稀土激光材料1

1、第六组第六组 一、概述 二、稀土激光原理 三、稀土固体激光材料 四、稀土激光材料发展方向稀土激光材料稀土激光材料激光（激光（light amplification by stimulated emission of radiation）简写）简写”laser”.定义：激光定义：激光是指能把各种泵浦（电、光、射线）能量是指能把各种泵浦（电、光、射线）能量转换成激光的材料。激光是由激光工作物质受激发转换成激光的材料。激光是由激光工作物质受激发后产生的。后产生的。Laser 用电学、光学及其他方法对工作物质进行激励，使其用电学、光学及其他方法对工作物质进行激励，使其中一部分粒子激发到能量较高的状态上

2、，当这种状态的粒中一部分粒子激发到能量较高的状态上，当这种状态的粒子数大于能量较低状态的粒子数时，由于受激辐射作用，子数大于能量较低状态的粒子数时，由于受激辐射作用，也就是当这种波长的光辐射通过工作物质时，就会射出强也就是当这种波长的光辐射通过工作物质时，就会射出强度放大而又与入射光波位相一致、频率一致、方向一致的度放大而又与入射光波位相一致、频率一致、方向一致的光辐射，称为光辐射，称为“光放大光放大”。激光产生的过程：激光产生的过程：一、概述一、概述 若把激光工作物质置于谐振腔内，则光辐射在间歇若把激光工作物质置于谐振腔内，则光辐射在间歇腔内沿轴线方向往复反射传播，多次通过工作介质，腔内沿轴

3、线方向往复反射传播，多次通过工作介质，使光辐射被放大很多倍，从而形成一束强大很大，使光辐射被放大很多倍，从而形成一束强大很大，方向集中的光束方向集中的光束激光。激光。激光激光是一种新型光源，它具有很好的单色性、方向性是一种新型光源，它具有很好的单色性、方向性和相干性，并且可以达到很高的亮度。与激光技术相和相干性，并且可以达到很高的亮度。与激光技术相应发展起来的各种晶体，如非线性晶体，能对激光束应发展起来的各种晶体，如非线性晶体，能对激光束进行调频、调幅、调偏及调相作用；能修正传输过程进行调频、调幅、调偏及调相作用；能修正传输过程中激光图像的畸变；热电探测晶体能灵敏地探测到红中激光图像的畸变；热

4、电探测晶体能灵敏地探测到红外光等。这些特性使激光很快就应用到工、农、医和外光等。这些特性使激光很快就应用到工、农、医和国防部门国防部门o激光与稀土激光材料是同时诞生的。到目前为止，大约90%的激光材料都涉及到稀土。自从1960年在红宝石中出现激光以来，同年就发现用掺钐的氟化钙(CaF2:Sm2+)可输出脉冲激光。1961年首先使用掺钕的硅酸盐玻璃获得脉冲激光，从此开辟了具有广泛用途的稀土玻璃激光器的研究。1962年首先使用CaWO4:Nd3+晶体输出连续激光，1963年首先研制稀土螯合物液体激光材料，使用掺铕的苯酰丙酮的醇溶液获得脉冲激光，1964年找出了室温下可输出连续激光的掺钕的钇铝石榴石

5、晶体（Y3Al5O12:Nd3+），它已成为获得了广泛应用的固体激光材料，1973年首次实现铕-氦的稀土金属蒸气的激光振荡。o由此可见，在短短的十多年里，稀土的固态、液态和气态都实现了受激发射。在激光工作物质中，稀土已成为一族很重要的元素。这都与它具有特殊的电子组态、众多可利用的能级和光谱特性有关 。 发展历史发展历史稀土激光材料分类稀土激光材料可分为：固体、液体和气体三大类。但后两大类由于其性能、种类和用途等远不如固体材料。所以一般说稀土激光材料通常是指固体激光材料。固体材料分为晶体、玻璃和光纤激光材料，而激光晶体又占主导地位 。 由于稀土元素所具有的特殊的电子组态，众多可利由于稀土元素所具

6、有的特殊的电子组态，众多可利用的能及和光谱特性，稀土已成为激光工作物质中用的能及和光谱特性，稀土已成为激光工作物质中最重要的元素。最重要的元素。 迄今为止，已获得激光输出的稀土离子有迄今为止，已获得激光输出的稀土离子有1414种，涉种，涉及及170170多种化合物。多种化合物。 在现有的激光材料中，在现有的激光材料中，90%90%以上都是掺入稀土离子作以上都是掺入稀土离子作为激活剂。为激活剂。 1 1YAGNdYAGNd激光器激光器 这是用量最多、最成熟的激光晶体，对其需求占激光晶体的这是用量最多、最成熟的激光晶体，对其需求占激光晶体的90%90%左右，左右，在未来在未来5 5年内仍为主体。材

7、料加工是激光器巨大市场之一。年内仍为主体。材料加工是激光器巨大市场之一。 2 2光存贮激光器光存贮激光器 作为信息高速公路重要组成部分，市场潜力非常巨大，其中一部分属于作为信息高速公路重要组成部分，市场潜力非常巨大，其中一部分属于光存储。提高存储密度的方法是用更短波长的激光，目前最佳选择是光存储。提高存储密度的方法是用更短波长的激光，目前最佳选择是808808微微米的米的LEDLED泵浦泵浦YVO4NdYVO4Nd晶体。晶体。 3 32 2微米激光器微米激光器 HoHo和和TmTm激光器有很大的市场潜力。由于激光器有很大的市场潜力。由于HoHo和和TmTm激光输出波长在激光输出波长在2 2微米

8、左微米左右，与水的吸收峰相接近，有极好的对人体组织切割和凝血效果，可以用普右，与水的吸收峰相接近，有极好的对人体组织切割和凝血效果，可以用普通光纤传输，是理想的手术激光光源。通光纤传输，是理想的手术激光光源。 4 4LEDLED泵浦的固体激光器泵浦的固体激光器 LEDLED泵浦固体激光器其效率比灯泵浦提高泵浦固体激光器其效率比灯泵浦提高1010倍，全固体化可靠性提高倍，全固体化可靠性提高100100倍，在光存储、微细加工、有线电视、遥感、雷达等科研方面有巨大市场。倍，在光存储、微细加工、有线电视、遥感、雷达等科研方面有巨大市场。 激光应用激光应用激光焊接：激光焊接：汽车车身厚薄板、汽车零件、锂

9、电池、心汽车车身厚薄板、汽车零件、锂电池、心脏起搏器、密封继电器等密封器件以及各种不允许焊脏起搏器、密封继电器等密封器件以及各种不允许焊接污染和变形的器件。目前使用的激光器有金运接污染和变形的器件。目前使用的激光器有金运YAG激光器，金运激光器，金运CO2激光器和半导体泵浦激光器。激光器和半导体泵浦激光器。激光切割：激光切割：汽车行业、计算机、电气机壳、木刀模业、汽车行业、计算机、电气机壳、木刀模业、各种金属零件和特殊材料的切割、圆形锯片、压克力、各种金属零件和特殊材料的切割、圆形锯片、压克力、弹簧垫片、弹簧垫片、2mm以下的电子机件用铜板、一些金属以下的电子机件用铜板、一些金属网板、钢管、镀

10、锡铁板、镀亚铅钢板、磷青铜、电木网板、钢管、镀锡铁板、镀亚铅钢板、磷青铜、电木板、薄铝合金、石英玻璃、硅橡胶、板、薄铝合金、石英玻璃、硅橡胶、1mm以下氧化以下氧化铝陶瓷片、航天工业使用的钛合金等等。使用激光器铝陶瓷片、航天工业使用的钛合金等等。使用激光器有有YAG激光器和激光器和CO2激光器。激光器。激光打标：激光打标：在各种材料和几乎所有行业均得到广在各种材料和几乎所有行业均得到广泛应用，目前使用的激光器有泛应用，目前使用的激光器有YAG激光器、激光器、CO2激光器和半导体泵浦激光器。激光器和半导体泵浦激光器。 激光打孔：激光打孔：激光打孔主要应用在航空航天、汽车激光打孔主要应用在航空航天

11、、汽车制造、电子仪表、化工等行业。激光打孔的迅速发展，制造、电子仪表、化工等行业。激光打孔的迅速发展，主要体现在打孔用主要体现在打孔用YAGYAG激光器的平均输出功率已由激光器的平均输出功率已由5 5年年前的前的400w400w提高到了提高到了800w800w至至1000w1000w。国内目前比较成熟的。国内目前比较成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石和天然金刚石拉丝模激光打孔的应用是在人造金刚石和天然金刚石拉丝模的生产及钟表和仪表的宝石轴承、飞机叶片、多层印的生产及钟表和仪表的宝石轴承、飞机叶片、多层印刷线路板等行业的生产中。刷线路板等行业的生产中。o目前使用的激光器多以目前使用的激光器多以Y

12、AGYAG激光器、激光器、金运金运COCO2 2激光器为主，也有一些准分激光器为主，也有一些准分子激光器、同位素激光器和半导体子激光器、同位素激光器和半导体泵浦激光器。泵浦激光器。 激光热处理：激光热处理：在汽车工业中应用广泛，如缸套、曲轴、在汽车工业中应用广泛，如缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处理，同时在航空航活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处理，同时在航空航天、机床行业和其它机械行天、机床行业和其它机械行业也应用广泛。我国的激光热处理应用远比国外广泛得多。业也应用广泛。我国的激光热处理应用远比国外广泛得多。目前使用的激光器多以目前使用的激光器多以YAGYAG激光器，激光器，C

13、OCO2 2激光器为主。激光器为主。 激光快速成型：激光快速成型：将激光加工技术和计算机数控技术及柔将激光加工技术和计算机数控技术及柔性制造技术相结合而形成。多用于模具和模型行业。目前性制造技术相结合而形成。多用于模具和模型行业。目前使用的激光器多以使用的激光器多以YAGYAG激光器、激光器、COCO2 2激光器为主。激光器为主。 激光的应用领域很广，尤其是制导、测距、焊接、激光的应用领域很广，尤其是制导、测距、焊接、钻孔、切割、育种、外科手术、计量和分析等方面，钻孔、切割、育种、外科手术、计量和分析等方面，成为一门蓬勃发展的新技术。成为一门蓬勃发展的新技术。 对于激光氢弹引爆、激光受控热核反

14、应、激光通讯、对于激光氢弹引爆、激光受控热核反应、激光通讯、激光计算等都已成为当代国际上引人注目的高新技激光计算等都已成为当代国际上引人注目的高新技术领域。术领域。二、稀土激光机理二、稀土激光机理Mechanism of rare earth laser 在已发现的激光工作物质中，稀土都已成为一族在已发现的激光工作物质中，稀土都已成为一族极其重要的元素。这都与它具有特殊的电子组态、众极其重要的元素。这都与它具有特殊的电子组态、众多可利用的能级和光谱特性有关。多可利用的能级和光谱特性有关。 利用一些稀土离子的三能级和四能级系统产生激利用一些稀土离子的三能级和四能级系统产生激光的原理图。光的原理图

15、。产生激产生激光的必光的必要条件要条件是在能是在能级级3上实上实现粒子现粒子的反转的反转在稀土激光材料的两端装有两面对激光波长（在稀土激光材料的两端装有两面对激光波长（laser wavelength）具有不同反射率（）具有不同反射率（reflectivity）的反射镜，）的反射镜，放在内衬银或铝等反射材料的聚光器内，用脉冲放在内衬银或铝等反射材料的聚光器内，用脉冲Xe灯、灯、Kr灯、发光二极管或激光灯作为激发光源（或称光泵灯、发光二极管或激光灯作为激发光源（或称光泵optical pump）.激发光源激发光源内衬内衬 Ag/Al产生激光的必要条件产生激光的必要条件: :即累积在能级即累积在能

16、级3 3上的反转粒子数必须多于在能级上的反转粒子数必须多于在能级1 1或能级或能级2 2上的上的粒子数。粒子数。 在三能级系统中，在能级在三能级系统中，在能级1 1上必须有上必须有5050以上被激发至以上被激发至能级能级3 3上才能实现的粒子数的反转，故产生激光的阈值比较高。上才能实现的粒子数的反转，故产生激光的阈值比较高。 而在四能级系统中，只要求能级而在四能级系统中，只要求能级2 2的能量大于的能量大于1000T1000T，因，因此，在能级此，在能级2 2上由于温度而产生热反转的粒子数很少。如果从上由于温度而产生热反转的粒子数很少。如果从能级能级3 3跃迁至跃迁至2 2上的粒子又可以很快的

17、驰豫至基态上的粒子又可以很快的驰豫至基态1 1而不积累在而不积累在2 2上，则在能级上，则在能级2 2上的粒子数很少，其实，相对于能级上的粒子数很少，其实，相对于能级2 2，在能，在能级级3 3上比较容易实现粒子数的反转。故在四能级系统中，产生上比较容易实现粒子数的反转。故在四能级系统中，产生激光的阈值很低。激光的阈值很低。在能级在能级3上实现粒子数反转上实现粒子数反转几乎所有的镧系元素和锕系元素激光材料都已实现了光泵浦。几乎所有的镧系元素和锕系元素激光材料都已实现了光泵浦。在不同介质中镧系元素激发光发射波长分布范围不同。在不同介质中镧系元素激发光发射波长分布范围不同。在在1414种稀土离子中

18、，激光发射波长最短的是种稀土离子中，激光发射波长最短的是GdGd3+3+，最长的是，最长的是DyDy3+3+。在可见光。在可见光区有区有PrPr3+3+，TbTb3+3+，HoHo3+3+，EuEu3+3+，SmSm3+3+；在红外光区有；在红外光区有NdNd3+3+，YbYb3+3+，ErEr3+3+，TmTm3+3+，TmTm2+2+，DyDy3+3+。三、稀土固体激光材料三、稀土固体激光材料 激光材料应是最早而最为普遍的是固态激光材料，激光材料应是最早而最为普遍的是固态激光材料，19601960年年-红宝石激光器，至今在各种各样的激光器中固体激光红宝石激光器，至今在各种各样的激光器中固体

19、激光器仍占据主导地位。器仍占据主导地位。 固体激光器中核心是固体激光材料，它们多是采用光泵固体激光器中核心是固体激光材料，它们多是采用光泵方式的稀土离子为激活中心的电介质材料。这类材料又可分方式的稀土离子为激活中心的电介质材料。这类材料又可分为晶体激光材料、玻璃激光材料、化学计量激光材料和光纤为晶体激光材料、玻璃激光材料、化学计量激光材料和光纤激光材料等。激光材料等。 1.1.稀土晶体激光材料稀土晶体激光材料 目前已知约有目前已知约有320320种激光晶体，主要是含氧的化合物种激光晶体，主要是含氧的化合物或含氟的化合物，其中约或含氟的化合物，其中约290290种是掺入稀土作为激活离子的，种是掺

20、入稀土作为激活离子的，即稀土激光晶体约占即稀土激光晶体约占90.6%90.6%，稀土中已实现激光输出的有，稀土中已实现激光输出的有CeCe、PrPr、NdNd、SmSm、EuEu、TbTb、DyDy、HoHo、ErEr、TmTm、YbYb等，尽管激光晶等，尽管激光晶体很多，但重要的只有数十种，而实用的更少。绝大部分的体很多，但重要的只有数十种，而实用的更少。绝大部分的激光晶体是含有激活离子的荧光晶体，激光晶体是含有激活离子的荧光晶体，包括掺杂性激光晶体和自包括掺杂性激光晶体和自激活激光晶体。激活激光晶体。 在众多的激光材料中，现在公认较好和广泛应用的激在众多的激光材料中，现在公认较好和广泛应用

21、的激光晶体只有几种，而且它们都是掺光晶体只有几种，而且它们都是掺NdNd的稀土化合物。的稀土化合物。掺钕的钇铝石榴石激光材料Yttrium aluminum garnet laser materials doped with Neodymium Y Y3 3AlAl5 5O O1212:Nd:Nd3+3+, ,即即YAG:NdYAG:Nd3+3+，是目前国内外应用最为广，是目前国内外应用最为广泛的稀土固体材料之一。在现有激光晶体中，泛的稀土固体材料之一。在现有激光晶体中，YAG:NdYAG:Nd3+3+的激的激光、热学和力学等综合性能最佳，成为目前最好最实用的搞光、热学和力学等综合性能最佳，成

22、为目前最好最实用的搞功率材料，占使用器件的功率材料，占使用器件的9090以上，已广泛应用到科研、工以上，已广泛应用到科研、工业、国防和医疗各个方面。业、国防和医疗各个方面。YAG:YAG:NdNd3+3+激光晶体虽然各方面性能比较优良，但激光晶体虽然各方面性能比较优良，但有些方面仍满足不了高功率、高效率的要求。有些方面仍满足不了高功率、高效率的要求。原因是原因是NdNd3+3+离子在离子在YAGYAG中的分凝系数小，掺入量最中的分凝系数小，掺入量最多约多约1 1左右，这样限制了激光效率的提高。另外，左右，这样限制了激光效率的提高。另外，稀土离子的吸收较弱，不能充分利用光泵的能量。稀土离子的吸收

23、较弱，不能充分利用光泵的能量。改进方案：改进方案： 一是改进基质增强一是改进基质增强NdNd3+3+离子的掺入量，另离子的掺入量，另一个是加入可以对一个是加入可以对NdNd3+3+离子敏化的离子。离子敏化的离子。基质改进方面：基质改进方面：首先用钆镓石榴石（首先用钆镓石榴石（GGGGGG）（）（gadolinium gadolinium gallium garnetgallium garnet），）， NdNd3+3+的掺入量可提高一倍，后来用钆嫁的掺入量可提高一倍，后来用钆嫁钪石榴石（钪石榴石（GSGGGSGG） （gadolinium gallium Scandium gadolinium

24、 gallium Scandium garnetgarnet），的掺入量提高到），的掺入量提高到4 4倍，激光效率达到倍，激光效率达到4 4以上。最以上。最近又出现了一种铝酸镁镧基质（近又出现了一种铝酸镁镧基质（LaMgAlLaMgAl1111O O1919）, ,它的它的NdNd3+3+掺入掺入量可提高到量可提高到6 6倍。倍。提高光泵利用率方面：提高光泵利用率方面：通常采用敏化方式。对通常采用敏化方式。对NdNd3+3+的敏化的敏化通常用通常用CrCr3+3+离子离子, Cr, Cr3+3+的光谱和的光谱和NdNd3+3+的光谱匹配，的光谱匹配， CrCr3+3+的吸收的吸收也很强。也很强

25、。 2. .稀土玻璃激光材料稀土玻璃激光材料在玻璃中可产生激光的稀土激活离子比在晶体中少，目前已在玻璃中可产生激光的稀土激活离子比在晶体中少，目前已知有知有NdNd、ErEr、HoHo、TmTm等三价离子。稀土玻璃激光材料的优点是：等三价离子。稀土玻璃激光材料的优点是：易于制备，利用热成型和冷加工工艺可制得不同大小尺寸和形易于制备，利用热成型和冷加工工艺可制得不同大小尺寸和形状的玻璃，灵活性比晶体大，既可拉成直径小至微米的纤维，状的玻璃，灵活性比晶体大，既可拉成直径小至微米的纤维，又可制成几厘米直径和几米长的棒或圆盘。稀土玻璃是目前输又可制成几厘米直径和几米长的棒或圆盘。稀土玻璃是目前输出脉冲

26、能量最大、输出功率最高的固体激光材料，用这种激光出脉冲能量最大、输出功率最高的固体激光材料，用这种激光材料制成的大型激光器用于热核聚变的研究中。材料制成的大型激光器用于热核聚变的研究中。重点是掺钕的硅酸盐、硼酸盐和磷酸盐玻璃。重点是掺钕的硅酸盐、硼酸盐和磷酸盐玻璃。 各种掺钕的玻璃的各种掺钕的玻璃的7 7F F3/23/2- -4 4I I11/211/2跃迁的光谱为特征性激光跃跃迁的光谱为特征性激光跃迁。迁。 用掺钕的硅酸盐玻璃制成的固体激光器已在激光打孔、用掺钕的硅酸盐玻璃制成的固体激光器已在激光打孔、焊接、测距、育种、医疗和仪器制造等方面得到了广泛应用。焊接、测距、育种、医疗和仪器制造等

27、方面得到了广泛应用。o 随着集成光学和光纤维通迅的发展，需要有微型的激随着集成光学和光纤维通迅的发展，需要有微型的激光器和放大器。光器和放大器。9090年代起，信息高速公路对信息的传年代起，信息高速公路对信息的传输提出了更高的要求，多媒体技术要求能同时传送图、输提出了更高的要求，多媒体技术要求能同时传送图、文、声、像，而且是高度清晰的声、像。信息高速公文、声、像，而且是高度清晰的声、像。信息高速公路要达到象样的高速，一般的光纤通信技术传送信息路要达到象样的高速，一般的光纤通信技术传送信息的速度差之甚远，希望能以超高速、超长距离方式传的速度差之甚远，希望能以超高速、超长距离方式传送信息需要跨越许多技术上的障碍，其中之一就是如送信息需要跨越许多技术上的障碍，其中之一就是如何补充在长距离传送过程中光衰减的能量。所以光信何补充在长距离传送过程中光衰减的能量。所以光信号直接放大就成为尚待解决的课题。其中掺铒的光纤号直接放大就成为尚