被动调Q掺Nd3+固体激光器的研究进展

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0128

摘要/Abstract

摘要： 三价钕离子（Nd³⁺）掺杂材料可以提供0.9~1.4 μm等谱域，基于Nd³⁺掺杂发展了大量的激光材料。0.9 μm波段附近通过倍频技术可将激光转换为蓝光，用于显示技术和生物成像；1.06 μm波段附近激光输出属于四能级系统，增益高，易于实现高功率输出，用于工业激光切割及激光手术等；1.4 μm波段附近处于人眼安全带且具有大气传输特性，广泛应用于高精度激光雷达、生物医学应用和精细加工领域。这些红外激光源的研究因各种潜在的应用而在过去几十年中引起了广泛关注。本文详细介绍了掺Nd³⁺激光晶体在氧化物及氟化物基质中的脉冲激光性能，同时分析传统可饱和吸收体和新兴二维可饱和吸收体的非线性光学特性及应用领域，最后总结了被动调Q掺Nd³⁺固体激光器在基质和可饱和吸收体材料及谐振腔的研究现状与发展趋势。相信本文将对被动调Q掺Nd³⁺固体激光器的研究提供更深的了解。

关键词: Nd³⁺掺杂; 被动调Q; 激光晶体; 可饱和吸收体; 固体激光器

Abstract: Trivalent neodymium ion （Nd³⁺） doped materials cover the spectral range of 0.9~1.4 μm. Based on Nd³⁺ doping， numerous laser materials have been developed. Near 0.9 μm band， frequency multiplier technology can convert the laser into blue light， which is used in display technology and biomedical imaging； near 1.06 μm band， the laser output belongs to a four-level system with high gain， making it easy to achieve high-power output， and being used for industrial laser cutting and laser surgery， and so on； near 1.4 μm band， it benefits from eye-safe properties， atmospheric transmission characteristics， gaining wide applications in high-precision lidar， biomedical applications and fine processing. Studies about infrared laser sources have been widely recognized over the past few decades due to their various potential applications. This review provides a detailed introduction to the pulsed laser performance of Nd³⁺-doped laser crystals in oxide and fluoride matrices. It also analyzes the nonlinear optical properties and application ranges of traditional saturable absorbers and emerging two-dimensional saturable absorbers. Finally， it summarizes the current research status and development trends of passive Q-switched Nd³⁺-doped solid-state lasers in relation to substrates and saturable absorbers and resonant cavities. We believe that this review will provide a deeper understanding of passive Q-switching Nd³⁺ solid lasers.

Key words: neodymium ion doping; passive Q-switching; laser crystal; saturable absorber; solid-state laser

中图分类号:

TN248.1

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图/表 7

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材料		工作波段/μm	调制深度/%	恢复时间/μs	饱和吸收强度/（W·cm^-2）	Reference
传统材料	Cr⁴⁺∶YAG	1.06	—	3.4	6.3×10⁴	［15］
	V³⁺∶YAG	1.34	—	0.022	<7×10⁶	［16］
	Co²⁺∶MgAl₂O₄	1.54	—	0.35	—	［17］
二维新兴材料	单层石墨烯	1.05	1	1.45×10^-9	—	［23］
	TMD（MoS₂）	1.06	15.5	—	520	［9］
	MXene（Ti₂C）	1.06	4.5	—	3.2×10¹⁰	［26］
	多层黑磷	1.34	15.5	—	—	［28］
	缺陷型h-BN	1.06	1.1	—	1.03×10⁹	［29］
	石墨烯-MoS₂异质结	1.06	15.01	—	—	［30］
其他材料	CH₃NH₃PbI₃薄膜	1.30	18.2	—	1.4×10⁵	［31］
其他材料	石墨烯量子点	1.06	6.9	—	—	［32］

材料		工作波段/μm	调制深度/%	恢复时间/μs	饱和吸收强度/（W·cm^-2）	Reference
传统材料	Cr⁴⁺∶YAG	1.06	—	3.4	6.3×10⁴	［15］
	V³⁺∶YAG	1.34	—	0.022	<7×10⁶	［16］
	Co²⁺∶MgAl₂O₄	1.54	—	0.35	—	［17］
二维新兴材料	单层石墨烯	1.05	1	1.45×10^-9	—	［23］
	TMD（MoS₂）	1.06	15.5	—	520	［9］
	MXene（Ti₂C）	1.06	4.5	—	3.2×10¹⁰	［26］
	多层黑磷	1.34	15.5	—	—	［28］
	缺陷型h-BN	1.06	1.1	—	1.03×10⁹	［29］
	石墨烯-MoS₂异质结	1.06	15.01	—	—	［30］
其他材料	CH₃NH₃PbI₃薄膜	1.30	18.2	—	1.4×10⁵	［31］
其他材料	石墨烯量子点	1.06	6.9	—	—	［32］

Year	Saturable absorber	Wavelength/nm	Repetition rate/kHz	Output power/mW	Pulse width/ns	Energy/μJ	Peak power/kW	Reference
2003	Cr⁴⁺∶YAG	1 064	35.5	91	7	—	0.37	［44］
2008	Cr⁴⁺∶YAG	1 064	16.3	592	6	38.5	6.5	［45］
2013	单壁碳纳米管	1 319	42.7	—	1.15	18.27	0.000 78	［36］
2014	石墨烯	1 444	85	411	560	4.83	0.008 6	［23］
2016	MoS₂	946	609	—	280	0.35	0.001 23	［37］
2017	金纳米棒	1 064.3	300	101	223	337.7	—	［38］［38］
2017	金纳米棒	1 112	120	236	504	1.18	—	［38］［38］
2018	WS₂	1 116/1 123	100.9	410	640	4.06	6.35	［39］
2020	碲烯	1 064 1 319/1 338	535.8 257.1	140 112	97.5 177.7	0.26 0.44	0.002 68 0.002 45	［40］［40］
2021	Ti₂CT_x	1 064	260	946	163	3.638	0.002 232	［41］
2022	石墨烯	1 064	102.7	639	2.06	6.9	0.003	［42］
2025	Cr⁴⁺∶YAG	945	0.12		0.864	78.6	91	［43］

Year	Saturable absorber	Wavelength/nm	Repetition rate/kHz	Output power/mW	Pulse width/ns	Energy/μJ	Peak power/kW	Reference
2003	Cr⁴⁺∶YAG	1 064	35.5	91	7	—	0.37	［44］
2008	Cr⁴⁺∶YAG	1 064	16.3	592	6	38.5	6.5	［45］
2013	单壁碳纳米管	1 319	42.7	—	1.15	18.27	0.000 78	［36］
2014	石墨烯	1 444	85	411	560	4.83	0.008 6	［23］
2016	MoS₂	946	609	—	280	0.35	0.001 23	［37］
2017	金纳米棒	1 064.3	300	101	223	337.7	—	［38］［38］
2017	金纳米棒	1 112	120	236	504	1.18	—	［38］［38］
2018	WS₂	1 116/1 123	100.9	410	640	4.06	6.35	［39］
2020	碲烯	1 064 1 319/1 338	535.8 257.1	140 112	97.5 177.7	0.26 0.44	0.002 68 0.002 45	［40］［40］
2021	Ti₂CT_x	1 064	260	946	163	3.638	0.002 232	［41］
2022	石墨烯	1 064	102.7	639	2.06	6.9	0.003	［42］
2025	Cr⁴⁺∶YAG	945	0.12		0.864	78.6	91	［43］

被动调Q掺Nd³⁺固体激光器的研究进展

Research Progress on Passive Q-Switched Nd³⁺-Doped Solid-State Lasers

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