轉載：鐿想不到-摻鐿激光切管機

鐿是高功率超快激光之源，鐿是碟片激光發刃之始，鐿是波長調諧的利器，鐿是未來的量子存儲，鐿是三光子激發的重要之選，鐿是光學原子鐘的熱門方向，鐿是______________。

光學回「鐿」錄(1878～2021)

鐿，這種1878年發現于瑞士伊特比村的稀土元素，以其獨特的電子結構已滲透到各種光學相關領域，尤其是激光技術。本文將以穿插圖表和習題的形式介紹摻鐿激光器的工作原理和技術參數。

發現并得名于伊特比(Ytterby)的元素：釔(Y, Yttrium)、鋱(Tb, Terbium)、鉺(Er, Erbium)、鐿(Yb, Ytterbium)

三價鐿離子常用于高功率激光和可調諧固體激光器，尤其是過去十年出現于材料加工領域的高功率飛秒固體和光纖激光器都基于摻鐿材料。下圖中展示了微加工超短脈沖激光的發展，其中鈦寶石再生放大器已被皮秒Nd:YVO4激光器替代，釹玻璃再生放大器已被摻鐿光纖MOPA替代。

改編自相干激光技術文獻

摻鐿固體激光材料的特殊性質

• 電子結構簡單，只有一種多重激發態，通過基態和激發態的不同亞能級間的躍遷進行泵浦和放大。

• 量子缺陷小，因此可提供高效率、低熱效應，非常適合高功率應用。

• 簡單的電子結構還能抑制激發態吸收以及各種有害的猝滅過程。

• 激光躍遷的增益帶寬一般很寬，所以適合寬波長調諧或超短脈沖鎖模。

• 上能級壽命較長，一般在1到2毫秒，這個特性適合Q開關應用。

Yb:YAG中Yb3+的能級與常用的泵浦和激發躍遷波長

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Yb3+晶體激光器(激光躍遷：2F5/2→2F7/2)

基質晶體	波長μm	溫度K	光泵	模式
BaCaBO3F	1.034	300	TiS	P
Ca3Sr2(PO4)3F	1.046	300	TiS	CW
Ca4Sr(PO4)3F	0.9851.0461.110	300300300	TiSTiSTiS	CWCWCW
Ca5(PO4)3F	1.043	300	TiS	CW
CaF2:Nd	1.0336	120	Xe	P
Gd3Ga5O12:Nd	1.0232	77	Xe	P
Gd3Sc2Al3O12:Nd	1.0299	77	Xe	P
KGd(WO4)2	1.026-1.044	300	LD	CW
KY(WO4)2	1.026-1.042	300	LD	CW
LiNbO3(Waveguide)	1.0081.0301.060	300300300	TiSTiSTiS	CWCWCW
Lu3Al5O12	1.02971.03	77175	XeLD	PCW
Lu3Al5O12:Nd,Cr	1.0294	77	Xe	P
Lu3Ga5O12:Nd	1.023	77	Xe	P
Lu3Sc2Al3O12:NdSr5(PO4)3F	1.02990.9851.047	77300300300	XeCr:LiSAFTiSLD	PQCWPP
Sr5(VO4)3F	1.044	300	TiS	P
Y3Al5O12(Waveguide)	1.02931.02961.031.031.031	7777300300300	XeXeTiSLDTiS	PPCWCWP
Y3Al5O12:Nd(Waveguide)	1.02971.03	200300	XeLD	PCW
Y3Al5O12:Nd,Cr	1.0298	210	Xe	P
(Y,Yb)3Al5O12	1.0293	77	Xe	P
YCa4O(BO3)3	1.018-1.087	300	TiS	CW
Y3Ga5O12:Nd	1.0233	77	Xe	P

數據來源2001年版激光手冊，TiS=鈦寶石激光，Xe=氙燈，LD=激光二極管，Y3Al5O12即常說的釔鋁石榴石(YAG)。

Yb3+玻璃激光器(激光躍遷：2F5/2→2F7/2)

基質玻璃	波長μm	光泵	模式
塊體Ca–Li borate(Nd)K–Ba silicateLi–Mg–AlsilicateLi–Mg–Alsilicate(Nd)	1.0181.061.0151.015	XeXeXeXe	PPPP
光纖氟鋯酸鹽鍺硅酸鹽石英石英石英石英石英(Al, P)石英(Ge)石英(Ge)	1.000-1.0501.115, 1.1280.9741.010-1.1621.015-1.1401.028-1.0640.9801.1151.13	TiSNd:YAGLDLDDyeDyeDyeNd:YLFNd:YAG	S, CWCWSSS, CWS, CWCWCWCW

鎖模脈沖產生

摻鐿材料廣泛用于鎖模激光器產生超短脈沖，特別是在高功率方面卓有成效。在瑞士ETH的Ursula Keller組，碟片式飛秒激光振蕩器于2019年創造350 W平均功率新紀錄；在德國弗勞恩霍夫研究所，科研人員正致力于合作開發10 kW級飛秒板條和光纖激光器。

350 W超短脈沖碟片振蕩器的腔設計 https://doi.org/10.1364/OE.27.03146512路摻鐿光纖放大器的相干合成

摻鐿激光產品@Thorlabs

1. Y-Fi?飛秒光纖激光器

可調重頻1~10 MHz; 超快脈寬<170 fs; 平均功率>20 W; 脈沖能量>3 μJ; 中心波長1035 nm

2. Y-Fi?光參量放大器

信號波長1275~1800 nm; 閑頻波長2.4~4.4 μm; 超快脈寬<50 fs; 可調重頻1~4 MHz

3. 摻鐿光纖放大器(YDFA)

波長1025~1075 nm; 小信號增益>22 dB; 典型輸出功率20 dBm; 單?；虮Ｆ姹?p>4. 高功率皮秒摻鐿激光用反射鏡

基頻到四倍頻摻鐿激光; 高損傷閾值; 激光加工應用