Yb:YAG晶體，即摻鐿的釔鋁石榴石晶體，因其卓越的物理特性在科研領域中扮演著越來越重要的角色。Yb:YAG作為特殊的激光工作物質，不僅繼承了YAG基質材料的優良物理性質和穩定化學性能，而且因其更高的激光上能級壽命，展現出良好的激光工作性能。在相同的半導體泵浦功率下，Yb:YAG的每單位泵浦功率熱負荷僅為Nd:YAG的三分之一，這使得其在高功率激光操作中具有更優良的散熱性能，有效減少了熱效應對激光輸出的影響[1]。以下是幾個在科研工作中Yb:YAG晶體關鍵應用場景：
1. 高重頻全固態飛秒激光器
Yb:YAG晶體因其高熱導率、長上能級壽命和寬發射帶寬，成為高重頻全固態飛秒激光放大器的理想增益介質。在工業超快非熱微加工、極紫外光學頻率梳、高通量高次諧波產生、角分辨電子動量譜等領域，Yb:YAG晶體的應用至關重要[2]。通過啁啾脈沖放大（CPA）技術，Yb:YAG晶體（8 毫米長、6 毫米直徑、3 at.% 摻雜、AR膜系）能夠實現kHz量級重復頻率、mJ量級能量的飛秒激光輸出，這對于高溫高密等離子體的驅動和強磁場陣列的自組織放大具有重要意義[3]。
2. 碟片激光器
碟片激光器以其結構、效率和光束質量上的優勢，在實現高重復頻率、大脈沖能量及高平均功率的超快激光方面展現出強大的能力。Yb:YAG晶體在碟片激光器中的應用，使得科研人員能夠實現高能量、高光束質量的激光輸出[4]。例如，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所利用Yb:YAG單碟片再生放大器（215 微米厚、12 毫米直徑、7 at.% 摻雜、AR膜系；同時搭配兩塊尺寸 為 10 mm×10 mm×25 mm的BBO晶體實 現λ/4的相位調制量）實現了重復頻率為1 kHz、單脈沖能量為107 mJ的激光輸出，這是國內首次達到這一成就[5]。
圖1. 碟片狀Yb:YAG晶體
*圖片來源Dausinger + Giesen GmbH
3. 輻射平衡激光器（RBL）
在輻射平衡激光器（RBL）的研究中，Yb:YAG晶體被用于實現激光器的自冷卻，從而減少熱退化和提高激光效率[6]。通過精確控制泵浦光和激光光的波長，Yb:YAG晶體（4 毫米長、5 毫米寬、0.5 毫米長、5 at.% 摻雜、AR膜系）能夠在量子缺陷產生的熱量和非輻射衰減產生的熱量與熒光誘導冷卻之間達到平衡，從而實現高功率連續波（CW）操作[7]。
圖2.基于Yb:YAG的RBL研究裝置示意圖[7]
4. 高穩定高光光效率的再生放大器
Yb:YAG晶體也被用于構建高穩定高光光效率的再生放大器。中國科學院上海光學精密機械研究所的研究人員設計并搭建了基于Yb:YAG單薄片激光模塊（215 微米厚、9 毫米直徑、7 at.% 摻雜、AR膜系；同時搭配兩塊尺寸 為 12 mm×12 mm×20 mm的BBO晶體實 現λ/4的相位調制量）的再生放大系統，實現了平均功率為40.9 W、重復頻率為1 kHz、脈沖寬度為3.4 ns的激光輸出，光光轉換效率達到16.1%[8]。
圖3.基于Yb:YAG的再生放大激光器裝置示意圖[8]
此外，中國科學大學的技術團隊也設計并搭建了基于Yb:YAG薄片激光模塊（100 微米厚、12.7 毫米直徑、7 at.% 摻雜、AR膜系；同時搭配兩塊尺寸 為 6 mm×6 mm×20 mm的BBO晶體實 現λ/4的相位調制量）的再生放大系統，實現了重復頻率為50 kHz、輸出功率312 W、脈沖寬度720 ps、最大脈沖能量超過6 mJ的近衍射極限激光輸出[9]。這一成果標志著在輸出功率和光光效率方面取得了重大突破。
綜上所述，Yb:YAG晶體因其獨特的物理特性，在科研領域的應用日益廣泛，特別是在高功率、高重頻、高光束質量的激光系統設計和實現中發揮著關鍵作用。隨著技術的不斷進步，Yb:YAG晶體有望在未來的科研和工業應用中扮演更加重要的角色。
參考文獻：
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