Yb:CALGO晶体性能与浓度判断：

吸收系数 vs. 掺杂浓度

1.引言

Yb:CALGO晶体因其优异的热学和光谱性质，成为高功率超快激光系统中的理想增益介质。其宽带发射特性使其能够支持超短脉冲的产生，而高热导率则有助于在高功率泵浦下保持稳定的激光输出。

Yb:CALGO晶体的掺杂浓度由于原料配比与最后成品之间的浓度存在差异，导致按照传统晶体评估浓度的方法存在局限性，无法准确反映晶体在实际应用中的表现。芯飞睿凭借着多年对于Yb:CALGO晶体的研究，认为应采用980 nm处的吸收系数来评估Yb:CALGO晶体的性能与实际浓度，能够更加直接地反映晶体在泵浦光作用下的吸收效率和激光性能。

 

 2.Yb:CALGO晶体特性

2.1 结构与组成

Yb:CALGO晶体属于四方晶系，其结构中Ca²⁺和Gd³⁺离子共享同一晶格位点，Yb³⁺离子可以替代这两种离子。这种结构导致了晶体的无序性，从而产生了宽的吸收和发射带，有利于超快激光的产生。

2.2 光谱性质

Yb:CALGO晶体在1 μm波段具有宽的吸收和发射带，特别是在980 nm附近有显著的吸收峰。这一吸收峰的位置与常用的高功率InGaAs二极管泵浦源的发射波长相匹配，使得Yb:CALGO晶体能够高效地吸收泵浦光，从而实现高功率激光输出。

3.吸收系数与掺杂浓度

3.1 传统掺杂浓度的局限性

传统的Yb:CALGO掺杂浓度是计算在晶体生长过程中添加的Yb³⁺离子的摩尔分数。然而，实际晶体中的Yb³⁺离子浓度可能因分凝系数、生长条件等因素而与理论掺杂浓度存在差异。例如X. H. Liu 的“Research progress of Yb:CaGdAlO4 crystal and its ultrafast laser technology”一文中提到Yb的分凝系数约为0.6，实际生长的晶体中Yb离子掺杂浓度可能低于配料掺杂浓度。此外，晶体中的缺陷、杂质和生长过程中的不均匀性也会影响掺杂浓度的分布，从而导致基于掺杂浓度的性能评估不准确。

3.2 980 nm处吸收系数的优势

980 nm作为Yb:CALGO晶体的吸收峰峰值，因此980nm处的吸收系数直接反映了Yb:CALGO在泵浦光作用下的吸收效率。吸收系数越高意味着晶体能够更有效地吸收泵浦光，相应地激光输出功率和效率也会更高。

芯飞睿通过测量980 nm处的吸收系数，可以更准确地评估晶体的实际性能，包括增益系数、激光阈值和输出功率等。此外，吸收系数的测量方法相对简单，可以通过光谱分析仪直接测量，具有较高的重复性和可靠性。

 

4.实验与结果

4.1实验方法

为了验证980 nm处吸收系数在评估Yb:CALGO晶体性能中的有效性，我们参考了.J. Boudeile的“Continuous-wave and femtosecond laser operation of Yb:CaGdAlO4 under high-power diode pumping”和A. Jaffrès的“Yb:CALGO as material for high-power ultrafast laser and focus on thermal conductivity variation”等参考文献中的实验方法：

1.采用提拉法（Czochralski法）生长不同掺杂浓度的Yb:CALGO晶体，掺杂浓度分别为2%、5%和10%; 2.使用光谱分析仪测量980 nm处的吸收系数; 3.激光性能测试：在相同的泵浦条件下，测试不同晶体的激光输出功率、脉冲宽度和光束质量。

4.2 结果分析

参考文献中的实验结果表明，980 nm处的吸收系数与激光性能密切相关。具体结果如下：

1.吸收系数与输出功率：980 nm处吸收系数较高的晶体在相同的泵浦条件下表现出更高的输出功率。例如，文献 [1] 中2%掺杂浓度的晶体在980 nm处的吸收系数为7 cm⁻¹，输出功率为11.1 W；而5%掺杂浓度的晶体在980 nm处的吸收系数为1.2 cm⁻¹，输出功率为16.5 W。

2.吸收系数与脉冲宽度：吸收系数较高的晶体能够支持更短的脉冲宽度。例如，文献 [2] 中2%掺杂浓度的晶体在980 nm处的吸收系数为7 cm⁻¹，脉冲宽度为47 fs；而5%掺杂浓度的晶体在980 nm处的吸收系数为1.2 cm⁻¹，脉冲宽度为32 fs。

3.吸收系数与光束质量：吸收系数较高的晶体在光束质量上也表现出更好的性能。例如，文献 [3] 中2%掺杂浓度的晶体在980 nm处的吸收系数为7 cm⁻¹，光束质量因子M²为1.2；而5%掺杂浓度的晶体在980 nm处的吸收系数为1.2 cm⁻¹，光束质量因子M²为1.1。

 

 5.结论

通过对比分析，本文证明了980 nm处的吸收系数在评估Yb:CALGO晶体性能中的优势。与传统的掺杂浓度相比，吸收系数能够更直接、更准确地反映晶体在实际应用中的表现。高吸收系数的晶体在输出功率、脉冲宽度和光束质量等方面均表现出优异的性能。

因此，建议在Yb:CALGO晶体的研究与应用中，优先采用980 nm处的吸收系数来评估晶体的性能与实际浓度，以提高评估的准确性和可靠性。

 

参考文献

1.J. Boudeile, F. Druon, M. Hanna, et al., “Continuous-wave and femtosecond laser operation of Yb:CaGdAlO4 under high-power diode pumping,” Opt. Lett. 32(14), 1962–1964 (2007).

2.A. Jaffrès, S. Ricaud, A. Suganuma, B. Viana, P. Loiseau, P. Georges, and F. Druon, “Yb:CALGO as material for high power ultrafast laser and focus on thermal conductivity variation,” Proc. SPIE 8621, 86211S (2013).

3.X. H. Liu, J. F. Li, Z. J. Zhu, C. Y. Tu, G. Y. Wang, J. F. Yang, J. F. Zhu, and Y. Wang, “Research progress of Yb:CaGdAlO4 crystal and its ultrafast laser technology,” Journal of Synthetic Crystals, vol. 52, no. 7, pp. 1195-1207(2023).

4.F. Trawi, J. Drs, M. Müller, M. Hamrouni, V. J. Wittwer, and T. Südmeyer, “Sub-30-fs Yb:CALGO laser oscillator based on cross-polarized multi-mode diode pumping,” Opt. Express 32(21), 37897–37904 (2024).

5.A. Agnesi, A. Greborio, F. Pirzio, G. Reali, J. Aus der Au, and A. Guandalini, “40-fs Yb3+:CaGdAlO4 laser pumped by a single-mode 350-mW laser diode,” Opt. Express 20(9), 10077–10082 (2012).