摻釹釩酸釔晶體的光物理學特性及應用

常志揚

摘 要 近幾年，隨著科學技術的不斷發展，人們對稀土離子激光新材料和半導體激光器的研究更加深入，同時，也更加注重研究緊湊全固化稀土離子激光器，這些都促進了固體激光和上轉換激光器的發展和進步。釩酸釔晶體的物理特性和機械性都相對較好，屬于比較熱門和新型的激光晶體，與之相比，摻釹釩酸釔晶體的優越性更加突出，是一種非常優質的激光晶體，且應用前景非常廣泛。本文就主要探討了摻釹釩酸釔晶體的光物理學特性和具體應用，以供參考。

關鍵詞 摻釹釩酸釔晶體；光物理學特性；應用

中圖分類號 O4 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）17-0006-01

20世紀中葉，光物理領域的研究核心逐步轉移到激光方面，且不斷涌現新效應和新現象，光物理成為近代物理學的重要學科之一，同時也逐漸成為許多重要學科的理論基礎，如高技術光電子產業等，而其中最為前沿的就是對上轉換發光的研究。

1 頻率上轉換技術的概述和發展

所謂頻率上轉換，就是指與泵浦光的光子頻率相比，發射光的光子頻率更大的現象，主要是利用上轉換材料將光子由低能量轉變為高能量，并輻射出材料的過程。早在20世紀40年代，人們就發現了頻率上轉換，50年代開始研究稀土離子上轉換，待到60年代，研究者通過進一步研究頻率上轉換，來不斷提高紅外探測器的靈敏度，以滿足軍事上的夜用等需要。70年代第一次出現了上轉換激光，但是其不但需要低溫條件，總體效率也相對較低，所以重視程度并不高。80年代，物理學家通過運用稀土離子上轉換效應，將藍、綠、紅的全部可見光波長范圍加以覆蓋，輸出的上轉換激光不但輸出效率非常高，而且室溫運轉具備連續性。進入21世紀以來，激光材料和激光技術飛速發展，這也帶動了信息處理、水下通訊、表面處理、視頻顯示以及數據儲存等各種技術的發展和進步，對可見光波長激光光源的需求也更加追求高性能、低成本和高效率，由于頻率上轉換技術的優勢就在于穩定、緊湊、低價、高效以及全固態激光器，所以一躍成為激光技術發展的研究重點。

頻率上轉換材料直接決定了頻率上轉換的效率和實現，而目前最常用的頻率上轉換材料就是發光中心為稀土離子的摻雜化合物。

2 摻釹釩酸釔晶體的概述及優勢

1962年，物理學家范第一次運用降溫法在偏釩酸鈉熔體中提取出摻釹釩酸釔晶體，1964年，鉑爾曼等人正式取得該方法的專利，但這種方法的缺點在于生長的晶體都非常小。1966年，范和魯賓第一次運用CZ技術生長出相對較大的摻釹釩酸釔晶體，1年后戴斯等人也陸續發表了運用CZ技術生長摻釹釩酸釔晶體的期刊和論文。之后，陸續有人先后通過火焰熔融法、浮區生長法以及布里曼生長法成功生長出了摻釹釩酸釔晶體。但是20世紀末，由于嚴重的燈泵浦下晶體效應和較大的晶體生長難度，嚴重影響了摻釹釩酸釔晶體的發展，直到90年代，我國物理研究所利用高頻感應加熱，根據熔體提拉法對單晶生長進行了研究。

隨著全球光通訊產業的發展和LD泵浦源的出現，對于釩酸釔的應用不但技術條件更加先進，而且市場前景更加廣闊，摻釹釩酸釔晶體的生長方法也更加多樣。進入21世紀以后，釩酸釔晶體是釩酸鹽晶體中價值最高，研究最多的晶體，其形狀為四方形，結構類似于皓英石，呈現D4h的晶體空間群，是一種優良性能的雙折射單軸晶體，具有非常突出的透光性能，高度光學透明性的光譜范圍可以達到40nm至5 000nm，可以用來作為偏振器、熒光劑和激光基質材料。

1988年，美國首次將釩酸釔晶體在光纖通訊領域應用，且在0.5nm～3nm的波長范圍內代替方解石和金紅石作為偏振器，釩酸釔晶體的化學穩定性、機械性以及激光損傷閾值都相對較高，且激光發射截面大、泵浦閾值低，屬于熱門的新型激光晶體材料。

摻雜稀土離子的釩酸釔晶體的應用性質也非常優良，濃度不同的稀土離子摻入的釩酸釔晶體，不但閾值較低，而且非常高效。目前而言，基質為摻釹釩酸釔晶體的激光晶體中，摻釹釩酸釔晶體是研究最多的晶體，這種晶體不但具備較大的激光發射截面，而且泵浦閾值較低，能夠連續運轉1.06nm和1.34nm的激光。

3 摻釹釩酸釔晶體的研究和應用

20世紀60年代，紅寶石激光器正式出現，這也在一定程度上推動了固體激光器的發展，但是早期的固體激光器主要使用了閃光燈泵浦，所以熱效應和效率都相對較低，很大程度上限制了固體激光器的應用和研究。直到80年代末，隨著激光二極管性能的不斷完善，才推動了二極管泵浦固體激光器的產生和發展，這種固體激光器的優勢表現為壽命較長、穩定性高以及效率較高，進一步復興和推動了固體激光器的發展。

國內外很多學者都針對摻釹釩酸釔晶體進行了研究，例如，P.K等人通過研究發現，摻釹釩酸釔晶體進行被動調Q綠光激光器時，綠光輸出的平均功率高于36瓦，調Q脈沖的脈寬是65納秒，重復頻率為400兆赫，最大峰值功率是2kW。

近幾年，在激光器件領域，已經開始流行在研制高效率的小型固體激光器件時將激光二極管作為泵浦源，適合激光二極管泵浦的激光晶體非常多，其中最適合用于激光二極管泵浦中小功率激光器的工作材料就是摻釹釩酸釔晶體，這種晶體不但吸收系數和發射截面較大，而且吸收帶相對較寬。同時，隨著技術的不斷發展，已經可以盡量將激光晶體由于吸收抽運而產生的晶體熱透鏡效應消除，進一步推動了摻釹釩酸釔晶體應用于越來越多的大功率全固態激光器?；诩す舛O管泵浦的摻釹釩酸釔晶體全固態激光器的應用潛力非常廣闊，國內外都加強了對該晶體的研究，不斷提高其輸出功率和整體效率。

隨著上轉換材料和半導體激光的進一步發展，對于頻率上轉換的研究也更加深入，同時在激光器緊湊全固化的發展過程中，上轉換激光器是重要發展方向，也是潛力巨大的緊湊綠激光器和藍激光器的重要方案，同時在很大程度上避免了半導體激光器發展為短波長方向，更是推動了信息技術、光盤技術、彩色打印技術以及彩色顯示技術等新興技術的發展。大量研究表明，摻釹釩酸釔晶體不但振子強度非常高，而且具備多生子無輻射領域中專有的上轉換發光性能，同時摻釹釩酸釔晶體的斜率效率非常高，與摻釹釔鋁石榴石相比，摻釹釩酸釔晶體的所需閾值功率僅是其一半，而在1.06mm位置的受激截面積是其4倍左右，在1.44mm位置的激光截面是其18倍左右，由此可見，摻釹釩酸釔晶體作為激光晶體的話具備非常明顯的優勢和特點，這也為其進一步研究和應用提供了基礎。

4 結論

綜上所述，摻釹釩酸釔晶體屬于非常優質的激光晶體之一，其優越性不可替代，無論在頻率上轉換激光方面，還是在二極管激光泵浦倍頻方面，應用價值都非常突出，同時，隨著綠激光器和藍激光器的飛速發展，摻釹釩酸釔晶體已經可以在激光通訊、彩色打印、光盤技術、激光印刷以及激光測距等諸多領域加以應用，無論發展潛力和應用前景都非常廣泛。

參考文獻

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