使用氧化鈰調(diào)諧基于磷酸鹽的玻璃中的稀土離子發(fā)射波長的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及使用氧化鈰調(diào)諧基于磷酸鹽的玻璃中的稀土離子發(fā)射波長。具體地，本發(fā)明涉及一種Nd摻雜（和/或Yb摻雜和/或Er摻雜）的磷酸鹽激光玻璃，其峰值發(fā)射波長短于1054nm。在磷酸鹽玻璃基質(zhì)體系中優(yōu)選地并入氧化鈰（CeO2）替換氧化鑭，以使所述峰值發(fā)射波長位移到短于1054nm的波長。本發(fā)明另外涉及一種使用混合玻璃布置和相位補(bǔ)償?shù)募す馄飨到y(tǒng)，其中所述混合玻璃體系中的一種玻璃是峰值發(fā)射波長短于1054nm的Nd摻雜（和/或Yb摻雜和/或Er摻雜）的磷酸鹽激光玻璃，并且涉及使用這類激光器系統(tǒng)產(chǎn)生激光束脈沖的方法。
【專利說明】使用氧化鈰調(diào)諧基于磷酸鹽的玻璃中的稀土離子發(fā)射波長
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于固態(tài)激光器應(yīng)用、特別是短脈沖高峰值功率激光器應(yīng)用中的玻璃。特別地，本發(fā)明涉及用于混合玻璃激光器系統(tǒng)的玻璃，其中磷酸鹽激光玻璃與鋁酸鹽或硅酸鹽激光玻璃組合使用。另外，本發(fā)明涉及一種Nd摻雜的磷酸鹽玻璃，其適用于混合玻璃激光器系統(tǒng)中，其中所述Nd摻雜的磷酸鹽玻璃的峰值發(fā)射位于較短波長處，也就是1054nm以下的波長。另外，本發(fā)明涉及一種在不對(duì)發(fā)射帶寬產(chǎn)生不利影響(即，變窄)的情況下使Nd摻雜的磷酸鹽玻璃的峰值發(fā)射波長位移到較短波長的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]固態(tài)激光器的一個(gè)一般趨勢(shì)是制造具有較短脈沖長度的高能激光器，這使脈沖中的功率達(dá)到非常高的數(shù)值。例如，具有10納秒脈沖長度的10千焦耳激光器的功率是ITW(1TW=10000J/10 納秒)。在 “Terrawatt to pettawatt subpicosecond lasers”(太瓦至拍瓦亞皮秒激光器)，M.D.Perry 和 G.Mourou, Science,第 264 卷，第 917-924 頁(1994)中描述了使用具有較短脈沖長度的高能激光器的趨向。
[0003]在高功率短脈沖激光器應(yīng)用中，例如本發(fā)明拍瓦激光器系統(tǒng)和超短脈沖激光器(產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間例如為I皮秒或更短的光脈沖的激光器)以及未來的艾瓦激光器系統(tǒng)，希望固態(tài)激光介質(zhì)具有寬的發(fā)射帶寬。例如參考Laser Focus World，2008年4月，第19-20頁中描述的大力神激光器(Hercules laser),其使用Ti摻雜的藍(lán)寶石晶體。設(shè)計(jì)利用短脈沖的激光器系統(tǒng)的一個(gè)重要因素是找到對(duì)于激光躍遷具有寬發(fā)射帶寬的增益材料。
[0004]對(duì)于鎖模激光器，由傅里葉定理可知的一個(gè)公知結(jié)果是，脈沖寬度越窄，產(chǎn)生所述脈沖所需的增益帶寬越大；因而變換受到限制。對(duì)于激光介質(zhì)的不均勻展寬譜線寬度，如果脈沖的強(qiáng)度遵循高斯函數(shù)，那么所得的鎖模脈沖將具有發(fā)射帶寬/脈沖持續(xù)時(shí)間的關(guān)系為帶寬X脈沖持續(xù)時(shí)間≥0.44的高斯形狀。參考W.Koechner, Solid State LaserEngineering,第 6 版，Springer Science, , 2005 (第 540 頁)。顯然，為了實(shí)現(xiàn)甚至更短的脈沖持續(xù)時(shí)間，需要確定具有寬的發(fā)射帶寬的玻璃。
[0005]鈦-藍(lán)寶石[T1:藍(lán)寶石，TiiAl2O3]晶體具有寬的發(fā)射帶寬以及覆蓋寬發(fā)射區(qū)的高激光截面。這些性質(zhì)與藍(lán)寶石晶體卓越的熱學(xué)性質(zhì)、物理性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)結(jié)合在一起，使得其成為對(duì)于活性固態(tài)超短脈沖激光器來說精選的增益材料。然而，短的熒光壽命迫使需要用其它激光器來泵浦T1:藍(lán)寶石(例如，Ti摻雜的藍(lán)寶石短脈沖激光器常常通過玻璃激光器泵浦，而玻璃激光器又通過閃光燈泵浦)。這增加了激光器的總體結(jié)構(gòu)和復(fù)雜性，特別是當(dāng)試圖擴(kuò)大規(guī)模到艾瓦峰值功率時(shí)。此外，作為晶體材料，使T1:藍(lán)寶石材料產(chǎn)生大孔徑而具有必備光學(xué)品質(zhì)是一種挑戰(zhàn)且價(jià)格昂貴。
[0006]短脈沖激光器的另一設(shè)計(jì)利用稀土摻雜的玻璃。這類玻璃相對(duì)于晶體的優(yōu)勢(shì)包括成本更低和可用能量更高(因?yàn)榭梢灾圃旄吖鈱W(xué)品質(zhì)的大尺寸玻璃，而Ti摻雜的藍(lán)寶石在尺寸上受限)。另外，可以實(shí)施更簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，因?yàn)椴Ａг鲆娌牧峡梢酝ㄟ^閃光燈直接泵浦。不同于使用T1 :藍(lán)寶石晶體的激光器，該玻璃方法不需要首先構(gòu)造泵浦激光器。[0007]通過用具有發(fā)射激光能力的稀土元素?fù)诫s基質(zhì)玻璃體系制得激光玻璃，所述稀土元素例如釹和鐿。這些稀土摻雜的激光玻璃的發(fā)射激光能力是由光放大產(chǎn)生的，所述光放大通過在玻璃中的激發(fā)稀土元素離子的受激發(fā)射來實(shí)現(xiàn)。
[0008]已有記錄證明玻璃作為適用于稀土離子的基質(zhì)，所述稀土離子提供高平均功率激光器系統(tǒng)所必需的大孔徑。對(duì)于可以大量制造并且在適當(dāng)加工條件下制造時(shí)可不含鉬粒子的磷酸鹽玻璃來說，尤其如此。
[0009]除了磷酸鹽玻璃，亞碲酸鹽、硅酸鹽、硼酸鹽、硼硅酸鹽和鋁酸鹽也被用作激光離子的玻璃基質(zhì)體系。與磷酸鹽玻璃相比，硅酸鹽、硼酸鹽、硼硅酸鹽和鋁酸鹽玻璃對(duì)于Nd激光離子具有更寬的發(fā)射帶寬。
[0010]然而，使用這些玻璃伴隨有不利的方面。例如，硅酸鹽玻璃通常在非常高的溫度下熔化，除非其含有大量的改性劑，例如堿金屬或堿土金屬。另一方面，硼酸鹽玻璃具有低溫熔化特性，但是其需要相當(dāng)高濃度的堿金屬或堿土金屬以在周圍環(huán)境中保持穩(wěn)定。硼硅酸鹽玻璃在環(huán)境溫度下可以是耐用的，并且也在與標(biāo)準(zhǔn)市售玻璃例如鈉鈣玻璃類似的溫度下熔化。然而，典型的市售硼娃酸鹽玻璃含有大量的堿金屬，所述堿金屬在熔化中有助于高的硼酸鹽揮發(fā)性，類似于磷酸鹽玻璃。鋁酸鹽玻璃顯示特別寬的發(fā)射帶寬，并且對(duì)于短脈沖激光器操作具有吸引力。但是，這些玻璃具有非常高的結(jié)晶傾向，有記錄表明擴(kuò)大規(guī)模以進(jìn)行大規(guī)模制造特別難。
[0011]遺憾的是，玻璃基質(zhì)中可實(shí)現(xiàn)的發(fā)射帶寬通常比T1:藍(lán)寶石晶體中可能的發(fā)射帶寬小很多倍。對(duì)于使用超短脈沖(< 100飛秒脈沖或更短)的高峰值功率激光器來說，由已知磷酸鹽激光玻璃提供的發(fā)射帶寬與所需要的發(fā)射帶寬相比太窄。為了克服這一局限性，使用所謂的“混合”激光玻璃來滿足在操作中且產(chǎn)生現(xiàn)在可用的最高峰值功率的拍瓦激光器系統(tǒng)的總帶寬要求。E.Gaul, M.Martinez, J.Blakeney, A.Jochmann, M.Ringuette,D.Hammond, Τ.Borger, R.Escamilla, S.Douglas, ff.Henderson, G.Dyer, A.Erlandson,R.Cross, J.Caird, C.Ebbers 和 T.Ditmire, “Demonstration of al.1petawatt laserbased on a hybrid optical parametric chirped pulse amplification/mixed Nd:glassamplifier”(基于混合光學(xué)·參數(shù)線性調(diào)頻脈沖放大/混合Nd:玻璃放大器的1.1拍瓦激光器的證實(shí))，Appl.0pt.(應(yīng)用光學(xué))49，1676-1681 (2010)中展示了這種拍瓦激光器的設(shè)計(jì)。圖1中示出了所述激光器設(shè)計(jì)，而圖2示出了通過使用具有位移的峰值波長的玻璃實(shí)現(xiàn)的帶寬。
[0012]在這些混合激光玻璃設(shè)計(jì)中，串聯(lián)使用磷酸鹽玻璃和硅酸鹽玻璃以實(shí)現(xiàn)當(dāng)前拍瓦激光器系統(tǒng)所需的總帶寬。例如參考Filip, “Atomic phase shifts inmixed-glass, multipetawatt laser systems”(混合玻璃多拍瓦激光器系統(tǒng)中的原子相移)，Optic Express，第 19 卷，第 21 期，第 20953-20959 頁，2011 年 10 月 10 日，描述了一個(gè)關(guān)于基于Nd摻雜的混合玻璃的15拍瓦激光器的案例研究。這種混合玻璃激光器使用兩個(gè)放大器，一個(gè)是基于磷酸鹽玻璃且另一個(gè)是基于硅酸鹽玻璃。
[0013]然而，現(xiàn)有混合激光玻璃設(shè)計(jì)對(duì)于小型拍瓦系統(tǒng)和對(duì)于能夠產(chǎn)生高能量和短脈沖的未來艾瓦系統(tǒng)仍是不夠的。具有足夠大孔徑的混合玻璃放大器被預(yù)期是未來產(chǎn)生非常高峰值功率(100-1000拍瓦)和非常短脈沖(50-100fs)的一種途徑。
[0014]因此，混合玻璃放大器被預(yù)期是未來高峰值功率、短脈沖、多拍瓦和艾瓦激光器系統(tǒng)使用的一種技術(shù)。在這些系統(tǒng)中，將串聯(lián)使用兩種玻璃，每種玻璃摻雜有Nd3+激光離子。然而，這兩種玻璃應(yīng)必須提供極其不同的峰值發(fā)射波長以有效地使所述技術(shù)可行。一種串聯(lián)的玻璃需要對(duì)于Nd3+可能的最短的發(fā)射峰，而另一種需要對(duì)于Nd3+可能的最長的發(fā)射峰。所有其它性質(zhì)對(duì)于最好的激光性能應(yīng)是優(yōu)化的。一般說來，對(duì)于較短的發(fā)射峰使用Nd摻雜的磷酸鹽玻璃，且對(duì)于較高的發(fā)射峰使用Nd摻雜的硅酸鹽或鋁酸鹽玻璃。大多數(shù)市售的大孔徑不含鉬磷酸鹽玻璃具有接近1054nm的峰值波長。市售的大孔徑不含鉬磷酸鹽玻璃現(xiàn)在可用的最短峰值波長是1052.7nm，且市售玻璃中最長的峰值波長是1059.7nm。
[0015]因此，對(duì)于高功率的短脈沖激光器系統(tǒng)，需要峰值發(fā)射波長長于1059.7nm并短于1052.7nm的Nd摻雜的激光玻璃。有已知的玻璃展示短于和長于這些峰值的峰值波長。這些玻璃大多數(shù)已被證明很難獲得高光學(xué)品質(zhì)和制造大孔徑。參考S.E Stokowski等人，Nd-doped Laser Glass Spectroscopic and Physical Properties (Nd-慘雜激光玻璃的光譜性質(zhì)和物理性質(zhì))，加利福尼亞大學(xué)勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室，1981年。
[0016]已知在激光玻璃中使用氧化鈰。例如，Myers (US4，770，811)公開了一種基于磷酸鹽的激光玻璃組合物，其含有激光摻雜劑，例如Nd2O3,其還含有主要由0.1-5重量％的Ce2O3和0.025-0.1%的Cr2O3組成的輔助摻雜劑。也可以添加氧化鈰作為吸熱劑(antisolarant)。例如參考Meyers (US5，164，343)和Myers等人(US7，531，473)。關(guān)于在激光玻璃中使用鋪，也參考 Meyers (US4, 962，067)和 Hayden 等人(US6, 853，659)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種Nd摻雜(和/或Yb摻雜和/或Er摻雜)的磷酸鹽激光玻璃，其峰值發(fā)射波長短于1054nm，優(yōu)選至少1052nm或更短，尤其至少1051nm或更短。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種使用混合玻璃布置和相位補(bǔ)償?shù)募す馄飨到y(tǒng)，其中混合玻璃系統(tǒng)中的 一種玻璃是Nd摻雜(和/或Yb摻雜和/或Er摻雜)的磷酸鹽激光玻璃，其峰值發(fā)射波長短于1054nm，優(yōu)選至少1052nm或更短，尤其至少1051nm或更短。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種激光器系統(tǒng)，其中系統(tǒng)的功率輸出為每脈沖至少一拍瓦或更大，且其中所述系統(tǒng)使用混合玻璃布置和相位補(bǔ)償且所述混合玻璃系統(tǒng)中的一種玻璃是Nd摻雜(和/或Yb摻雜和/或Er摻雜)的磷酸鹽激光玻璃，其峰值發(fā)射波長短于1054nm,優(yōu)選至少1052nm或更短，尤其至少105Inm或更短。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種將Nd摻雜(和/或Yb摻雜和/或Er摻雜)的磷酸鹽激光玻璃的峰值發(fā)射波長降低至少2nm、優(yōu)選至少3nm、尤其至少5nm的方法。例如，所述方法將Nd摻雜的磷酸鹽激光玻璃的峰值發(fā)射波長從約1054nm的平均波長降低到短于1054nm、優(yōu)選至少1052nm或更短、尤其至少1051nm或更短且至少1049nm或更短的峰值發(fā)射波長。
[0021]通過對(duì)本說明書和所附權(quán)利要求書的進(jìn)一步研究，本發(fā)明的其它方面和優(yōu)勢(shì)對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將是顯而易見的。
[0022]這些方面通過在磷酸鹽玻璃基質(zhì)體系中優(yōu)選地并入氧化鈰(CeO2)替換氧化鑭以使峰值發(fā)射波長位移到短于1054nm的波長來實(shí)現(xiàn)。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，提供了一種Nd摻雜(或Yb摻雜或Er摻雜)的磷酸鹽玻璃組合物，其包含(基于摩爾％):
【權(quán)利要求】
1.一種Nd摻雜或Yb摻雜或Er摻雜的磷酸鹽玻璃組合物，其包含(基于摩爾％):
P2O540.0-70.00
B2O30.00-20.00
SiO20.00-15.00
Al2O32.00-15.00
Nd2O30.00-5.00Yb2O30.00-溶解度極限
Er2O30.00-5.00
CeO20.25-30.00
(或當(dāng)量的Ce2O3)
La2O30.00-29.75
MO0.00-10.00
M12O0,00-20.00 其中 MO 是 MgO、CaO、SrO、B··aO 和 ZnO 的總和，
M’ 20 是 Li20、Na2O, K2O 和 Cs2O 的總和， MO和M，20的總和是0.00-30.00摩爾％， P205、B2O3> SiO2和Al2O3的總和至少是46摩爾％， CeO2的全部或一部分可以用當(dāng)量的Ce2O3來替換，其中當(dāng)量的Ce2O3是指與CeO2的量具有相同摩爾數(shù)的Ce的量，
La203、CeO2, Ce2O3> Nd203、Yb2O3 和 Er2O3 的總和不超過 35.00 摩爾 ％， 溶解度極限是指Yb2O3在所述玻璃組合物中的溶解度的極限的濃度，且 所述玻璃含有至少0.25摩爾％的Nd2O3和/或至少0.50摩爾％的Yb2O3和/或至少0.05 摩爾 % 的 Er2O30
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Nd摻雜或Yb摻雜或Er摻雜的磷酸鹽玻璃組合物，其中所述玻璃組合物含有少于0.01摩爾％的Cr2O3。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的Nd摻雜或Yb摻雜或Er摻雜的磷酸鹽玻璃組合物，其中所述玻璃組合物含有1.00-15.00摩爾％的Si02。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任一項(xiàng)所述的Nd摻雜或Yb摻雜或Er摻雜的磷酸鹽玻璃組合物，其中所述玻璃組合物含有>0.00-20.00摩爾％的B203。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中的任一項(xiàng)所述的Nd摻雜或Yb摻雜或Er摻雜的磷酸鹽玻璃組合物，其中所述玻璃組合物含有0.5-20.00摩爾％的B203。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中的任一項(xiàng)所述的Nd摻雜或Yb摻雜或Er摻雜的磷酸鹽玻璃組合物，其中所述玻璃組合物含有SiO2和b2o3。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中的任一項(xiàng)所述的Nd摻雜或Yb摻雜或Er摻雜的磷酸鹽玻璃組合物，其中所述玻璃組合物含有55.00-70.00摩爾％的P205。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中的任一項(xiàng)所述的Nd摻雜或Yb摻雜或Er摻雜的磷酸鹽玻璃組合物，其中所述玻璃組合物含有5.00-15.00摩爾％的B203。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中的任一項(xiàng)所述的Nd摻雜或Yb摻雜或Er摻雜的磷酸鹽玻璃組合物，其中所述玻璃組合物含有1.00-10.00摩爾％的Si02。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中的任一項(xiàng)所述的Nd摻雜或Yb摻雜或Er摻雜的磷酸鹽玻璃組合物，其中所述玻璃組合物含有1.00-4.00摩爾％的Nd203。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中的任一項(xiàng)所述的Nd摻雜或Yb摻雜或Er摻雜的磷酸鹽玻璃組合物，其中所述玻璃組合物含有0.50-30.00摩爾％的Yb203。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11中的任一項(xiàng)所述的Nd摻雜或Yb摻雜或Er摻雜的磷酸鹽玻璃組合物，其中所述玻璃組合物含有0.50-4.00摩爾％的Er203。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至9中的任一項(xiàng)所述的Nd摻雜或Yb摻雜或Er摻雜的磷酸鹽玻璃組合物，其中所述玻璃組合物含有總量為0.50-5.00摩爾％的Nd203、Yb2O3和Er2O3中的兩種或更多種。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至13中的任一項(xiàng)所述的Nd摻雜或Yb摻雜或Er摻雜的磷酸鹽玻璃組合物，其中所述玻璃組合物含有10.00-25.00摩爾％的Ce02。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的Nd摻雜或Yb摻雜或Er摻雜的磷酸鹽玻璃組合物，其中所述玻璃組合物含有15.00-25.00摩爾％的CeO2。
16.根據(jù)權(quán)利要求 14所述的Nd摻雜或Yb摻雜或Er摻雜的磷酸鹽玻璃組合物，其中所述玻璃組合物含有20.00-25.00摩爾％的CeO2。
17.根據(jù)權(quán)利要求1至13中的任一項(xiàng)所述的Nd摻雜或Yb摻雜或Er摻雜的磷酸鹽玻璃組合物，其中所述玻璃組合物含有5.00-12.50摩爾％的Ce203。
18.根據(jù)權(quán)利要求1至13中的任一項(xiàng)所述的Nd摻雜或Yb摻雜或Er摻雜的磷酸鹽玻璃組合物，其中所述玻璃組合物含有最高達(dá)12.50摩爾％的Ce203。
19.根據(jù)權(quán)利要求1至18中的任一項(xiàng)所述的Nd摻雜或Yb摻雜或Er摻雜的磷酸鹽玻璃組合物，其中所述玻璃組合物含有0.00-15.0摩爾％的La203。
20.根據(jù)權(quán)利要求1至19中的任一項(xiàng)所述的Nd摻雜或Yb摻雜或Er摻雜的磷酸鹽玻璃組合物，其中所述玻璃的有效發(fā)射帶寬(Λ λ有效)至少為20nm。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Nd摻雜或Yb摻雜或Er摻雜的磷酸鹽玻璃組合物，其中所述玻璃組合物包含(基于摩爾％):
22.—種縮短含有鑭的Nd摻雜或Yb摻雜或Er摻雜的磷酸鹽激光玻璃的峰值發(fā)射波長的方法，所述方法包括用CeO2替換最高達(dá)100%的La203。
23.一種固態(tài)混合玻璃激光器系統(tǒng)，其包含Nd摻雜的磷酸鹽玻璃和另一Nd摻雜的玻璃作為固體增益介質(zhì)和泵浦源，改進(jìn)之處在于其中所述Nd摻雜的磷酸鹽玻璃是根據(jù)權(quán)利要求I至21中的任一項(xiàng)所述的Nd摻雜的磷酸鹽玻璃。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的激光器系統(tǒng)，其中系統(tǒng)的功率輸出是每脈沖至少一拍瓦或更大。
25.一種用于產(chǎn)生激光束脈沖的方法，所述方法包括閃光燈泵浦或二極管泵浦根據(jù)權(quán)利要求23所述的激光器系統(tǒng)的固體增益介質(zhì)。
【文檔編號(hào)】H01S3/10GK103848568SQ201310625218
【公開日】2014年6月11日 申請(qǐng)日期:2013年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月28日
【發(fā)明者】西米·喬治, 內(nèi)森·卡利, 薩莉·普奇洛斯基, 約瑟夫·海登 申請(qǐng)人:肖特公司