Yb:YAG晶体，即掺镱的钇铝石榴石晶体，因其的物理特性在科研领域中扮演着越来越重要的角色。Yb:YAG作为特殊的激光工作物质，不仅继承了YAG基质材料的优良物理性质和稳定化学性能，而且因其更高的激光上能级寿命，展现出良好的激光工作性能。在相同的半导体泵浦功率下，Yb:YAG的每单位泵浦功率热负荷仅为Nd:YAG的三分之一，这使得其在高功率激光操作中具有更优良的散热性能，有效减少了热效应对激光输出的影响^[1]。以下是几个在科研工作中Yb:YAG晶体关键应用场景：

1. 高重频全固态飞秒激光器

Yb:YAG晶体因其高热导率、长上能级寿命和宽发射带宽，成为高重频全固态飞秒激光放大器的理想增益介质。在工业超快非热微加工、极紫外光学频率梳、高通量高次谐波产生、角分辨电子动量谱等领域，Yb:YAG晶体的应用至关重要^[2]。通过啁啾脉冲放大（CPA）技术，Yb:YAG晶体（8 毫米长、6 毫米直径、3 at.% 掺杂、AR膜系）能够实现kHz量级重复频率、mJ量级能量的飞秒激光输出，这对于高温高密等离子体的驱动和强磁场阵列的自组织放大具有重要意义^[3]。

2. 碟片激光器

碟片激光器以其结构、效率和光束质量上的优势，在实现高重复频率、大脉冲能量及高平均功率的超快激光方面展现出强大的能力。Yb:YAG晶体在碟片激光器中的应用，使得科研人员能够实现高能量、高光束质量的激光输出^[4]。例如，长春光学精密机械与物理研究所利用Yb:YAG单碟片再生放大器（215 微米厚、12 毫米直径、7 at.% 掺杂、AR膜系；同时搭配两块尺寸 为 10 mm×10 mm×25 mm的BBO晶体实 现λ/4的相位调制量）实现了重复频率为1 kHz、单脉冲能量为107 mJ的激光输出，这是次达到这一成就^[5]。

图1. 碟片状Yb:YAG晶体

*图片来源Dausinger + Giesen GmbH

3. 辐射平衡激光器（RBL）

在辐射平衡激光器（RBL）的研究中，Yb:YAG晶体被用于实现激光器的自冷却，从而减少热退化和提高激光效率^[6]。通过精确控制泵浦光和激光光的波长，Yb:YAG晶体（4  毫米长、5 毫米宽、0.5 毫米长、5 at.% 掺杂、AR膜系）能够在量子缺陷产生的热量和非辐射衰减产生的热量与荧光诱导冷却之间达到平衡，从而实现高功率连续波（CW）操作^[7]。

图2.基于Yb:YAG的RBL研究装置示意图^[7]

4. 高稳定高光光效率的再生放大器 

Yb:YAG晶体也被用于构建高稳定高光光效率的再生放大器。上海光学精密机械研究所的研究人员设计并搭建了基于Yb:YAG单薄片激光模块（215 微米厚、9 毫米直径、7 at.% 掺杂、AR膜系；同时搭配两块尺寸 为 12 mm×12 mm×20 mm的BBO晶体实 现λ/4的相位调制量）的再生放大系统，实现了平均功率为40.9 W、重复频率为1 kHz、脉冲宽度为3.4 ns的激光输出，光光转换效率达到16.1%^[8]。

图3.基于Yb:YAG的再生放大激光器装置示意图^[8]

此外，中国科学大学的技术团队也设计并搭建了基于Yb:YAG薄片激光模块（100 微米厚、12.7 毫米直径、7 at.% 掺杂、AR膜系；同时搭配两块尺寸 为 6 mm×6 mm×20 mm的BBO晶体实 现λ/4的相位调制量）的再生放大系统，实现了重复频率为50 kHz、输出功率312 W、脉冲宽度720 ps、脉冲能量超过6 mJ的近衍射极限激光输出^[9]。这一成果标志着在输出功率和光光效率方面取得了重大突破。

综上所述，Yb:YAG晶体因其独特的物理特性，在科研领域的应用日益广泛，特别是在高功率、高重频、高光束质量的激光系统设计和实现中发挥着关键作用。随着技术的不断进步，Yb:YAG晶体有望在未来的科研和工业应用中扮演更加重要的角色。

参考文献：

[1] Zhou Y, Meng J, Albrecht A R, et al. Radiation-balanced Yb:YAG disk laser[J]. Optics Express, 2019, 27(2): 1392-1401.

[2] Giesen A, Hügel H, Voss A, et al. Scalable concept for diode-pumped high-power solid-state lasers[J]. Applied Physics B, 1994, 58(5): 365-372.

[3] Bowman S R. Lasers without internal heat generation[J]. IEEE J. Quantum Electron. 1999, 35(1): 115-122.

[4] Schad S S, Gottwald T, Kuhn V, et al. Recent developments in disk lasers at TRUMPF[J]. Proceedings of SPIE, 2016, 9726: 972615.

[5] Chen F, Yu J H, Chen Y, et al. 107 mJ Yb:YAG single thin-disk regenerative amplifier[J]. Chinese Journal of Lasers, 2023, 50(5): 0515001.

[6] Bowman S R. Optimizing average power in low quantum defect lasers[J]. Applied Optics, 2015, 54(31): F78-F84.

[7] Bowman S R, O’Connor S P, Biswal S, et al. Minimizing heat generation in solid-state lasers[J]. IEEE J. Quantum Electron. 2010, 46(7): 1076-1085.

[8] Shi Y S, Li Z Q, Pan X, et al. High stable and high optical-to-optical efficiency Yb:YAG single-disk regenerative amplifier[J]. Chinese Journal of Lasers, 2023, 51(2): 0201005.

[9] Lei X Y, Dai L H, Su M, et al. The Output Power of Domestic Yb:YAG Thin-disk Regenerative Amplifier Exceeds 300 W[J]. Chinese Journal of Lasers, 2024, 51(19): 1915002.