[科普中國(guó)]-激光晶體

激光晶體（laser crystal），可將外界提供的能量通過(guò)光學(xué)諧振腔轉(zhuǎn)化為在空間和時(shí)間上相干的具有高度平行性和單色性激光的晶體材料。是晶體激光器的工作物質(zhì)。

組成激光晶體由發(fā)光中心和基質(zhì)晶體兩部分組成。大部分激光晶體的發(fā)光中心由激活離子構(gòu)成，激活離子部分取代基質(zhì)晶體中的陽(yáng)離子形成摻雜型激光晶體。激活離子成為基質(zhì)晶體組分的一部分時(shí)，則構(gòu)成自激活激光晶體。

主要元素激光晶體所用的激活離子主要為過(guò)渡族金屬離子和三價(jià)稀土離子。過(guò)渡族金屬離子的光學(xué)電子是處于外層的3d電子，在晶體中這種光學(xué)電子易受到周?chē)?chǎng)的直接作用，所以在不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型的晶體中，其光譜特性有很大差異。三價(jià)稀土離子的4f電子受到5s和5p外層電子的屏蔽作用，使晶場(chǎng)對(duì)其作用減弱，但晶場(chǎng)的微擾作用使本來(lái)禁戒的4f電子躍遷成為可能，產(chǎn)生窄帶的吸收和熒光譜線。所以三價(jià)稀土離子在不同晶體中的光譜不像過(guò)渡族金屬離子變化那么大。激光晶體所用的基質(zhì)晶體主要有氧化物和氟化物。作為基質(zhì)晶體除要求其物理化學(xué)性能穩(wěn)定，易生長(zhǎng)出光學(xué)均勻性好的大尺寸晶體，且價(jià)格便宜，但要考慮它與激活離子間的適應(yīng)性，如基質(zhì)陽(yáng)離子與激活離子的半徑、電負(fù)性和價(jià)態(tài)應(yīng)盡可能接近。此外，還要考慮基質(zhì)晶場(chǎng)對(duì)激活離子光譜的影響。對(duì)于某些具有特殊功能的基質(zhì)晶體，摻入激活離子后能直接產(chǎn)生具有某種特性的激光，如在某些非線性晶體中，激活離子產(chǎn)生激光后通過(guò)基質(zhì)晶體能直接轉(zhuǎn)換成諧波輸出。使用較多的是：Nd:YAG, Nd:YVO4。1

性能一般的激光晶體都是YAG材料，叫釔鋁石榴石。

作為工業(yè)上使用較多的都是高摻釔鋁石榴石，也就是說(shuō)摻入不同的元素來(lái)達(dá)到不同的效果；作為工業(yè)激光，關(guān)注以下性能：

1、在相同的輸入功率下，生熱量底

2、棒體打磨，特別是端面精度要高

3、摻雜濃度高(比如YD，可達(dá)30at.%以上)，有較長(zhǎng)的熒光壽命

4、晶體光譜簡(jiǎn)單，無(wú)激發(fā)態(tài)吸收和上轉(zhuǎn)換，且無(wú)熒光濃度猝滅

應(yīng)用

一、Nd:YAG晶體是目前綜合性能最好的固體激光材料，具有高增益、低閾值、高效率、低損耗、熱導(dǎo)率和抗熱沖擊性好的特性，適合多種激光工作模式（連續(xù)、脈沖、Q開(kāi)關(guān)、鎖模、倍頻等），廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、軍事和科研領(lǐng)域。

Nd:YAG的特性

1、高增益

2、低閾值

3、高效率

4、低損耗

5、熱導(dǎo)率高

6、抗熱沖擊性好

二、Nd,Ce:YAG摻釹和鈰釔鋁石榴石)激光棒是重復(fù)頻率風(fēng)冷激光器最理想的工作物質(zhì)，廣泛用于小型激光測(cè)距機(jī)和激光醫(yī)療儀

Nd,Ce：YAG的優(yōu)勢(shì)

1、高效率，低閾值

2、高光學(xué)質(zhì)量

3、良好的抗紫外輻射特性

4、良好的熱穩(wěn)定性

5、重復(fù)頻率特性好

三、YCr4+:YAG晶體是一種優(yōu)秀的激光晶體。它適用于Q開(kāi)關(guān)、二極管泵浦、Nd:YAG、Nd:YLF、Nd:YVO4泵浦燈及其他摻雜Nd或Yb的波長(zhǎng)0.8-1.2um的激光器。它具有極高的穩(wěn)定性與可靠性、壽命長(zhǎng)、抗損傷的特性，它將是一種理想的被動(dòng)Q開(kāi)關(guān)材料。

YCr4+:YAG的優(yōu)勢(shì)

1、壽命長(zhǎng)

2、抗損傷

3、高穩(wěn)定性

4、高可靠性

四、Er:YAG是一種優(yōu)良的2.94μm激光晶體，廣泛應(yīng)用于激光醫(yī)療系統(tǒng)及其它領(lǐng)域。Er:YAG晶體是3mm激光的最重要工作物質(zhì),并且具有斜率效率高、可在室溫下激光工作、激光波長(zhǎng)處在人眼安全波段范圍內(nèi)等特點(diǎn)。2.94mm Er:YAG激光已經(jīng)大量用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中外科手術(shù)、皮膚科美容、牙科等治療。

Er:YAG的優(yōu)勢(shì)

1、高斜率效率

2、室溫工作

3、激光工作波長(zhǎng)對(duì)人眼相對(duì)安全

五、Yb:YAG是一種很有前途的激光材料，它比傳統(tǒng)的摻Nd激光材料更適合二極管泵浦。與常用的Nd：YAG晶體相比，Yb:YAG的二極管泵浦吸收帶帶寬，能有效降低激光二極管熱管理要求。它具有較長(zhǎng)的高激光能級(jí)壽命，每單位泵浦功率的熱負(fù)荷低3－4倍。摻鐿YAG晶體被期望替代摻釹YAG晶體用于高功率的二極管激光器，以及其它相關(guān)的應(yīng)用中。

Yb:YAG的優(yōu)勢(shì)

1、高斜率效率

2、高光學(xué)質(zhì)量

3、熱導(dǎo)率高，機(jī)械強(qiáng)度高

4、無(wú)激發(fā)態(tài)吸收和上轉(zhuǎn)換

5、單位泵浦功率產(chǎn)生的熱負(fù)荷比Nd:YAG晶體低

6、二極管泵浦吸收帶寬約8nm@940nm

7、適合常用的高功率InGaAs激光二極管（波長(zhǎng)940nm或970nm）泵浦

六、CTH:YAG（Cr,Tm,Ho:YAG）為近年來(lái)固體激光研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一,其產(chǎn)生2.1μm波長(zhǎng)激光的優(yōu)良晶體，以其為工作物質(zhì)的2.1μm激光在醫(yī)學(xué)、光通訊、遙感和激光雷達(dá)、激光化學(xué)、激光光譜、材料加工等方面顯出重要的應(yīng)用前景。

CTH:YAG的主要優(yōu)點(diǎn)

1、脈沖輸出能量高

2、適合重復(fù)頻率工作

3、可于室溫高效率工作

4、適合燈泵浦，也可以適用二極管泵浦

5、激光工作的波長(zhǎng)對(duì)人眼相對(duì)較為安全

七、Nd:YLF晶體是連續(xù)激光、鎖模激光的理想激光晶體材料，它的熱透鏡效應(yīng)非常小，熒光線寬寬，輸出線偏振光。Nd:YLF能夠產(chǎn)生1047nm和1053nm波長(zhǎng)激光，在慣性約束激光聚變科研項(xiàng)目中獲得重要應(yīng)用。 Nd:YLF晶體的主要優(yōu)點(diǎn)

1、相對(duì)小的受激發(fā)射截面

2、超大熒光線寬,連續(xù)激光應(yīng)用等有較低的激發(fā)光閾值

3、有效地單模工作，輸出高功率和低光束發(fā)散角

4、輸出線偏振激光有利于獲得高效率Q開(kāi)關(guān)和倍頻輸出

5、大直徑圓棒或大尺寸板條同樣獲得均勻模式激光輸出

6、適合作為高功率釹玻璃激光系統(tǒng)振蕩器和預(yù)放器。

八、Nd:YVO: 與Nd:YAG相比Nd:YVO4對(duì)泵浦光有更大的受激發(fā)射截面和較高的吸收系數(shù)。它是一種性能優(yōu)良的激光晶體，適合制造激光二極管泵浦，特別是中低功率的激光器?？梢灾瞥奢敵鼋t外、綠色、藍(lán)色到紫外線等類(lèi)型的全固態(tài)激光器?，F(xiàn)在Nd:YVO4激光器已經(jīng)在材料加工、機(jī)械、晶片檢驗(yàn)、醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，而且Nd:YVO4二極管泵浦固態(tài)激光器正在迅速取代傳統(tǒng)的水冷離子激光器和燈泵浦激光器的市場(chǎng)。 Nd:YVO4的主要優(yōu)點(diǎn)

1、光損傷閾值低，高斜率效率

2、為雙軸晶體輸出為線偏振

3、低頻泵浦波長(zhǎng)，易于單模輸出

4、受激發(fā)射截面大，泵浦波長(zhǎng)線寬的吸收高

5、在808nm的泵浦寬帶為Nd:YAG的5倍

6、在1064nm處的受激發(fā)射截面是Nd:YAG的3倍

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

石季英 - 副教授 - 天津大學(xué)