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Er,Yb:glass+Co:spinel 键合晶体对激光热透镜效应的抑制作用及应用

介绍

在激光技术的持续发展进程中,各应用领域对高性能激光的需求日益增长。然而,激光泵浦所引发的热透镜效应,严重阻碍了激光性能的进一步提升。在此背景下,Er,Yb:glass+Co:spinel 键合晶体成为解决热透镜效应问题的重要研究方向。

图1. 热透镜效应

热透镜效应:激光性能提升的阻碍

激光在介质中传输时,泵浦过程促使介质吸收能量并转化为热能。对于传统激光增益介质而言,这种热能分布的不均匀会导致介质折射率改变,如同在激光传输路径中形成一个透镜,这就是热透镜效应。热透镜效应使得激光光束质量恶化,光斑出现变形与发散,进而降低了激光的聚焦能力和能量传输效率。在高功率激光应用场景,如激光加工、激光医疗以及科研领域的高分辨率光谱分析等方面,热透镜效应的负面影响极为突出,极大地限制了激光技术的应用范围与效果。

Er,Yb:glass+Co:spinel 键合晶体的结构与原理

Er,Yb:glass+Co:spinel 键合晶体采用了创新性的结构设计,通过特殊的键合工艺将 Er,Yb:glass 与 Co:spinel 巧妙结合。其中,Er,Yb:glass 作为激光增益介质,在泵浦光的作用下能够实现粒子数反转,从而产生激光辐射。而 Co:spinel 具备独特的热学与光学特性。

从热学角度来看,Co:spinel 拥有良好的热导率,与 Er,Yb:glass 键合后,能够有效地将 Er,Yb:glass 在激光泵浦过程中产生的热量传导出去,显著降低 Er,Yb:glass 内部的温度梯度,进而减小热透镜效应的影响。从光学角度分析,Co:spinel 的光学性质与 Er,Yb:glass 相互匹配,在确保激光正常传输与增益的同时,不会引入额外的光学损耗或干扰。这种精心设计的键合结构,为激光构建了一个高效的 “散热与稳定传输系统”。

图2.  Er,Yb:glass+Co:spinel 键合晶体, 键合晶体,芯飞睿

键合晶体降低热透镜效应的优势

  1. 显著提升光束质量:通过降低热透镜效应,Er,Yb:glass+Co:spinel 键合晶体能够使激光光束维持良好的聚焦性与低发散度。在激光加工领域,这意味着能够实现更精细、更精准的材料切割与焊接,提升加工精度与质量。例如,在微纳加工领域,可制造出尺寸更小、精度更高的微结构,推动半导体芯片制造、微机电系统(MEMS)等行业的发展。
  2. 提高激光输出功率:热透镜效应的减弱使激光介质能够更有效地吸收泵浦光能量,减少能量损耗以及转化为热能的比例。因此,键合晶体能够在更高的泵浦功率下稳定工作,实现更高的激光输出功率。在激光医疗方面,更高的功率可用于更高效地治疗一些疾病,如深层组织的激光手术,提升治疗效果与效率。
  3. 增强系统稳定性:稳定的激光输出对于众多应用至关重要。Er,Yb:glass+Co:spinel 键合晶体降低热透镜效应后,减少了因热致光学性能波动所引发的激光输出不稳定现象。在科研实验中,稳定的激光光源能够保障实验数据的准确性与可重复性,为光学研究、量子计算等前沿领域提供可靠的技术支撑。
图3. 激光束

应用前景与挑战

目前,Er,Yb:glass+Co:spinel 键合晶体在多个领域已展现出巨大的应用潜力。在军事领域,可用于高分辨率的激光雷达系统,提升目标探测与识别的精度;在通信领域,可作为高性能的光信号发射源,增加光纤通信的传输距离与容量。然而,该键合晶体的广泛应用仍面临一些挑战。一方面,键合工艺的复杂性与高精度要求致使生产成本较高,限制了其大规模普及;另一方面,进一步优化键合晶体的性能,如提高其在极端环境下的稳定性,仍是科研人员需要攻克的难题。

图4. 光纤通信

总结

综上所述,Er,Yb:glass+Co:spinel 键合晶体在抑制激光泵浦热透镜效应方面表现出卓越的性能与潜力。尽管面临诸多挑战,但随着材料科学与工艺技术的不断进步,它有望在未来成为推动激光技术发展的关键因素,为众多领域带来创新性的变革与突破。

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