料的发射截面大、荧光寿命短、散热问题严重等，因此，掺Yb3+离子的激光晶体材料是目前广泛研究的微片激光器，它采用微片晶体作为增益介质，有利于实现激光器的小型化和集成化。下面介绍几种典型的掺Yb3+离子的激光晶体材料的特点。
Yb：YAG：该晶体用作激光增益介质时量子转换效率较高、具有宽的吸收带宽，对泵浦光的吸收系数大，可以做成薄片，有利于实现激光器的小型化。
Yb：YAB：该晶体属于四硼酸盐类化合物，是准四能级系统，是很好的自倍频激光晶体，具有大的非线性系数和热机械性能。当强光入射到晶体时，产生温度梯度，导致热膨胀系数也不同。
Yb：KYW：该晶体具有高的发射截面、发射带宽，对泵浦光（981nm）吸收截面大，适合于产生飞秒超短脉冲以及宽带调谐应用。但该晶体的荧光寿命小，不利于储能。
Yb：KGW：该晶体的吸收带较宽，是二极管泵浦固体激光器很适合的材料；具有大的发射截面和吸收截面，有利于泵浦光的吸收和发射，对微片激光器的发展有深远意义。
通过对上述几种掺Yb3+晶体的特点分析可以看出：掺Yb3+离子的激光晶体材料可以实现高浓度掺杂，增益介质可做成微片，是激光领域研究的重要晶体材料之一，推动着固体激光器跨越式的发展。
2.2Yb：YAG微片激光器的研究进展
由于Yb3+离子独特的光谱结构，使之广泛的应用到固体激光材料中。掺Yb3+离子激光晶体材料的发展与Yb：YAG激光晶体的发展密切相关。在20世纪六十年代人们开始发现掺Yb3+离子在某些晶体中的光谱特性，研究掺Yb3+离子激光晶体的序幕由此揭开。
国外的发展现状如下：
国外相对比较重视对Yb：YAG微片激光器的研究，2012年，LE Zapata等人对Yb：YAG激光器方面作了大量的研究，分析了基于低温复合技术掺Yb3+的钇铝石榴石激光啁啾脉冲放大器；同年，N Vretenar等人也开展了对Yb：YAG微片激光性能的讨论，使用新的两相喷雾冷却方式来冷却的Yb：YAG薄片激光器，一个系统依赖于R134a冷却，而另一个使用LN2。当Yb：YAG从室温冷却到更低温度时，在激光阈值从155W降到近10W，而斜率效率由54%增大到63%；2014年，E.A.PerevezentsevI等人研究低温纳秒的Yb：YAG微片激光器；2015年，M Hemmer等人，使用低温冷却的Yb：YAG微片激光器，提供能量高达160mJ脉冲，获得重复频率100Hz的优良的光束质量。
国内的发展现状如下：
2005年，清华大学精密仪器与机械系光子与电子技术研究中心的柳强等人，使用角抽运Yb：YAG激光器，获得了斜率效率达28%、最大连续功率为400w的激光输出；2007年，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的田玉冰等人设计了四程抽运的Yb：YAG激光器，当抽运功率达4.13w时，得到670mW的1030mm的输出激光；2009年，中国工程物理研究院激光聚变研究中心的蒋东镔等人，采用激光二极管阵列端面抽运片状Yb：YAG晶体，实现了1030nm的激光输出，当抽运能量为7.6J，输出耦合镜的反射率为73%时，1HZ重复频率输出稳定运行于2.43J，斜率效率为54.5%，光-光转换效率为32%，10Hz重复频率输出稳定运行于1.76J，斜率效率为43.3%，光-光转换效率为23.2%；2010年，西安建筑科技大学的李隆等人对高功率Yb：YAG微片激光器的热效应进行研究，采用光斑半径300μm、功率为50W的5阶超高斯光束端面抽运掺Yb3+原子分数0.08的Yb：YAG微片激光器，抽运面上获得52·180C的温升量，产生0.1195μm最大热形变，产生0.2152μm的附加光程差；2013年，厦门大学信息科学与技术学院程莹等人通过键合Yb：YAG激光陶瓷来强化Cr，Yb：YAG自调Q微片激光输出，当吸收抽运功率为7.1w 时，获得了0.53w的自调Q激光输出，对应光-光转换效率达7.5%，获得了脉冲能量大于25μJ、脉冲宽度小于3ns、峰值功率高达9km的自调Q激光脉冲输出；2015年，中国科学院西安光学精密机械研究所的王旭等人，使用LD泵浦的被动调QYb：YAG薄片激光器进行实验研究，实验中使用的Yb3+离子浓度为，晶体厚度为500μm，采用厚度800μm的sic冷却方式，获得了最高功率2.8w的1030nm连续激光输出。
3、结束语
固体微片激光器具有体积小巧、结构简单、高峰值功率等优点，采用Yb：YAG激光晶体作为增益介质的微片激光器的呈现出良好的发展势头。微片激光器在许多领域得到了广泛的应用，包括：激光雷达、半导体加工、激光划线、太阳能电池制造、激光打标、生物医疗、激光切割、激光测距等。因此，探索新型的高掺杂浓度的激光晶体，从而提高激光器的效率，开发其他多功能集成程度高的微片激光器成为今后Yb：YAG微片激光器的研究热点。
参考文献
[1]张志伟.薄片式激光器及其应用.强激光与粒子束，2005，17（4） 11～14
[2]柳强，巩马理等.角抽运Yb：YAG激光器.物理学报，2005，02
作者简介
于洪杰（1983-），姓名：女、籍贯（黑龙江省、齐齐哈尔）、齐齐哈尔工程学院讲师、硕士、研究方向：激光物理与新型激光器。