鉺玻璃的吸引力主要在于其波長范圍（大約1.53–1.56 μm）所帶來的眼部安全性。對于裸眼而言，1.54微米激光輻射的最大允許脈沖曝光量（MPE）比1.06微米的釹激光高出五個數(shù)量級，這使得它在醫(yī)療應用中具有較高的安全性。
此外，1.54微米波長的鉺玻璃激光器與硅波導中的損耗光譜最小值高度一致，這為其在非光纖配置中的應用提供了獨特的優(yōu)勢。
盡管1.54微米波段的激光具有明顯的眼部安全性，但鉺玻璃的效率通常較低，這要求使用敏化劑來提高其性能。為了增強鉺玻璃的效率，通常通過添加Yb3?（釔離子）來進行敏化。Yb3?離子吸收由閃光燈或激光二極管（LD）提供的近紅外（900–1000 nm）泵浦輻射，將能量傳遞給Er3?離子，從而提高了鉺玻璃激光器的輸出功率。
1.鉺玻璃的工作原理與敏化過程
1.1. 工作原理與波長：
鉺玻璃的激光發(fā)射波長通常為1.54微米，源自Er3?離子的4I13/2–4I15/2躍遷。該波長的輻射在眼部組織中具有非常高的安全性，因為液態(tài)水在約1.5微米的波長處具有較高的消光系數(shù)，防止其到達視網(wǎng)膜，從而減少視網(wǎng)膜損傷的風險。
鉺玻璃通常采用磷酸鹽玻璃或其他類型的玻璃材料。鉺離子通過其特定的能級結構，能夠吸收外部泵浦光源的能量，并通過輻射躍遷釋放激光光子。在鉺玻璃中，Er3?離子處于4I15/2基態(tài)，當其吸收足夠的泵浦光（通常為近紅外光）時，離子會躍遷到4I13/2激光能級，從而釋放出波長為1.54微米的激光輻射。
1.2. 敏化過程：
鉺玻璃的一個重要特點是，鉺離子本身具有較弱的吸收能力，因此需要通過添加敏化劑來增強激光器的效率。最常用的敏化劑是釔離子（Yb3?）。Yb3?離子能夠吸收波長為900-1000 nm的近紅外泵浦光，并將能量傳遞給Er3?離子，從而激發(fā)Er3?離子到更高的能級。這一過程稱為敏化過程。通過這一敏化過程，鉺玻璃激光器能夠在相對較低的泵浦功率下獲得較高的能量轉換效率。
1.3. 泵浦源：
鉺玻璃通常采用閃光燈或激光二極管（LD）來提供能量。閃光燈泵浦是一種傳統(tǒng)的泵浦方式，它通過提供高能量的短脈沖光來激發(fā)增益介質。而激光二極管泵浦則是近年來應用較廣的一種泵浦方式，其通過發(fā)射波長為900-1000 nm的近紅外光源，直接激發(fā)Yb3?離子。激光二極管泵浦的優(yōu)勢在于其能夠提供較為穩(wěn)定且高效的泵浦光源，尤其適用于需要高功率和連續(xù)波（CW）激光輸出的應用。
1.4. 磷酸鹽玻璃與其他基質的選擇：
雖然鉺摻雜的玻璃可以作為增益介質，但不同類型的玻璃基質對鉺玻璃激光器的性能有顯著影響。磷酸鹽玻璃被廣泛認為是最適合用于Yb–Er玻璃激光器的基質之一。磷酸鹽玻璃的獨特優(yōu)勢在于它能夠將Er3?的4I13/2激光能級的長壽命（約7毫秒）與4I11/2能級的短壽命（約2-3毫秒）有效結合，這種設計有助于提高激光效率。此外，磷酸鹽玻璃還與Yb3?的激發(fā)態(tài)2F5/2之間存在共振，這進一步提高了能量傳遞效率。
2.泵浦方式
2.1 閃光燈泵浦
閃光燈泵浦鉺玻璃激光器是最傳統(tǒng)的設計方式之一，在某些高能量需求的場合，閃光燈泵浦依然是一種有效且經(jīng)濟的選擇。閃光燈泵浦鉺玻璃激光器能夠在自由運行模式下輸出高能量脈沖，脈沖能量可達到數(shù)十焦耳，而在Q開關模式下，輸出能量更可以達到數(shù)焦耳。
閃光燈泵浦鉺玻璃激光器的工作原理是利用閃光燈發(fā)出的高能量短脈沖光來激發(fā)Yb–Er玻璃中的Yb3?離子，進而傳遞能量給Er3?離子，使其躍遷至激光能級并產生1.54微米的激光輻射。閃光燈泵浦的一個優(yōu)點是能夠提供較大的泵浦能量，尤其是在需求大功率脈沖輸出的應用中。
閃光燈泵浦 Cr–Yb–Er 玻璃的效率通常比無鉻（Yb–Er 和 Nd–Yb–Er）玻璃高出 2–4 倍。然而，Cr–Yb 的室溫能量傳遞量子效率不超過 60%。Cr 含量較高的玻璃激光器散熱較多，因此它們更容易發(fā)生熱破裂，導致其平均功率比無鉻玻璃低約 1.5 倍。
2.2 激光二極管（LD）泵浦
近年來，激光二極管泵浦（LD泵浦）成為鉺玻璃激光器中最常見的泵浦方式之一。
LD泵浦的鉺玻璃激光器可以分為橫向泵浦和縱向泵浦兩種配置：
橫向泵浦激光器： 橫向泵浦是鉺玻璃激光器的一種常見設計方式。在這種配置中，激光二極管陣列從激光棒的兩側同時泵浦玻璃激光棒。通常，橫向泵浦激光器采用脈沖模式工作，泵浦脈沖的持續(xù)時間通常為毫秒級。為了實現(xiàn)較高的泵浦功率，通常需要使用多個LD陣列或堆棧，而非單一LD。
縱向泵浦激光器： 縱向泵浦激光器通常設計為更加緊湊的微型激光器配置。縱向泵浦激光器使用單個或少數(shù)幾個激光二極管來提供泵浦光源，泵浦區(qū)域的直徑通常較小，適合實現(xiàn)較低的閾值并支持連續(xù)波（CW）模式的工作。
縱向泵浦激光器的一個典型優(yōu)勢是其小型化和高效率。例如，使用Yb–Er玻璃的微型縱向泵浦激光器在高釔濃度的玻璃設計下能夠提供顯著的性能。該設計使得微型激光器具有較低的泵浦閾值，并能夠在CW模式下穩(wěn)定工作。
3.?鉺玻璃的應用
人眼安全激光
鉺玻璃產生的特定波長（1.5 μm）與水的強吸收峰相吻合。由于人類的角膜和晶狀體含水量高，它們會有效吸收激光輻射，從而減少傳輸?shù)揭暰W(wǎng)膜的光量。視網(wǎng)膜是眼睛的感光層，特別容易受到高功率激光的損害。因此，與波長到達視網(wǎng)膜的激光相比，Er：玻璃激光器被歸類為相對人眼安全的激光器。
雷達測距：
除了對眼睛相對安全之外，Er：玻璃激光器產生的 1.5 μm波長也是激光測距儀的理想波長。它在大氣中具有良好的透明度，使光束能夠長距離傳播且衰減最小。此外，該波長與某些可在室溫下工作的紅外光電探測器的峰值靈敏度相吻合（包括銦鎵砷(InGaAs) 和鍺(Ge) 基光電二極管）。
醫(yī)療美容：
鉺玻璃激光用于非剝脫性激光煥膚。1540納米波長被皮膚組織內的水分子高度吸收。非剝脫性激光使用的波長不會導致組織中的水分蒸發(fā)（剝脫），而是激光能量以受控方式加熱組織。溫度升高會刺激新膠原蛋白生成，這是身體產生新膠原蛋白的過程。通過刺激膠原蛋白的產生，鉺玻璃激光治療可以改善細紋、皺紋和膚色不均的外觀，而不會完全去除皮膚表層。由于治療不涉及組織蒸發(fā)或剝脫，治療停機時間顯著減少。
光纖放大器：
鉺玻璃在光纖通信中的應用最為廣泛，尤其是在光纖放大器中。Er:Glass在波長為1550 nm的范圍內具有強烈的吸收和發(fā)射特性，這使其成為一種理想的放大介質，能夠增強光信號的強度，特別是在長距離光纖通信中。
FAQ
1. 什么是鉺玻璃激光器？
鉺玻璃激光器是一種使用鉺離子（Er3?）摻雜的玻璃作為增益介質的激光器。其激光波長通常為1.54微米，來源于鉺離子的4I13/2到4I15/2躍遷。該激光波長具有優(yōu)異的眼部安全性，因為液態(tài)水在1.54微米處的消光系數(shù)非常高，能夠完全吸收該波長的激光，防止其到達視網(wǎng)膜。
2. 鉺玻璃的主要優(yōu)勢是什么？
鉺玻璃的主要優(yōu)勢包括：
眼部安全性： 1.54微米波長的激光對眼部具有高度安全性，特別適用于醫(yī)療和眼科應用。
靈活的工作模式： 鉺玻璃激光器可以在多種模式下工作，包括連續(xù)波（CW）模式和高能量脈沖模式，脈沖持續(xù)時間從毫秒到飛秒級別。
低功率損耗： 鉺玻璃能夠提供較低的泵浦功率，并通過Yb3?敏化提高能量轉換效率。
3. 鉺玻璃的工作原理是什么？
鉺玻璃的工作原理依賴于鉺離子（Er3?）和釔離子（Yb3?）之間的能量傳遞。鉺離子在吸收泵浦光后，躍遷至較高的能級，并通過輻射躍遷發(fā)射1.54微米的激光。由于鉺離子本身的吸收效率較低，通常需要通過Yb3?離子來進行敏化，后者吸收近紅外（900-1000 nm）泵浦光并將能量傳遞給鉺離子，從而提高效率。
4. 鉺玻璃激光器的泵浦源有哪些？
鉺玻璃激光器的泵浦源主要有兩種：
閃光燈泵浦： 利用氙氣閃光燈發(fā)出的高能量脈沖光來激發(fā)鉺玻璃增益介質。這是一種傳統(tǒng)的泵浦方式，適用于大功率脈沖輸出。
激光二極管（LD）泵浦： 激光二極管通過提供穩(wěn)定的近紅外（900-1000 nm）泵浦光，能夠實現(xiàn)更高效且穩(wěn)定的輸出，特別適用于連續(xù)波（CW）模式下的應用。
參考文獻
[1]Erbium (Er) glass lasers
[2]https://en.wikipedia.org/wiki/Er:glass_laser
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