在Nd掺杂的铝酸盐或硅酸盐玻璃中加宽稀土离子发射带宽、增大发射截面和/或使峰值发射波长位移制造技术

本发明专利技术涉及在Nd掺杂的铝酸盐或硅酸盐玻璃中加宽稀土离子发射带宽、增大发射截面和/或使峰值发射波长位移。具体地，本发明专利技术涉及一种Nd掺杂的、铝酸盐基或硅酸盐基激光玻璃，所述激光玻璃具有长于1059.7nm的峰值发射波长、≥1.5×10-20cm2的发射截面(σ发射)和/或≥28nm的发射带宽(△λ有效)，同时保持使得所述玻璃适用于商业用途的性质例如低玻璃化转变温度Tg和低非线性指数n2。

【技术实现步骤摘要】
在Nd掺杂的铝酸盐或硅酸盐玻璃中加宽稀土离子发射带宽、增大发射截面和/或使峰值发射波长位移
本专利技术涉及用于固体激光器应用中的玻璃，特别是用于短脉冲、高峰值功率激光器应用中的玻璃。特别地，本专利技术涉及用于混合玻璃激光器系统的玻璃，其中将铝酸盐或硅酸盐激光玻璃与磷酸盐激光玻璃组合使用。此外，本专利技术涉及适用于混合玻璃激光器系统中的Nd掺杂的铝酸盐或硅酸盐玻璃，其中(a)所述Nd掺杂的铝酸盐或硅酸盐玻璃在超过1060nm的波长下具有峰值波长(特别地，对于Nd掺杂的铝酸盐玻璃为超过1067nm)；(b)所述Nd掺杂的铝酸盐或硅酸盐玻璃具有加宽的发射截面；和/或(c)所述Nd掺杂的铝酸盐或硅酸盐玻璃具有加宽的发射带宽，同时保持使得玻璃适用于商业用途的性质，例如低玻璃化转变温度Tg、高发射截面和低非线性指数n2。另外，本专利技术涉及如下一种方法：使发射带宽的峰值发射波长位移至更长的波长，例如，对于Nd掺杂的硅酸盐玻璃位移至超过1060nm的波长，或对于Nd掺杂的铝酸盐玻璃位移至超过1067nm的波长，和/或增大发射截面，和/或加宽Nd掺杂的铝酸盐或硅酸盐玻璃的发射带宽，同时还保持使得玻璃适用于商业用途的性质。
技术介绍
在固态激光器方面的一个总的趋势是制造具有更短脉冲长度的高能激光器，其使脉冲中的功率达到非常高的数值。例如，具有10纳秒脉冲长度的10k焦耳激光器为1TW(1TW=10000J/10纳秒)的功率。在“Terrawatttopettawattsubpicosecondlasers”（太瓦至拍瓦亚皮秒激光器），M.D.Perry和G.Mourou，Science，第264卷，917-924(1994)中描述了使用具有更短脉冲长度的高能激光器的趋势。在高功率和短脉冲激光器应用中，例如现有的拍瓦激光器系统和超短脉冲激光器(产生具有例如1皮秒或更短持续时间的光脉冲的激光器)以及未来的艾瓦激光器系统中，期望固态激光器介质具有宽的发射带宽。例如参见LaserFocusWorld，2008年4月，第19-20页中所述的大力神激光器（Herculeslaser），其使用Ti掺杂的蓝宝石晶体。在设计利用短脉冲的激光器系统中的重要因素是发现对于激光跃迁具有宽发射带宽的增益材料。对于锁模激光器，根据傅里叶(Fourier)定理公知的结果是，脉冲宽度越窄，产生所述脉冲所需要的增益带宽越大；由此变换受到限制。对于激光器介质的不均匀加宽的线宽度，如果脉冲强度遵循高斯函数，则得到的锁模脉冲将呈现发射带宽/脉冲持续时间具有如下关系的高斯形状：带宽×脉冲持续时间>0.44。参见W.Koechner，SolidStateLaserEngineering（固态激光器设计），第6版，SpringerScience，2005(第540页)。显然，为了实现甚至更短的脉冲持续时间，需要确定具有宽发射带宽的玻璃。由增益材料中的活性离子造成的光子的吸收和发射与吸收和发射截面成比例，其中截面表示每粒子数反转密度每单位长度的增益。在激光器运行期间，高截面是指在泵浦和受激发射期间使得任意给定的转变饱和需要较少的光子。由此，高截面的优势在于，其提高了在增益材料中吸收和发射的几率，导致对光学损失具有更好容限的更高效率。钛-蓝宝石[Ti：蓝宝石，Ti：Al2O3]晶体具有宽发射带宽并在宽发射区域上具有高激光截面。这些性质与蓝宝石晶体优异的热、物理和光学性质组合，使得可选择这种增益材料用于活性固态超短脉冲激光器。根据Füchtbauer-Ladenburg方程，发射截面、发射带宽和辐射寿命的乘积对于给定的发射离子必须大致恒定。由此，高截面和大发射带宽需要短寿命。Ti：蓝宝石的短荧光寿命需要用其它激光器泵浦(例如，Ti掺杂蓝宝石的短脉冲激光器通常由Nd掺杂的玻璃激光器泵浦，该玻璃激光器又通过闪光灯泵浦)。这增加了激光器系统的总体结构和复杂性，尤其是当尝试扩大至艾瓦或高拍瓦峰值功率时。而且，作为结晶材料，使Ti:蓝宝石材料产生大孔径而具有必备光学品质是一种挑战且价格昂贵。关于短脉冲激光器的另一种设计是利用稀土掺杂的玻璃。这种玻璃相对于晶体的优势包括成本更低且有效能更高(因为玻璃能够以高光学品质大尺寸的方式制造，而Ti掺杂的蓝宝石在尺寸方面受到限制)。另外，能够实施更简单的设计，因为玻璃增益材料能够通过闪光灯直接泵浦。与使用Ti：蓝宝石晶体的激光器不同，该玻璃方法不需要首先建造泵浦激光器。通过利用如下稀土元素例如钕、镱和铒对基质玻璃体系进行掺杂来制造激光玻璃，所述稀土元素具有发出激光的能力。这些稀土掺杂的激光玻璃的发射激光能力是由光放大产生的，所述光放大通过在玻璃中的激发稀土元素离子的受激发射来实现。已有记录证明玻璃作为适用于稀土离子的基质，所述稀土离子提供高平均功率激光器系统所必需的大孔径。这特别适用于磷酸盐玻璃，当在适当加工条件下制造磷酸盐玻璃时，能够大量制造且能够在不含铂粒子的条件下制造所述磷酸盐玻璃。除了磷酸盐玻璃，也已经将亚碲酸盐、硅酸盐、硼酸盐、硼硅酸盐和铝酸盐用作激光离子用玻璃基质体系。与磷酸盐玻璃相比，硅酸盐、硼酸盐、硼硅酸盐和铝酸盐玻璃对于Nd激光离子具有更宽的发射带宽。然而，关于这些玻璃的使用存在劣势。例如，硅酸盐玻璃通常在非常高的温度下熔化，除非其包含大量改性剂例如碱金属或碱土金属。另一方面，硼酸盐玻璃具有低温熔化特征，但要求碱金属或碱土金属的浓度足够高。硼硅酸盐玻璃在环境温度下具有耐久性且也在与标准商业玻璃例如钠钙玻璃大致相当的温度下熔化。然而，典型的商业硼硅酸盐玻璃包含大量碱金属，其在熔化期间促进高的硼酸盐挥发性，类似于磷酸盐玻璃。铝酸盐玻璃显示出特别宽的发射带宽，并对于短脉冲激光器的运行具有吸引力。但是，这些玻璃结晶的趋势非常高，并具有极难扩大至大规模制造的记录。遗憾地，在玻璃基质中可实现的发射带宽通常比在Ti：蓝宝石晶体中可能存在的小很多倍。对于使用超短脉冲(<100飞秒脉冲或更短)的高峰值功率激光器，与所需要的相比，通过已知磷酸盐激光玻璃提供的发射带宽太窄。为了克服这种限制，使用所谓的“混合的”激光玻璃，来实现拍瓦激光器系统所需要的总带宽，所述拍瓦激光器系统是正在运行的且产生目前可获得的最高峰值功率。在如下文献中显示了这种拍瓦激光器的设计：E.Gaul，M.Martinez，J.Blakeney，A.Jochmann，M.Ringuette，D.Hammond，T.Borger，R.Escamilla，S.Douglas，W.Henderson，G.Dyer，A.Erlandson，R.Cross，J.Caird，C.Ebbers，和T.Ditmire，“Demonstrationofa1.1petawattlaserbasedonahybridopticalparametricchirpedpulseamplification/mixedNd:glassamplifier”（基于混合光学参数线性调频脉冲放大/混合Nd:玻璃放大器的1.1拍瓦激光器的证实），Appl.Opt.（应用光学）49，1676-1681(2010)。将所述激光器设计示于图1中，而图2显示了通过使用具有峰值波长位移的玻璃实现的带本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Nd掺杂的铝酸盐玻璃组合物，其包含（按摩尔%计）：其中所述玻璃包含至少5.0摩尔%的Ga2O3、1.0摩尔%的ZrO2、0.05摩尔%的Y2O3、1.0摩尔%的Nb2O5、0.5摩尔%的Bi2O3或0.5摩尔%的ZnO，Al2O3、Ga2O3、ZrO2、Y2O3、Nb2O5、B2O3、Bi2O3和ZnO之和不超过60摩尔%，所述玻璃组合物显示出长于1059.7nm的峰值发射波长、和/或≥1.5×10‑20cm2的发射截面(σ发射)、和/或≥25nm的发射带宽(△λ有效)，且所述玻璃的玻璃化转变温度Tg小于850℃且非线性指数n2＜4.0。

【技术特征摘要】
2012.11.28 US 13/687,4761.一种Nd掺杂的铝酸盐玻璃组合物，其包含(按摩尔％计)：其中所述玻璃包含至少5.0摩尔％的Ga2O3、至少1.0摩尔％的ZrO2、至少0.05摩尔％的Y2O3、至少1.0摩尔％的Nb2O5、至少0.5摩尔％的Bi2O3或至少0.5摩尔％的ZnO，Al2O3、Ga2O3、ZrO2、Y2O3、Nb2O5、B2O3、Bi2O3和ZnO之和不超过60摩尔％，所述玻璃组合物显示出长于1059.7nm的峰值发射波长、和/或≥1.5×10-20cm2的发射截面(σ发射)、和/或≥25nm的发射带宽(△λ有效)，且所述玻璃的玻璃化转变温度Tg小于850℃且非线性指数n2＜4.0。2.根据权利要求1所述的Nd掺杂的铝酸盐玻璃组合物，其中所述玻璃组合物包含0.0～10.00摩尔％的M2O，其中M2O是Li2O、Na2O、K2O和Cs2O之和。3.根据权利要求1或权利要求2所述的Nd掺杂的铝酸盐玻璃组合物，其中所述玻璃组合物包含10.00～40.00摩尔％的Al2O3。4.根据权利要求1或权利要求2所述的Nd掺杂的铝酸盐玻璃组合物，其中所述玻璃组合物包含30.00～60.00摩尔％的CaO。5.根据权利要求1或权利要求2所述的Nd掺杂的铝酸盐玻璃组合物，其中所述玻璃组合物包含2.00～8.00摩尔％的BaO。6.根据权利要求1或权利要求2所述的Nd掺杂的铝酸盐玻璃组合物，其中所述玻璃组合物包含5.00～20.00摩尔％的SiO2。7.根据权利要求1或权利要求2所述的Nd掺杂的铝酸盐玻璃组合物，其中所述玻璃组合物包含1.00～20.00摩尔％的B2O3。8.根据权利要求1或权利要求2所述的Nd掺杂的铝酸盐玻璃组合物，其中所述玻璃组合物包含0.25～3.00摩尔％的Nd2O3。9.根据权利要求1或权利要求2所述的Nd掺杂的铝酸盐玻璃组合物，其中所述玻璃组合物包含5.00～40.00摩尔％的Ga2O3。10.根据权利要求1或权利要求2所述的Nd掺杂的铝酸盐玻璃组合物，其中所述玻璃组合物包含1.00～10.00摩尔％的ZrO2。11.根据权利要求1或权利要求2所述的Nd掺杂的铝酸盐玻璃组合物，其中所述玻璃组合物包含0.05～10.00摩尔％的Y2O3。12.根据权利要求1或权利要求2所述的Nd掺杂的铝酸盐玻璃组合物，其中所述玻璃组合物包含1.00～10.00摩尔％的Nb2O5。13.根据权利要求1或权利要求2所述的Nd掺杂的铝酸盐玻璃组合物，其中所述玻璃组合物包含0.75～8.00摩尔％的Bi2O3。14.根据权利要求1或权利要求2所述的Nd掺杂的铝酸盐玻璃组合物，其中所述玻璃组合物包含0.50～10.00摩尔％的ZnO。15.根据权利要求1所述的Nd掺杂的铝酸盐玻璃组合物，其中所述玻璃组合物包含(按摩尔％计)：其中所述玻璃包含至少5.0摩尔％的Ga2O3、至少1.0摩尔％的ZrO2、至少0.05摩尔％的Y2O3、至少1.0摩尔％的Nb2O5、至少0.5摩尔％的Bi2O3或至少0.5摩尔％的ZnO，且Al2O3、Ga2O3、ZrO2、Y2O3、Nb2O5、Bi2O3和ZnO之和不超过40摩尔％...

【专利技术属性】
技术研发人员：西米·乔治，内森·卡利，萨莉·普奇洛斯基，约瑟夫·海登，
申请(专利权)人：肖特公司，
类型：发明
国别省市：美国;US