激光材料的发展

上海大学 2013 ～2014 学年秋 季学期本科生课程论文

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注:后附课程论文的正文

激光晶体材料的发展

上海大学物理系 上海 200444

【摘要】本文介绍了几种在固体激光器中受到广泛应用的晶体，包括掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)、掺钕矾酸钇(Nd:YVO4) 和掺钛蓝宝石(Ti: Al2O3)晶体；叙述它们有

关的性质，比如结构特性、光谱特性、激光特性，还介绍了以它们为材料制作的激光器的工作性能和应用前景。

关键词：晶体激光 掺钕钇铝石榴石 掺钕矾酸钇 掺钛蓝宝石

1 引言

1916-1917年爱因斯坦提出光辐射理论和自发辐射、受激吸收和受激辐射等全新概念，几乎提供了激光原理所需的全部理论；1960年梅曼发明第一台红宝石激光器，人类进入激光应用的全新时代；在这44年间，出现了许多历史性的发现和发明，并涌现出与激光的发现发明直接相关的5位诺贝尔奖获得者，包括美国哥伦比亚大学教授Charles. H. Townes , 原苏联莫斯科列别捷夫物理研究所研究员Alexander Prohorov 和Nikolai G Basov (他们三位因在量子电子学领域的基础性工作及微波激射器和激光器原理的开创性工作分获1964 年诺贝尔物理奖) , 美国贝尔实验室研究员A. L. Shawlow 和哈佛大学教授Nicolas Bloembergen (他们两位因在激光光谱领域的开创性工作分获1982 年诺贝尔物理奖) [1]。从第一台固体激光器发明至今，激光从一项物理学上的发明发展成为一种广泛应用于制造、加工、通信、军事、文化、医疗等各个领域的通用技术，大大加快人类文明的进程。

激光材料作为激光技术发展的核心和基础，对激光技术的发展起着决定性的作用。1960年问世的第一台激光器采用晶体材料Cr:Al2O3；20 世纪70年代掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）晶体诞生，固体激光开始大力发展；20 世纪80 年代掺钛蓝宝石(Ti: Al2O3) 晶体的出现使超短、超快和超强激光成为可能，飞秒激光科学技术蓬勃发展并渗透到各基础和应用学科领域；20 世纪90年代研制的掺钕矾酸钇(Nd:YVO4)晶体，使固体激光器的发展进入新时期——全固态激光科学技术。

[4]

[3]

[2]

2几种主要应用的晶体激光材料

至今，实用化的 激光材料已从最初的几种基质材料发展到数十种，并在各个方面获得了实际应用。就其应用范围来说，主要有如下三种：掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)、掺钕矾酸钇(Nd:YVO4) 和掺钛蓝宝石(Ti: Al2O3)晶体。下面逐一介绍

2.1掺钕钇铝石榴石激光晶体

Nd:YAG激光器是目前最常用的一类固体激光器，掺钕钇铝石榴石的参量特别有利于激光作用的产生，YAG基质硬度高、光学质量好、热导率高；YAG的立方结构也有利于产生窄的荧光谱线，从而实现高增益,低阈值的激光运转。在YAG结构中，三价钕替换三价钇，不需要电荷补偿。因此Nd:YAG激光器成为目前应用最广泛的固体激光系统。

钇铝石榴石（𝑌3𝐴𝑙5𝑂12）属立方晶系，其晶格常数为𝑎0=1.2002nm它的分子式结构又可写成𝐿3𝐵4(𝐴𝑂4)3，其中L，A，B分别代表三种格，而在单位晶胞中有8个𝑌3𝐴𝑙5𝑂12分子，其中每个钇离子各处于由8个氧离子配位的十二面体的L格位，16个铝离子各处于由6个氧离子配位的八面体的B格位，另外24个铝离子各处于由4个氧离子配位的四面体的A格位，八面体的铝离子形成体心立方结构，四面体的铝离子和十二面体的钇离子处于立方体的面等分线上，八面体和四面体都是变形的，其结构模型见图1一1[5]。

由于YAG具有特定的组成结构，其在物理、化学和机械方面都具有优良特性。比如光学上各向同性，从低温到其熔点，YAG结构都很稳定，而且强度和硬度都很高。下表是Nd:YAG的温度特性：

表一

特性

热导率/[W·(𝒄𝒎−𝟏·𝑲−𝟏)]

比热容/[J·(g·K)−𝟏 热扩散率/(c𝒎𝟐·𝒔−𝟏) 膨胀系数/(𝟏𝟎−𝟔𝑲−𝟏)

0.59 0.046 7.5

0.43 0.10 5.8

0.13 0.92 4.25

300k 0.14

200k 0.21

100k 0.58

经实验测量，钇铝石榴石种Y-O键的长度为2.45Å，而Y元素与镧系、锕系位于同一副族，它们的+3价离子半径比较接近，因此可以在十二面体格位掺杂一定数目+3价的稀土离子，如𝑁𝑑+3。掺杂𝑁𝑑+3后的YAG晶体具有优良的物理、化学和激光性能，量子效率高，大于99.5%；荧光寿命长，达230μs；激光特性稳定、受温度影响小。此种晶体是目前实用化程度最高的激光晶体，可以连续、准连续工作，还可脉冲工作；可以制作中小功率和微片激光器，还可制成高功率的激光加工机，应用颇为广泛。

2.2掺钕矾酸钇激光晶体

微型全固态激光器在军事、通讯和印刷等领域有着重要作用，尤其是在激光二极管方面的研究取得进展，微型固态激光器的泵浦源问题逐渐解决，人们积极寻找底泵浦阈值、高转换效率激光转换物质。早在20世纪60年代，学术界对掺钕矾酸钇就有极大的评价，只是这种晶体的生长难度较大，没能得到足够的发展。20世纪90年代前期，掺钕矾酸钇单晶研究取得突破，目前该晶体和激光器均已商品化。

掺钕钒酸钇晶体具有较高的激光损伤阈值和良好的物理和光学特性 , Nd:YVO4晶体具有大的受激发射截面和吸收能力，非常适合泵浦激光的产生。Nd:YVO4 晶体,掺钕钒酸钇晶体可通过不同的设置而产生近红外，绿光和蓝光激光。Nd:YVO4晶体,掺钕钒酸钇晶体的吸收带较宽，中心波长为807nm, 机械性能良好，可用于制造结构紧凑，高效率，高功率的半导体泵浦固体激光器，Nd:YVO4晶体,掺钕钒酸钇晶体具有自然双折射特性，可产生高度偏振的 1064.3nm and 1342 nm激光。

其主要特点如下：

(1) Nd∶YVO4晶体具有泵浦阈值低，转换效率高的优点，是全固态激光器

的理想工作物质，在我们的实验条件下，泵浦功率仅为20mW左右，斜效率可高达56.39%。

(2) 对Nd∶YVO4晶体进行适当退火处理，有助于提高激光器的转换效率和

扩大使用功率。

(3) Nd∶YVO4晶体有一定的浓度猝灭效应。 与Nd:YAG 相比， Nd:YVO4具有下列优势：

（1） 在808nm左右的泵浦带宽，约为Nd:YAG 5倍的吸收效率(故对泵浦带

宽的要求大大降低而且趋向单模输出。) （2） 在1064nm处的受激发射截面是Nd:YAG的3倍 （3） 光损伤阈低，高斜率效率 （4） 双折射效应高，辐射仅为线性极化 这些特性为此种晶体的广泛应用奠定了基础。 2．3掺钛蓝宝石激光晶体

自1989年Goodbellt等人利用被动锁模方式第一次实现掺钛蓝宝石激光锁模以来，飞秒激光技术的研究一直是超快激光领域研究的热点和前沿。1991年学界利用激活介质自聚焦效应实心掺钛蓝宝石激光器的自锁模，达到几十飞秒到几百飞秒的锁模运转。以克尔透镜锁模（KLM）技术］为基础的掺钛蓝宝石激光器推动了飞秒脉冲在基础科学中的应用，成为研究超快现象的有力工具，特别是在此基础上发展起来的双波长同步飞秒激光在抽运探测，激光成像，激光相干合成，光频标，相干控制，量子通讯等方面的重要应用

[8]−[11]

[7]

[6]

。学界

有人采用新的被动同步方案，实现了双波长掺钛蓝宝石激光的大功率，高精度稳定同步输出。输出功率随抽运功率增加最大可达1.4w，波长在730—850nm 范围内独立调节，同步维持时间超过同步精度达到24h，同步精度达到0.78fs，是目前采用被动同步技术获得最高的同步精度

[12]

。

由于离子与基质晶格之间的强耦合引起吸收带和荧光带增宽、间隔变大，因而掺钛蓝宝石具有优良的光谱和激光特性。下表是掺钛蓝宝石的激光性能。

表二

参数

数值

折射率 荧光寿命/𝛍𝐬 荧光线宽/nm 峰值发射波长/nm 峰值受激发射截面 n=1.76 τ=3.2 ∆λ~180 𝜆𝑝~790

平行于c轴/c𝐦𝟐 垂直于c轴/𝐜𝐦𝟐 𝛍𝐦时(平行于𝐜轴)

𝜎𝑝∥ ~41x10−19 𝜎𝑝⊥ ~2.0x10−19 𝜎𝑝∥=2.8x10−19

0.795

的受激发射截面/𝐜𝐦𝟐

将0.53𝛍𝐦泵浦光子转换到反转场的量子效应

0.795𝛍𝐦时的饱和能量密度/(j·𝐜𝐦𝟐)

𝜂𝑄≈1

𝐸𝑠𝑎𝑡=0.9

此外，掺钛蓝宝石激光晶体热导率非常高，化学性质异常稳定且晶体的生长技术成熟，因而得到广泛的应用。掺钛蓝宝石激光晶体俨然是超快激光领域种最耀眼的明星。

3展望（或结论，结束语等）

激光技术越来越广泛地应用在人类社会生活生产活动中，小到我们手中的激光笔，大到洲际导弹，都有激光技术的身影。展望未来，激光在其应用领域将有更多的机遇，挑战及创新的空间。以半导体量子阱激光器和光的器件为基础的信息光电子技术将继续成为未来信息技术的重要基础。激光医疗与光子生物学的融合发展将使人类早日攻克包括癌症在内的各种疾病。激光晶体材料也必将会在学界不断研究中继续发展，为我们的明天奠定基础。

参考文献

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[2] H. G. Danielmeyer, F. W. Ostermayer. Diode-pump-modulated Nd:YAG laser[J]. J. Appl. Phys., 1972, 43(6):2911~2913

[3] P.F.Moulton. Spectroscopic and laser characteristics of Ti:Al2O3 [J].

J.Opt.Soc.Amer B, 1986, 3(1):125~133

[4] L. De Shazer. Vanadate crystals exploit diode-pump technology[J]. Laser

Focus World, 1994, 30(2):88

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[9]Wei Z Y 1996 Physics 27 61(in Cinese)［魏志义1996 物理 27 61

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帆、魏志义、张杰 物理学报49 256]

[11] Yang H, Zhang T Q, Wang S F and Gong Q H 200 Acta Phys.Sin.49 1292

(in Chinese)[杨宏、张铁桥、王树峰、龚旗煌2000 物理学报49 1292] [12]田金荣等，亚飞秒被动同步掺钛蓝宝石激光器，物理学报，54（2005）：129~132，