第二讲 固体激光材料

1、第2讲 固体激光材料 一代材料，一代器件 激光技术的发展离不开激光材料的发现 钛宝石晶体-超快激光技术2激光材料发展趋势3激光材料主要参数及其含义 4固体工作物质 2.1 概述 2.2 红宝石 2.3 掺钕钇铝石榴石 2.4 钕玻璃 2.5 其它掺钕工作物质 2.6 其它固体激光工作物质52.1概述 对固体激光工作物质的一般要求 基质与激活离子 正分高浓度激光晶体 多掺和敏化 工作物质的劣化与破坏 工作物质几何尺寸和加工要求6具有高的荧光量子效率；具有高的荧光量子效率；光学质量高光学质量高,缺陷少缺陷少,内应力小内应力小.在材料中不产生入射光的波面在材料中不产生入射光的波面畸变；畸变；在激光工

2、作频率范围透明；在激光工作频率范围透明；掺入的激活离子具有有效的激励光谱和较大的受激发射截掺入的激活离子具有有效的激励光谱和较大的受激发射截面；面；能掺入较高浓度的激活离子能掺入较高浓度的激活离子,浓度猝灭效应小浓度猝灭效应小,荧光寿命足够荧光寿命足够长；长；具有良好的物理、化学和机械性能具有良好的物理、化学和机械性能.热导率高热导率高,热膨胀系数小热膨胀系数小,化学稳定性好化学稳定性好,机械强度高机械强度高,耐水性好耐水性好,熔点高熔点高,能承受高功率能承受高功率密度等；密度等；制备工艺简单制备工艺简单,加工容易加工容易,成本低成本低,并可获得足够大的尺寸并可获得足够大的尺寸.对固体激光材料

3、的基本要求8固体激光工作物质 固体激光工作物质由基质材料和激活离子两部分组成。基质材料：其作用主要是为激活离子提供一个适当的晶格场。决定工作物质的各种物理化学性质；激活离子：发光中心，实际上是少量掺杂离子，称为激活离子。激光的波长主要取决于激活离子的能级结构。基质材料 固体基质材料分为晶体和玻璃、陶瓷 基质与激活离子之间的匹配，事实上限制了激光材料组合的数量。9晶体 适合作为激光离子的基质晶体的选择原则： 掺杂后晶体必须具有均匀的折射率 晶体的机械、热性能容许高功率工作（热导率，硬度和抗裂强度） 晶体的晶格能够接收掺杂离子，局部晶体场感应出期望光谱特性所需的强度。 生长出足够尺寸的高质量晶体。

4、对于1300下可均匀熔化的晶体，容易采用合适的生长技术。10晶体 氧化物 磷酸盐，硅酸盐 钨酸盐，钼酸盐，钒酸盐和铍酸盐 氟化物11氧化物晶体蓝宝石蓝宝石（Al2O3）质硬，导热率高质硬，导热率高Al容易被过渡金属离子取代，容易被过渡金属离子取代，Al相对稀土离子较小，不可能得到高掺相对稀土离子较小，不可能得到高掺杂浓度。杂浓度。以红宝石（以红宝石（Cr:Al2O3)，和钛宝石，和钛宝石(Ti:Al2O3)为代表。为代表。石榴石石榴石性能稳定，质硬，热导率高性能稳定，质硬，热导率高光学各向同性光学各向同性有钇铝石榴石有钇铝石榴石Y3Al5O12(YAG)，钆镓石榴石，钆镓石榴石Gd3Ga5O1

5、2(GGG)和钆钪铝石和钆钪铝石榴石榴石Gd3Sc2Al3O12(GSGG)。Nd3:YAG，阈值低，增益高，处于固体激光材料垄断地位，阈值低，增益高，处于固体激光材料垄断地位，YAG中也可掺铒中也可掺铒Er3，铥，铥Tm3，钬，钬Ho3和镱和镱Yb3。同时掺同时掺Cr3的的Nd:GSGG，可显著提高对闪光灯的吸收。，可显著提高对闪光灯的吸收。12氧化物晶体3. 铝酸钇YAlO3(YAP) Y2O3和Al2O3，1:1混合物，负单轴晶体 可线偏振光输出 生长快速 物理和机械性质与YAG类似 可选择不同的结晶方向，得到不同的光谱特性，实现高增益，低阈值或者调Q所需的低增益，大储能。 可掺杂Nd3

6、，Er3，Tm3，Ho3。13晶体氧化物4. 硫氧化物 稀土硫氧化物，如硫氧化镧，硫氧化镥，硫氧化钇，均有相同晶体结构，为单轴晶体。 稀土激活离子在稀土硫化物基质中可形成任意浓度的固体 硫氧化镧，硫氧化镥，硫氧化钇，硫氧化钆可透过0.35um7um波长。 Nd:LOS(La2O2S)的1.075um波长处激光跃迁截面约为Nd:YAG的1/3。14磷酸盐和硅酸盐晶体 掺Nd3+氟磷酸钙Ga5（PO4）F3，阈值低，斜率效率高，硬度低，易形成色心，热导率低，易造成热畸变。 硅酸氧磷灰石CaLaSOAP，质硬，热导率低，为YAG的1/9。储能为YAG的5倍，晶体生长速度3mm/h。光学质量好。抗激光

7、损伤阈值低。 五磷酸钕盐类，YNdP5O14,LaNdP5O14和ScNdP5O14，高增益。例如： ScNdP5O14在mW氩离子激光器泵浦下可实现阈值输出。15钨酸盐，钼酸盐，钒酸盐和铍酸盐 掺Nd的CaWO4，YAG之前常用的基质材料。加入Na+，补充电荷。质脆。 钠稀土钨酸盐和钼酸盐NaLa(MoO4)2, NaGd(WO4)2, NaNd(WO4)2，掺杂Nd，曾观测到激光作用。 掺Nd的YVO4，阈值很低，晶体生长困难。受激辐射截面大，对二极管泵浦波长的吸收高。 铍酸盐La2Be2O5(BEL)，容易生长，截面和热导率远小于YAG，因此没有实际应用，Nd：BEL为双轴晶体，折射率系

8、数有正有负，可通过设计光路消除热透镜效应。16氟化物晶体 掺Nd，氟化钇锂YLiF4（YLF） 单轴晶体 偏振输出 荧光寿命是YAG的两倍，储能高， 热机械性能不如YAG17玻璃 大尺寸。可以生产长1m，直径10cm的棒；直径90cm，厚几厘米的叠片。 优越的光学质量，波前畸变小 易于制造 容易进行光学抛光 荧光线宽宽，阈值高 热导率低，热致双折射引起的光学畸变严重。 可以掺Nd3+，Yb3+，Er3+，Tm3+和Ho3+。18192.1.3 固体工作物质固体工作物质美国国家点火装置用磷酸盐玻璃多晶陶瓷 Ann. Rev. Mater. Res 36, 397 (2006)陶瓷特性 制造周期短

9、, 潜在低成本 大尺寸，高浓度掺杂 优良的光学性能 优良的热性能激活离子稀土离子钕（钕（NdNd3 3） 实现了实现了100100多种基质中获得受激发射多种基质中获得受激发射以以0.9um0.9um，1.06um1.06um，1.35um1.35um为中心，可实现若干频率的受激发射为中心，可实现若干频率的受激发射铒（铒（ErEr3 3）实现了实现了YAGYAG，YLFYLF，YAPYAP，LaFLaF3 3，CaWOCaWO4 4，CaFCaF2 2，玻璃基质中的受激，玻璃基质中的受激发射。发射。1.531.66um1.531.66um内实现激光发射，属人眼安全波长。内实现激光发射，属人眼安全

10、波长。常用的常用的ErEr3 3:YAG:YAG经敏化，最易其振，输出波长为经敏化，最易其振，输出波长为2.9um2.9um。钬（钬（Ho3）掺掺Er：Tm：Ho的的YAG和和YLF，输出波长，输出波长2um掺掺Cr代替代替Er敏化，敏化，Cr：Tm：YAG激光器可有效吸收闪光灯泵浦能激光器可有效吸收闪光灯泵浦能量。输出波长量。输出波长2.1um。22激活离子 稀土离子铥（铥（TmTm3 3）与与CrCr或或HoHo一起实现一起实现YAGYAG，YLFYLF的高效闪光灯及二极管泵浦激光的高效闪光灯及二极管泵浦激光输出。输出。二极管泵浦二极管泵浦TmTm：YAGYAG实现实现2.01um2.01

11、um输出输出二极管泵浦二极管泵浦TmTm：HoHo：YAGYAG实现实现2.09um2.09um输出输出高效闪光灯泵浦高效闪光灯泵浦CrCr：TmTm：YAGYAG实现实现1.945um1.945um和和1.965um1.965um的可调输的可调输出出镨镨PrPr3 3，钆，钆GdGd3 3，铕，铕EuEu3 3，镱，镱YbYb3 3，铈，铈CeCe3 3二极管泵浦的二极管泵浦的YbYb：YAGYAG激光器激光器二极管泵浦的掺二极管泵浦的掺YbYb的光纤激光器的光纤激光器钐钐SmSm2 2，镝，镝DyDy2 2，铥，铥TmTm2 2液氮冷却的作用下，液氮冷却的作用下，CaFCaF2 2中产生过

12、激光作用。中产生过激光作用。23激活离子2. 锕系离子掺掺0.05%铀（铀（U）的）的CaF2成功用于激光器，输出成功用于激光器，输出2.6um。3. 过渡金属铬（铬（Cr3+)红宝石（红宝石（Cr3+：AL2O3），紫翠宝石（绿宝石，金绿宝石，翠），紫翠宝石（绿宝石，金绿宝石，翠绿宝石，绿宝石，Cr3：BeAl2O4）钛钛 （ Ti3)钛蓝宝石（钛宝石，：钛蓝宝石（钛宝石，：AL2O3）Co2+:MgF2激光器。激光器。24正分高浓度激光晶体激活离子本身是晶体组成部分的激光工作物质称为正分高浓度晶体。可以实现高掺杂而无明显的浓度猝灭效应高效率、低阈值 过磷酸盐，NdP5O14, CeP5O1

13、4, PrP5O14 偏磷酸盐, LiNdP4O12, NaNdP4O12, KNdP4O12, 正磷酸盐, Na3Nd(PO4)2, K3Nd(PO4)2 硼酸盐, NdAl(BO3)4, NdCr(BO3)4,1. 钨酸盐、钼酸盐, Na5Nd(WO4)4, R5Nd(MoO4)425多掺与敏化 敏化指在晶体中除了发光中心的激活离子外，再掺入一种或多种称为敏化剂的施主离子。 敏化剂主要作用是吸收激活离子不吸收的光谱能量，并将吸收到的能量转移给激活离子。 双掺或多掺杂晶体生长困难，工艺复杂。2627工作物质的劣化与破坏工作物质的劣化与破坏 若输出效率下降过大，达50%以上，称为工作物质的劣化

14、。造成劣化原因主要为：(1) 色心吸收 光泵中紫外光的作用，工作物质的颜色会产生部分或全部变化，如红宝石由粉红变成橙色或棕色，Nd3+：YAG由淡紫色变为棕红色，钕玻璃由紫红色变成棕红色等，此现象称为色心。 (2) 杂质离子变价 杂质离子变价，可能产生对激光辐射的自吸收，使激光衰减。 1. 劣化劣化工作物质的劣化与破坏 破坏阈值影响因素 工作物质本身：内部，表面 脉宽 谐振腔是否有聚焦点28293.破坏如何避免注意表面加工质量,如划痕、疵点注意激光光强，特别是超短脉冲(3) 与光学谐振腔的腔型有关 为防止工作物质的自身破坏，主要措施是：提高工作物质的质量；尽量加长脉宽；防止工作物质内部或附近有

15、会聚中心，尽量采用发散光束或光强均匀且宽粗的光束通过工作物质；提高表面加工质量，并注意防止灰尘及其它物污染工作物质端面。 工作物质几何尺寸和加工要求 形状：圆柱棒，矩形片，圆片 圆柱棒 长径 散热，表面积大，散热好 阈值，棒细长，阈值低 经验：10:120:1 端面 平行度，510 粗糙度 60-40 scratch/dig 平整度:ne)粉红色粉红色提拉法生长提拉法生长可以获得大尺寸晶体可以获得大尺寸晶体33红宝石的基本物理化学特性莫氏硬度9熔点2050（摄氏度）热导率0.42W/cmK(300K)10W/cmK(77K)热膨胀系数6.7E-6K-1(平行于c）5.0E-6K-1(垂直于c）

16、化学性质稳定，抗腐蚀红宝石激光性能能级结构34红宝石激光性能吸收光谱35红宝石激光性能主要参数掺杂浓度1.58E19(cm-3)受激辐射截面2.5E-20(cm2)波长694.3nm荧光寿命3.0ms量子效率0.7谱线线宽11(cm-1)5.3(埃)36红宝石激光器特点 输出694.3nm波长的可见激光。光谱线宽0.010.1nm。易于接收和检测； 晶体升温时(大于50）时，荧光量子效率显著下降，谱线宽度增大，使激光输出水平下降甚至停振，故一般应采取冷却措施； 激发效率较低，不适合连续工作； 输出发散角较大，一般约为310mrad中国第一台激光器(1961)-“小球照明红宝石”激光器在当时激发

17、方式上，比国外激光器具有更好的激光效率红宝石激光器的应用 眼科：用于视网膜的焊接，治疗青光眼，虹膜的切除等； 激光的首次在医学上的成激光的首次在医学上的成功应用是进行眼内手术，功应用是进行眼内手术，无需要切开眼球。早在无需要切开眼球。早在1962年，一台红宝石激年，一台红宝石激光器将病人脱落的视网光器将病人脱落的视网膜与眼球重新连接，使膜与眼球重新连接，使他恢复了视力。他恢复了视力。红宝石激光器医学应用红宝石激光器医学应用 皮肤科：用于照射治疗； 激光去痣和激光美白：红宝石激光器波长为激光去痣和激光美白：红宝石激光器波长为694.3nm的可见红光，这种波长的激光最不易被氧的可见红光，这种波长的

18、激光最不易被氧合血红蛋白吸收，而黑色素对其吸收率较高。合血红蛋白吸收，而黑色素对其吸收率较高。 激光脱毛：临床常用其长脉冲模式，深入皮肤真激光脱毛：临床常用其长脉冲模式，深入皮肤真皮层，破坏毛囊，永久性去除身体多余毛发；皮层，破坏毛囊，永久性去除身体多余毛发；全息术实验 用红宝石红宝石脉冲激光器激光器拍摄的刚出壳的小鸡的反射全息图。 2.4钕玻璃42Nd:Glass的物理化学特性 硅酸盐，磷酸盐，氟酸盐，硼酸盐 掺杂浓度高，1wt5wt 光学均匀性好 各向同性 可以获得各种形状和尺寸43各种Nd:Glass的特性44国内具有自主知识产权的N31玻璃45激光波长：1054 nm受激发射截面：4.

19、010-20 cm2上能态寿命：340 us荧光线宽：20 nm动态损耗：0.5% /cmNd:Glass激光性能能级结构46中心波长：0.92um，1.06um，1.37um吸收带宽和荧光线宽均增加Nd:Glass激光性能吸收光谱47Nd:Glass激光性能主要参数掺杂浓度2.83.8E20(cm-3)受激辐射截面3.54.5E-20(cm2)荧光峰值波长1053 1064nm荧光寿命300640us量子效率0.30.7谱线线宽250cm-148Nd:Glass在激光器中运用 脉冲运转 调Q 超短脉冲 板条激光器实现高重复率高功率输出49红宝石，Nd:YAG和Nd:Glass比较红宝石Nd:

20、YAGNd:Glass掺杂浓度1.58E19(cm-3)1.38E20(cm-3)3E20(cm-3)受激辐射截面2.5E-20(cm2)88E-20(cm2)4.0E-20(cm2)荧光峰值波长694.3nm1064nm1054/1064nm荧光寿命3.0ms230us0.30.6ms量子效率0.710.30.7谱线线宽11(cm-1)5.3(埃)4.5(埃)250cm-1280.9(埃）502.5其它掺钕工作物质一、Nd:YAP二、Nd:YLF三、Nd:GGG四、Nd:LMA51一、Nd:YAP 掺钕铝酸钇晶体Nd3：YAlO3 正交晶系，双轴晶体 线偏振光输出 物理机械性质与YAG相似5

21、2Nd:YAP的物理与化学特性莫氏硬度88.5熔点187010（摄氏度）热导率0.11W/cmK热膨胀系数a 4.2E-6K-1b 11.7E-6K-1c 5.1E-6K-1化学性质稳定53Nd:YAP的激光性能吸收光谱54Nd:YAP在激光器中应用 与Nd:YAG类似可以高功率输出 偏振输出 可以1.079um和1.37um双色输出 破坏阈值低，热效应较Nd:YAG严重55二、Nd:YLF 掺钕氟化钇锂Nd:YLiF4 单轴晶体 偏振输出 机械和热性能比YAG差 损伤阈值高56Nd:YLF的物理化学特性莫氏硬度45熔点825（摄氏度）热导率0.06W/cmK热膨胀系数a 13E-6K-1c

22、8E-6K-1化学性质稳定光电子技术精品课程57Nd:YLF的激光性能能级结构58Nd:YLF的激光性能主要参数受激辐射截面18E-20(cm2) 12E-20(cm2) 波长1047nm 1053nm 荧光寿命480us59Nd:YLF在激光器中应用 大储能有利于二极管泵浦 中等能量Q开关输出 Q开关振荡器放大器结构60三、Nd:GGG 石榴石晶体：Gd3Ga5O12(GGG)Gd3Sc2Al3O12(GSAG)Gd3ScGa3O12(GSGG) 立方晶系 生长速度快，可以获得大尺寸 板条Nd:GGG可以获得千瓦输出61四、Nd:LMA 掺钕铝酸镁镧Nd3+:LaMgAl11O19 六方晶系，单轴晶体 掺杂浓