CN103848569B - 用于短脉冲和高峰值功率激光器的超宽带宽激光玻璃 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于短脉冲和高峰值功率激光器的超宽带宽激光玻璃。具体地，本发明涉及用于固态激光器应用、特别是短脉冲高峰值功率激光器应用中的玻璃。特别地，本发明涉及一种增宽如下稀土离子的发射带宽的方法，该稀土离子在固态激光玻璃介质、尤其在使用Nd和Yb作为共掺杂剂的基于磷酸盐的玻璃组合物中用作激光离子。本发明另外涉及一种使用Nd掺杂且Yb掺杂的磷酸盐激光玻璃的激光器系统，和使用这种激光器系统产生激光束脉冲的方法。

Description

用于短脉冲和高峰值功率激光器的超宽带宽激光玻璃
技术领域
本发明涉及用于固态激光器应用、特别是短脉冲高峰值功率激光器应用中的玻璃。特别地，本发明涉及一种增宽如下稀土离子的发射带宽的方法，该稀土离子在固态激光玻璃介质、尤其基于磷酸盐的玻璃组合物中用作激光离子。
背景技术
在高功率和短脉冲激光器应用中，例如现有拍瓦激光器系统和超短脉冲激光器（产生持续时间例如为约飞秒的光脉冲的激光器）以及未来的艾瓦激光器系统，希望固态激光介质具有宽的发射带宽。例如参考Laser Focus World，2008年4月，第19-20页中描述的大力神激光器（Hercules laser），其使用Ti掺杂的蓝宝石晶体。
钛-蓝宝石[Ti:蓝宝石，Ti:Al2O3]晶体具有宽的发射带宽以及在整个宽发射区内的高激光截面。这些性质与蓝宝石晶体卓越的热学性质、物理性质和光学性质结合在一起，使得其成为对于活性固态超短脉冲激光器来说精选的增益材料。然而，短的荧光寿命迫使需要用其它激光器来泵浦Ti:蓝宝石（Ti掺杂的蓝宝石短脉冲激光器通过玻璃激光器泵浦，而玻璃激光器又通过闪光灯泵浦）。这增加了用于扩大规模到艾瓦峰值功率的激光器的总体结构。此外，作为晶体材料，使这种材料产生大孔径而具有所需光学品质是一种挑战且价格昂贵。
稀土掺杂的玻璃也可以用于设计成能产生短脉冲的激光器结构中。使用掺杂的玻璃相对于晶体具有数个优势。这些优势包括成本更低和可用能量更高，因为可以制造高光学品质的大尺寸玻璃，而Ti掺杂的蓝宝石在尺寸上受限。用玻璃方法可以实现简单得多的激光器设计，因为激光玻璃可以通过闪光灯直接泵浦。因此，不同于使用Ti:蓝宝石晶体的激光器，玻璃方法不需要首先构造泵浦激光器。
通过用具有发射激光能力的稀土元素掺杂基质玻璃体系制得激光玻璃，所述稀土元素例如是钕和镱。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。对于可以大量制造并且在适当加工条件下制造时可不含铂粒子的磷酸盐玻璃来说，尤其如此。
公知磷酸盐激光玻璃用作高平均功率和高峰值能量的激光器系统的基质。例如参考US5,526,369（Hayden等人），其公开了Nd掺杂的磷酸盐激光玻璃。但是，在这种情况下，所述激光玻璃设计成具有窄发射带宽（小于26nm)以改进提取效率。在这种典型类型的激光器中，与发射带宽相比，所述激光器的发射是窄的，从而在激光器工作的所述激光带宽之外波长处的发射光实际上被浪费了。为此，希望具有窄的发射带宽。
使用磷酸盐激光玻璃的其它现有研究集中在改性玻璃基质结构以便增宽带宽以及改进截面和热性能。例如参考Payne等人（US5,663,972)，其公开了含有MgO的Nd掺杂的磷-铝激光玻璃的用途。这些玻璃被描述为具有宽的发射带宽。然而，在其中描述的Nd掺杂的磷酸盐玻璃很难以高产率制造。此外，仍需要具有甚至更大的发射带宽的材料。
J.S.Hayden等人，“Effect of composition on the thermal,mechanical andoptical properties of phosphate laser glasses”（组合物对磷酸盐激光玻璃的热学性质、机械性质和光学性质的影响），SPIE第1277页(1990)，127-139，描述了41种Nd掺杂的磷酸盐激光玻璃关于特定改性剂组分的研究。在这些玻璃中，改变碱金属和碱土金属含量的量以考察它们对玻璃的热学、机械、光学和激光性质的影响。在这一研究中，已确定发射截面在宽改性剂组成范围内几乎保持恒定。
获得具有宽发射带宽的玻璃的其它尝试已使用亚碲酸盐基质材料。例如参考Aitken等人（US6,656,859)，其描述了含有65-97%的TeO2的掺杂铒的亚碲酸盐玻璃。也参考Aitken等人（US6,194,334），其描述了含有10-90%的TeO2的碱-钨-亚碲酸盐玻璃，和Jiang等人（US6,859,606），其描述了含有50-70%的TeO2的硼-亚碲酸盐玻璃。
J.H.Yang等人，“Mixed Former Effects:A Kind of Compositions AdjustingMethod of Er-doped glass for broadband amplification”（混合前体效应：一种带宽放大用Er-掺杂玻璃的组成调节方法）Chin.Phys.Lett.19[10](2002)1516-1518，公开了Er掺杂的基于铋的玻璃的结果。发现与其它铒掺杂的玻璃相比，所述玻璃具有高发射截面（σp e=0.66-0.90pm2）和大荧光FWHM（荧光半高全宽）（68-95nm）。
除了磷酸盐和亚碲酸盐玻璃之外，硅酸盐、硼酸盐、硼硅酸盐和铝酸盐也已被用作用于激光离子的玻璃基质体系。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，使用这些玻璃伴随有不利的方面。例如，硅酸盐玻璃通常在非常高的温度下熔化，除非其含有大量的改性剂，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性，但是其需要相当高浓度的碱金属或碱土金属以在周围环境中保持稳定。硼硅酸盐玻璃在环境温度下可以是耐用的，并且也在与标准市售玻璃、例如钠钙玻璃类似的温度下熔化。然而，典型的市售硼娃酸盐玻璃含有大量的碱金属，所述碱金属在熔化中促成高的硼酸盐挥发性，类似于磷酸盐玻璃。铝酸盐玻璃显示特别宽的发射带宽，且对于短脉冲激光器操作具有吸引力。但是这些玻璃具有非常高的结晶倾向。
固态激光器的一个一般趋势是制造具有较短脉冲长度的高能激光器，这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10千焦耳激光器的功率是1TW（1TW=10000J/10纳秒）。在“Terrawatt to pettawatt subpicosecond lasers”（太瓦至拍瓦亚皮秒激光器），M.D.Perry和G.Mourou，Science，第264卷，第917-924页(1994)中描述了使用具有较短脉冲长度的高能激光器的趋向。
对于锁模激光器，由傅里叶定理得到的一个公知结果是，脉冲宽度越窄，则产生所述脉冲所需的增益带宽越大；因而变换受到限制。对于激光介质的不均匀展宽谱线宽度，如果脉冲的强度遵循高斯函数，那么所得的锁模脉冲将具有发射带宽/脉冲持续时间的关系为带宽×脉冲持续时间≥0.44的高斯形状。参考W.Koechner，Solid State LaserEngineering（固态激光器设计），第6版，Springer Science，2005(第540页)。显然，为了实现甚至更短的脉冲持续时间，需要确定具有宽的发射带宽的玻璃。
因此，设计利用短脉冲的激光器系统的一个重要因素是找到对于激光跃迁具有宽发射带宽的增益材料。发射带宽与脉冲长度之间的关系为：带宽×脉冲持续时间≥0.44。显然，需要甚至更短的脉冲持续时间，这就必需要有具有宽的发射带宽的玻璃。
遗憾的是，玻璃基质中可实现的发射带宽通常比Ti:蓝宝石晶体中可能的发射带宽小很多倍。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来说，由已知磷酸盐激光玻璃提供的发射带宽与所需要的发射带宽相比太窄。为了克服这一局限性，使用所谓的“混合”激光玻璃放大器方法以实现脉冲压缩之前必需的总带宽。在运行中且产生现在可用的最高峰值功率的拍瓦激光器结构使用这种技术。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，“Demonstration of a1.1petawatt laser based on a hybrid optical parametricchirped pulse amplification/mixed Nd:glass amplifier”（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)中展示了这种拍瓦激光器的设计。
在这些混合激光玻璃设计中，串联使用磷酸盐玻璃和硅酸盐玻璃以实现所需的总带宽。例如参考G.R.Hays等人，“Broad-spectrum neodymium-doped laser glasses forhigh-energy chirped-pulse amplification”（用于高能线性调频脉冲放大的广谱钕掺杂激光玻璃）Appl.Opt.46[21](2007)4813-4819，其描述了一种使用Nd掺杂的钽/硅酸盐玻璃和Nd掺杂的铝酸盐玻璃的混合玻璃结构。
虽然已证明，但这种技术对于未来小型拍瓦系统和对于未来能够在更短脉冲持续时间下产生高能量的艾瓦系统仍是不够的。如果要为用于激光领域的Ti:蓝宝石提供替代物，那么需要带宽是激光玻璃当前可用带宽两倍和三倍大的新型玻璃。
发明内容
因此，本发明的一个方面是提供一种如下的固体玻璃激光介质，其具有用作激光离子的稀土离子的更宽发射带宽。
根据本发明的另一方面，提供一种掺杂的磷酸盐玻璃组合物，其用作如下的固体激光介质，其具有用作激光离子的稀土离子的更宽发射带宽。特别地，提供一种含有Nd2O3和Yb2O3作为共掺杂剂的磷酸盐激光玻璃组合物。
通过对本说明书和所附权利要求书的进一步研究，本发明的其它方面和优势对于本领域普通技术人员将是显而易见的。
虽然先前在增宽玻璃的发射带宽方面的努力集中在改性玻璃基质结构上，但本发明集中在稀土掺杂剂上，特别是掺杂剂之间的能量传递机理和这些相互作用对激光发射带宽的影响。根据本发明，磷酸盐玻璃基质掺杂有多种稀土掺杂剂，通常是Nd2O3与Yb2O3组合。所获得的发射带宽比玻璃中的单种掺杂剂目前可实现的发射带宽要宽得多。
Nd2O3与Yb2O3的组合已用于其它激光玻璃组合物中。De Sousa等人，“Spectroscopy of Nd3+and Yb3+codoped Fluoroindogallate glasses”（Nd3+和Yb3+共掺杂的氟化镓铟基玻璃的光谱），J.Appl.Phys.（应用物理期刊），第90卷，第7期，2001，公开了关于某些氟化铅镓铟基玻璃（lead fluoroindogallate glass）中Nd-Nd和Nd-Yb转移过程的研究结果。所述玻璃组成是30PbF2-20GaF3-15InF3-15ZnF2-(20-X)CaF2-XNdF3（其中X=0.1、0.5、1、2、4和5）；30PbF2-20GaF3-15InF3-15ZnF2-(20-X)CaF2-XYbF3（其中X=0.1、0.5、1、2、3和5）；和30PbF2-20GaF3-15InF3-15ZnF2-(19-X)CaF2-XYbF3-1NdF3（其中X=0.1、0.5、1、2、3和5.5）。
Rivera-Lòpez等人，“Efficient Nd3+→Yb3+Energy Transfer Processes inHigh Photon Energy Phosphate Glasses for1.0μm Yb3+Laser”（用于1.0μm Yb3+激光器中的高光子能量磷酸盐玻璃中的高效Nd3+→Yb3+能量转移过程）J.Appl.Phys.（应用物理期刊）109，123514(2011)公开了关于某些磷酸盐玻璃中Nd3+→Yb3+能量转移的研究。所研究的玻璃具有以下组成：58.5摩尔%的P2O5、17摩尔%的K2O、14.5摩尔%的BaO、9摩尔%的Al2O3和1摩尔%的Nd2O3；58.0摩尔%的P2O5、17摩尔%的K2O、14.0摩尔%的BaO、9摩尔%的Al2O3、1摩尔%的Nd2O3和1.0摩尔%的Yb2O3；57.5摩尔%的P2O5、17摩尔%的K2O、13.5摩尔%的BaO、9摩尔%的Al2O3、1摩尔%的Nd2O3和2.0摩尔%的Yb2O3；和56.5摩尔%的P2O5、17摩尔%的K2O、12.5摩尔%的BaO、9摩尔%的Al2O3、1摩尔%的Nd2O3和4.0摩尔%的Yb2O3。
Sontakke等人，“Efficient Non-Resonant Energy Transfer in Nd3+-Yb3+Codoped Ba-Al metaphosphate Glasses”（Nd3+-Yb3+共掺杂Ba-Al偏磷酸盐玻璃中的高效非共振能量转移）J.Opt.Soc.Am.B/第27卷，第12期，2010，公开了关于某些无碱金属钡-铝-偏磷酸盐玻璃中Nd3+→Yb3+能量转移的研究。所述玻璃组成是(99-x)[20.95摩尔%的BaO，11.72摩尔%的Al2O3，56.12摩尔%的P2O5，6.79摩尔%的SiO2，3.91B2O3，0.51摩尔%Nb2O5]+1.0摩尔%的Nd2O3+X摩尔%的Yb2O3（X=0、0.05、0.1、0.5、1.0、3.0、6.0、9.0）。
也参考E.Yahel等人，“Modeling and Optimization of High-Power Nd3+-Yb3+Codoped Fiber Lasers”（高功率Nd3+-Yb3+共掺杂纤维激光器的建模和优化）J.LightwaveTechnology（光波技术期刊），第24卷，第3期，第1601-1609页(2006年3月)。
Miura等人（US4,806,138）、Myers（US4,962,067）和Myers（US7,531,473）中也描述了含有Nd2O3与Yb2O3的组合的激光玻璃组合物。
此处公开的玻璃适合用于超过1000倍至1000000倍高的功率（拍瓦至艾瓦级别，或甚至更高）。所述公开的玻璃可以用于实现低于100飞秒的脉冲长度，并且其将具有足够高的增益以达到>100kJ的输出能量。在激光器系统中，可通过使用闪光灯作为泵浦源激励根据本发明的玻璃。激光二极管泵浦也是可行的。
根据本发明的一个方面，所述磷酸盐玻璃组合物包含（基于摩尔%）：
其中Yb2O3与Nd2O3的比率是1-25或0.100-0.333。
根据本发明的另一方面，所述磷酸盐玻璃组合物旨在用于在接近1μm（1000nm-1025nm）的Yb波长下运行的激光器中。在这种情况下，所述玻璃含有0.10至5.0摩尔%的Nd2O3，且Yb2O3与Nd2O3的比率是25-1。
根据本发明的另一方面，所述磷酸盐玻璃组合物旨在用于在Nd波长（例如1054nm）下运行的激光器中。在这种情况下，所述玻璃含有0.10至5.0摩尔%的Nd2O3，且Yb2O3与Nd2O3的比率是0.100-0.333。
根据本发明的另一方面，所述磷酸盐玻璃组合物包含（基于摩尔%）：
在上述实施方式中，As2O3和Sb2O3用作精炼剂和/或吸热剂（antisolarant）。因此，这些精炼剂/吸热剂的总量是0.1-1.0摩尔%。
对于由闪光灯泵浦的激光器，CeO2和Nb2O5用作吸热剂。
在上述实施方式中，Cr2O3的功能可视玻璃的总组成而不同。例如，Cr2O3可充当辅助掺杂剂/敏化剂以增加效率。
根据本发明的一般玻璃组合物可包含碱金属和/或碱土金属，例如MO是0.00-10.00摩尔%，其中MO是MgO、CaO、SrO、BaO和ZnO的总和；且M’2O是0.00-10.00摩尔%，其中M’2O是Li2O、Na2O、K2O和Cs2O的总和。但是，根据本发明的另一方面，所述磷酸盐玻璃组合物不含任何碱金属或碱土金属。在这种情况下，不存在碱金属和碱土金属提供了在熔化过程中的非常低的挥发性。
基本上不含碱金属是指根据本发明的玻璃组合物含有少于0.5摩尔%的碱金属（例如Na2O、Li2O和K2O），尤其少于0.1摩尔%。基本上不含碱土金属是指根据本发明的磷酸盐玻璃组合物含有少于0.5摩尔%的碱土金属（例如BaO、CaO和MgO），尤其少于0.1摩尔%。
关于此处所述的范围，所有范围都包括所述范围的至少两个端点，以及至少介于这两个端点之间的所有整数。因此，例如范围1至10应理解为至少明确地公开了值1、2、3、4、5、6、7、8、9和10。
在根据本发明的玻璃组合物中，P2O5充当主要网络形成体的源。因此，根据本发明的另一方面，根据本发明的磷酸盐玻璃组合物含有50.00-70.00摩尔%的P2O5，例如60.00-70.00摩尔%的P2O5，例如，60、61、62、63、64、65、66、67、68、69或70摩尔%（例如60.00-67.00摩尔%的P2O5）。
在根据本发明的玻璃组合物中，B2O3也充当网络形成体。根据本发明的另一方面，根据本发明的磷酸盐玻璃组合物含有2.00-10.00摩尔%的B2O3，例如2、3、4、5、6、7、8、9或10摩尔%。例如，根据本发明的磷酸盐玻璃组合物可含有3.00-8.00摩尔%的B2O3或3.00-5.00摩尔%的B2O3或6.00-8.00摩尔%的B2O3或7.00-10.00摩尔%的B2O3。
Al2O3也可以在本发明的玻璃组合物中充当网络形成体。根据另一方面，根据本发明的磷酸盐玻璃组合物含有1.00-5.00摩尔%的Al2O3，例如1、2、3、4或5摩尔%。例如，根据本发明的磷酸盐玻璃组合物可含有1.00-4.00摩尔%的Al2O3或1.00-3.00摩尔%的Al2O3或3.00-5.00摩尔%的Al2O3。
SiO2也可以在本发明的玻璃组合物中充当网络形成体。根据另一方面，根据本发明的磷酸盐玻璃组合物含有1.00-5.00摩尔%的SiO2，例如1、2、3、4或5摩尔%。例如，根据本发明的磷酸盐玻璃组合物可含有1.00-4.00摩尔%的SiO2或1.00-3.00摩尔%的SiO2或3.00-5.00摩尔%的SiO2。
Nd2O3和Yb2O充当共掺杂剂，从而都提供玻璃的发射激光作用。根据另一方面，根据本发明的磷酸盐玻璃组合物含有0.10-5.00摩尔%的Nd2O3，例如0.2、0.3、0.4、0.5、0.75、0.85、1.0、1.25、1.5、1.75、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5或5.0摩尔%。例如，根据本发明的磷酸盐玻璃组合物可含有1.00-4.00摩尔%的Nd2O3或1.50-2.50摩尔%的Nd2O3。
根据另一方面，根据本发明的磷酸盐玻璃组合物含有0.10-40.00摩尔%的Yb2O3，例如0.2、0.3、0.4、0.5、0.75、0.85、1.0、1.25、1.5、1.75、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、10.0、15.0、20.0、25.0、30.0、35.0或40.0摩尔%。例如，根据本发明的磷酸盐玻璃组合物可含有0.10-20.00摩尔%的Yb2O3或0.10-10.00摩尔%的Yb2O3或0.10-1.00摩尔%的Yb2O3或0.10-5.00摩尔%的Yb2O3或8.00-10.00摩尔%的Yb2O3或30.00-40.00摩尔%的Yb2O3。
根据另一方面，根据本发明的磷酸盐玻璃组合物通常含有0.00-20.00摩尔%的La2O3，例如，0.00-16.00摩尔%的La2O3或0.00-8.00摩尔%的La2O3或7.00-16.00摩尔%的La2O3。
根据另一方面，根据本发明的磷酸盐玻璃组合物中的稀土氧化物Re2O3的总和，即La2O3、Nd2O3、Yb2O3、CeO2和Er2O3的总和，优选为0.2-40摩尔%，例如0.3、0.4、0.5、0.6、0.75、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0、11.0、12.0、13.0、14.0、15.0、16.0、17.0、18.0、19.0、20.0、25.0、30.0、35.0或40.0摩尔%。例如，根据本发明的磷酸盐玻璃组合物可含有1-25摩尔%或5-20摩尔%或15-20摩尔%的Re2O3。
根据另一方面，根据本发明的磷酸盐玻璃组合物中Yb2O3与Nd2O3的摩尔比率是0.100-0.333（即Yb:Nd为1:10至1:3），例如0.10、0.15、0.18、0.2、0.21、0.22、0.23、0.24、0.25、0.26、0.28、0.29、0.30、0.31、0.32或0.33。例如，根据本发明的磷酸盐玻璃组合物中Yb2O3与Nd2O3的比率可为0.1-0.2或0.15-0.25或0.2-0.3。
根据另一方面，根据本发明的磷酸盐玻璃组合物中Yb2O3与Nd2O3的摩尔比率是1-25（即，Yb:Nd为1:1至25:1），例如1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0、11.0、12.0、13.0、14.0、15.0、16.0、17.0、18.0、19.0、20.0、21.0、22.0、23.0、24.0或25.0。例如，根据本发明的磷酸盐玻璃组合物中Yb2O3与Nd2O3比率可为1-20或2-15或2-10或5-10。
如上所述，根据本发明的玻璃组合物可包含碱金属M’2O（Li2O、Na2O、K2O和Cs2O的总和），其量为0.00-10.00摩尔%，例如0.0、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0或10.0摩尔%。碱金属可以添加到玻璃组合物中以进一步对所述玻璃体系的激光性质和机械性质进行改性。例如参考J.S.Hayden等人，“Effect of composition on the thermal,mechanical and optical properties of phosphate laser glasses”（组合物对磷酸盐激光玻璃的热学性质、机械性质和光学性质的影响）SPIE第1277卷(1990)，127-139。
同样，如上所述，根据本发明的玻璃组合物可包含碱土金属MO（MgO、CaO、SrO、BaO和ZnO的总和），其量为0.00-10.00摩尔%，例如0.0、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0或10.0摩尔%。碱土金属可以添加到玻璃组合物中以进一步对所述玻璃体系的激光性质和机械性质进行改性。例如参考J.S.Hayden等人，“Effect of composition on thethermal,mechanical and optical properties of phosphate laser glasses”（组合物对磷酸盐激光玻璃的热学性质、机械性质和光学性质的影响）SPIE第1277卷(1990)，127-139。
总的说来，碱金属和碱土金属的总和，即MO和M’2O的总和，是0.00-20.00摩尔%，例如0.0、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或20摩尔%。例如，玻璃组合物中碱金属和碱土金属的总量（MO和M’2O的总和）可以是0.0-15.0摩尔%或0.0-10.0摩尔%或0.0-5.0摩尔%或0.0-3.0ml%。
根据本发明的另一方面，根据本发明的磷酸盐组合物的有效发射带宽（Δλ有效）至少为35nm，优选至少45nm，尤其至少100nm，并且特别是至少105nm。
根据本发明的另一方面，提供一种如下的激光器系统，其中Yb激光器由闪光灯泵浦。因为Yb对于闪光灯的光具有最小的吸收，所以对于增益材料使用Yb掺杂的激光玻璃的典型激光器使用二极管技术，这种技术对扩大规模是昂贵的。在根据本发明的玻璃组合物的情况下，对于其中Yb:Nd比率是1.0或更高的玻璃，闪光灯能量可被Nd带吸收并转移到Yb激光能级。
可以根据Judd-Ofelt理论、Fuchtbauer-Ladenburg理论或McCumber方法测量激光性质。可以在E.Desurvire，Erbium Doped FiberAmplifiers（铒掺杂的纤维放大器），JohnWiley and Sons(1994)中找到Judd-Ofelt理论和Fuchtbauer-Ladenburg理论的探讨。McCumber方法如在例如Miniscalco和Quimby，Optics Letters（光学快报）16(4)，第258-266页(1991)中所讨论的。也可以参考Kassab，Journal of Non-CrystalIine Solids（非晶体固体期刊）348(2004)，103-107。Judd-Ofelt理论和Fuchtbauer-Ladenburg理论从发射曲线评估激光性质，而McCumber方法使用玻璃的吸收曲线。
关于发射带宽，如果具有测得的发射曲线（例如在Judd-Ofelt或Fuchtbauer-Ladenburg分析中收集）或计算的发射曲线（来自McCumber分析），则可以用两种方法得到发射带宽。第一种方法是简单测量在最大值一半处的宽度（被称为发射带宽半高全宽或ΔλFWHM）。
Yb的发射曲线将在～980nm处显示一个窄特征峰。如果该特征峰显著，则ΔλFWHM值将仅反映这一个特征峰的宽度，且曲线的其余部分将没有贡献。因此，ΔλFWHM值并不总是Yb发射带宽的可靠指标。
第二种方法是用发射曲线上的每个点除以所述曲线下的总面积。被称为线宽函数的结果将具有被定义为有效带宽Δλ有效的倒数的峰值。通过这种方法，整个发射曲线始终对发射带宽结果有贡献。此处使用的这种值在分析中用作发射带宽的最佳指标。
附图说明
下文基于在附图中图解描绘的示例性实施方式更详细地解释本发明和本发明的更多细节，例如本发明的特征和伴随的优势，且其中：
图1以图表方式示例了对于Ce-Yb-Nd共掺杂玻璃体系在不同泵浦能量设定下所获得的试验发射光谱；
图2以图表方式示例了对于La-Yb-Nd共掺杂玻璃体系在不同泵浦能量设定下所获得的试验发射光谱；
图3以图表方式示例了随掺杂剂浓度变化的发射带宽变化；和
图4示出了含有稀土混合物的根据本发明的超宽带宽激光玻璃与现有技术市售磷酸盐玻璃LG770的发射曲线的比较。
具体实施方式
表1列出了根据本发明的组合物。另外，表4列出了对比例玻璃组合物，其中所述玻璃不含Nd-Yb共掺杂的体系。表2列出了表1玻璃的物理性质和光学性质。表3列出了表1玻璃的发射带宽。表5列出了表4玻璃的物理性质和光学性质。表6列出了表4玻璃的发射带宽。
所有玻璃均使用激光级成分制造且在干燥氧气环境下借助于使用铂搅拌器搅拌而熔化以实现较好的均匀性。所有玻璃都浇铸入模具中，并且将其适当地退火以便除去液体冷却到非晶态时的应力。将所得玻璃板坯成形为提供各种玻璃性质的工具使用所需的形式。
这些性质测量和计算的结果，对于本发明中所包括的玻璃详述于表2中，而对于对比例详述于表5中。
通过用泵浦波长设定在514nm的氩激光器激发掺杂剂离子而获得荧光发射光谱。使用0.3m成像三光栅分光计和3mm的InGaAs近红外检测器收集所得发射光谱。在分光计中用600刻线/米的光栅获得0.1nm间隔的步进扫描。使用各玻璃的样品测量发射光谱，由此根据方程式（1）确定有效发射带宽（Δλ有效）：
在800至1200nm之间进行光谱的面积积分。使用适当长度的FFT平滑滤波器对所收集的各曲线进行后处理。计算时使用变平滑的光谱以降低数据集中的噪音等级。例如参考图1和图2，其示出了变平滑之后的数据。
图1和图2是两个实施例CYN-1和LYN-4的发射曲线。在每种情况下，发射光谱中都显示三个发射峰。标称980nm和1000nm处的峰被归属给Yb2O3，而标称1060nm处的峰被归属给Nd2O3。应注意到，镱在接近980nm的区域中具有自吸收，所以不是实施例玻璃中的所有发射都可以有效地被用于实际的激光器系统中。
在图1中，对于Ce-Yb-Nd共掺杂的玻璃由测量光谱计算得到约110nm的带宽。在图2中，对于La-Yb-Nd共掺杂的玻璃计算得到约105nm的带宽。
在表3中显示，与Nd2O3/Yb2O3高于或低于LYN-2的其它实施例玻璃相比，Nd2O3/Yb2O3比率为～2.3的LYN-2玻璃产生最小的有效发射带宽。
图3示例了可以如何通过优化选择Nd2O3和Yb2O3的掺杂水平来调节和扩展发射光谱，并由此调节和扩展有效发射带宽。使发射带宽最大化的关键在于调节掺杂浓度，以使所述三个发射峰在标称相同的强度下产生。由图可以看出，选择Nd2O3与Yb2O3之间的最佳掺杂比率可以将发射带宽从45nm约增加到超过100nm。
图4示例了含有稀土混合物的根据本发明的超宽带宽激光玻璃与含有P2O5、Al2O3、K2O、MgO和Nd2O3的现有技术磷酸盐玻璃LG770（参考US5,526,639）的发射曲线的比较。可以看出，本发明的玻璃组合物CYN-1具有比LG770的带宽显著更宽的带宽。
表1.含有稀土混合物的新型超宽带宽激光玻璃的玻璃组合物（摩尔%）
表2.含有稀土混合物的新型超宽带宽激光玻璃的性质
表3.含有稀土混合物的新型超宽带宽激光玻璃的发射带宽
实施例→ YN-1 LYN-1 LYN-2 LYN-3 LYN-4 CYN-1
性质↓
Nd2O3/Yb2O3比率 0.053 0.263 2.312 9.500 4.643 4.673
Yb2O3/Nd2O3比率 18.965 3.798 0.433 0.105 0.215 0.214
发射带宽[nm] 129.7 90.3 45.7 83.3 105.1 108.8
表4.未引入多种稀土混合物的现有技术玻璃的玻璃组合物（摩尔%）
实施例 Y-1 N-1
氧化物摩尔%
SiO2 4.001 4.001
B2O3 7.992 7.992
Al2O3 4.001 4.001
P2O5 65.955 65.955
CeO2
Nd2O3 1.000
Yb2O3 18.051
La2O3 17.051
表5.未引入多种稀土混合物的现有技术玻璃的性质
表6.未引入多种稀土混合物的现有技术玻璃的发射带宽
实施例→ Y-1 N-1
性质↓
发射带宽[nm] 76.4 33.45
此处引用的所有申请、专利和公开物的全部公开内容通过引用并入本文。
可以通过用本发明概述或详述的反应物和/或操作条件代替前述实施例中使用的那些反应物和/或操作条件，从而同样成功地重复前述实施例。
从上述描述中，本领域普通技术人员可容易地确定本发明的基本特征，且能够在不背离本发明的主旨和范围的情况下，作出本发明的各种改变和变体以使其适应各种用途和条件。

Claims (24)

1.一种Nd掺杂且Yb掺杂的磷酸盐玻璃组合物，其基于摩尔％包含：
P2O5 50.00-70.00 B2O3 2.00-10.00 Al2O3 1.00-5.00 SiO2 1.00-5.00 Nd2O3 0.10-5.00 Yb2O3 0.10-35.00 La2O3 0.00-20.00 Er2O3 0.00-5.00 CeO2 0.00-20.00
其中Yb2O3与Nd2O3的摩尔比率是1-25或0.100-0.333。
2.根据权利要求1所述的Nd掺杂且Yb掺杂的磷酸盐玻璃组合物，其中Yb2O3与Nd2O3的摩尔比率是1-25。
3.根据权利要求2所述的Nd掺杂且Yb掺杂的磷酸盐玻璃组合物，其中Yb2O3与Nd2O3的摩尔比率是1-20。
4.根据权利要求1所述的Nd掺杂且Yb掺杂的磷酸盐玻璃组合物，其中Yb2O3与Nd2O3的比率是0.100-0.333。
5.根据权利要求4所述的Nd掺杂且Yb掺杂的磷酸盐玻璃组合物，其中Yb2O3与Nd2O3的摩尔比率是0.2-0.3。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的Nd掺杂且Yb掺杂的磷酸盐玻璃组合物，其中所述玻璃组合物含有0.00-10.00摩尔％的MO和0.00-10.00摩尔％的M’2O，其中MO是MgO、CaO、SrO、BaO和ZnO的总和，且M’2O是Li2O、Na2O、K2O和Cs2O的总和。
7.根据权利要求1至5中的任一项所述的Nd掺杂且Yb掺杂的磷酸盐玻璃组合物，其中所述玻璃组合物含有少于0.5摩尔％的碱金属。
8.根据权利要求1至5中的任一项所述的Nd掺杂且Yb掺杂的磷酸盐玻璃组合物，其中所述玻璃组合物含有少于0.5摩尔％的碱土金属。
9.根据权利要求1至5中的任一项所述的Nd掺杂且Yb掺杂的磷酸盐玻璃组合物，其中所述玻璃组合物含有60.00-70.00摩尔％的P2O5。
10.根据权利要求1至5中的任一项所述的Nd掺杂且Yb掺杂的磷酸盐玻璃组合物，其中所述玻璃组合物含有3.00-8.00摩尔％的B2O3。
11.根据权利要求1至5中的任一项所述的Nd掺杂且Yb掺杂的磷酸盐玻璃组合物，其中所述玻璃组合物含有1.00-4.00摩尔％的Al2O3。
12.根据权利要求1至5中的任一项所述的Nd掺杂且Yb掺杂的磷酸盐玻璃组合物，其中所述玻璃组合物含有1.00-4.00摩尔％的SiO2。
13.根据权利要求1至5中的任一项所述的Nd掺杂且Yb掺杂的磷酸盐玻璃组合物，其中所述玻璃组合物含有1.00-4.00摩尔％的Nd2O3。
14.根据权利要求1至5中的任一项所述的Nd掺杂且Yb掺杂的磷酸盐玻璃组合物，其中所述玻璃组合物含有0.10-20.00摩尔％的Yb2O3。
15.根据权利要求1至5中的任一项所述的Nd掺杂且Yb掺杂的磷酸盐玻璃组合物，其中所述玻璃组合物含有0.00-16.00摩尔％的La2O3。
16.根据权利要求1至5中的任一项所述的Nd掺杂且Yb掺杂的磷酸盐玻璃组合物，其中所述磷酸盐玻璃组合物中La2O3、Nd2O3、Yb2O3、CeO2和Er2O3的总和是1-25摩尔％。
17.根据权利要求1至5中的任一项所述的Nd掺杂且Yb掺杂的磷酸盐玻璃组合物，其中MO和M’2O的总和是0.00-15.00摩尔％。
18.根据权利要求1至5中的任一项所述的Nd掺杂且Yb掺杂的磷酸盐玻璃组合物，其中所述磷酸盐组合物的有效发射带宽(Δλ有效)至少是35nm。
19.根据权利要求1所述的Nd掺杂且Yb掺杂的磷酸盐玻璃组合物，其中所述玻璃组合物基于摩尔％包含：
P2O5 60-70 B2O3 7-10 Al2O3 3-5 SiO2 3-5 Nd2O3 0.5-4.0 Yb2O3 0.1-25.0 La2O3 0.0-15 Er2O3 0.00-5.00 CeO2 0.0-15 Cr2O3 0.0-1.00 Nb2O5 0.0-1.00 As2O3和/或Sb2O3 0.1-1.00。
20.一种固态Yb激光器系统，其包含根据权利要求1至5中的任一项所述的Yb掺杂的磷酸盐玻璃组合物作为固体增益介质，并包括至少一个闪光灯作为泵浦源，其中所述玻璃组合物的Yb:Nd比率是1.0或更高。
21.一种固态激光器系统，其包含固体增益介质并包括泵浦源，改进之处在于其中所述固体增益介质是具有根据权利要求1至19中的任一项所述的组成的玻璃。
22.根据权利要求21所述的激光器系统，其中系统的功率输出是每脉冲至少一拍瓦或更大。
23.一种产生激光束脉冲的方法，所述方法包括闪光灯泵浦或二级管泵浦根据权利要求1至19中的任一项所述的玻璃组合物。
24.一种产生激光束脉冲的方法，所述方法包括闪光灯泵浦根据权利要求21所述的激光器系统。
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Efficient non-resonant energy transfer in Nd3+ - Yb3+ codoped Ba-Al-metaphosphate glasses;Atul D. Sontakke et al.;《Journal of the Optical Society of America B》;20101118;第27卷(第12期);摘要，第2页第1段，第3页第2段 *

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