固体工作物质

固体激光工作物质光电子技术（激光器件部分）September200412.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September200422.1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September20043对固体激光工作物质的一般要求较高的荧光量子效率针对某一泵源有较强的光谱吸收A21,Δν连续和小型脉冲器件——A21↑，Δν↓大能量和大功率器件——A21↓，Δν↑光学质量好：杂质，气泡，条纹，内应力，光学不均匀少。良好的物理、化学性能：导热率高，热膨胀系数小，熔点高，机械强度高，可承受高功率密度，化学稳定性好。制备简单，加工容易，成本低，足够尺寸September20044基质材料固体基质材料分为晶体和玻璃两类基质与离子之间的相互作用，事实上限制了材料组合的数量。September20045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。一般，截面接近10－20cm2。生长出足够尺寸的高质量晶体。对于1300℃下可均匀熔化的晶体，容易采用合适的生长技术。September20046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September20047氧化物晶体蓝宝石（Al2O3）质硬，导热率高Al容易被过渡金属离子取代，Al相对稀土离子较小，不可能得到高掺杂浓度。以红宝石（Cr:Al2O3)，和钛宝石(Ti:Al2O3)为代表。石榴石性能稳定，质硬，热导率高光学各向同性有钇铝石榴石Y3Al5O12(YAG)，钆镓石榴石Gd3Ga5O12(GGG)和钆钪铝石榴石Gd3Sc2Al3O12(GSGG)。Nd3＋:YAG，阈值低，增益高，处于固体激光材料垄断地位，YAG中也可掺铒Er3＋，铥Tm3＋，钬Ho3＋和镱Yb3＋。同时掺Cr3＋的Nd:GSGG，可显著提高对闪光灯的辐射。September20048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。Fe3＋杂质增加1.06um的吸收损耗，造成荧光猝灭。可掺杂Nd3＋，Er3＋，Tm3＋，Ho3＋。September20049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溶液硫氧化镧，硫氧化镥，硫氧化钇，硫氧化钆可透过0.35um~7um波长。Nd:LOS(La2O2S)的1.075um波长处激光跃迁截面约为Nd:YAG的1/3。September200410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。September200411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，折射率系数有正有负，可通过设计光路消除热透镜效应。September200412氟化物晶体掺Nd，氟化钇锂YLiF4（YLF）单轴晶体偏振输出，消除热致双折射荧光寿命是YAG的两倍，储能高，热机械性能不如YAGSeptember200413玻璃大体积。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，接近衍射极限的光束角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+。September200414激活离子稀土离子钕（Nd3＋）实现了100多种基质中获得受激发射以0.9um，1.06um，1.35um为中心，可实现若干频率的受激发射铒（Er3＋）实现了YAG，YLF，YAP，LaF3，CaWO4，CaF2，玻璃基质中的受激发射。1.53~1.66um内实现激光发射，属人眼安全波长。常用的Er3＋:YAG经敏化，最易其振，输出波长为2.9um。钬（Ho3＋）掺Er：Tm：Ho的YAG和YLF，输出波长2um掺Cr代替Er敏化，Cr：Tm：YAG激光器可有效吸收闪光灯泵浦能量。输出波长2.1um。September200415激活离子稀土离子铥（Tm3＋）与Cr或Ho一起实现YAG，YLF的高效闪光灯及二极管泵浦激光输出。二极管泵浦Tm：YAG实现2.01um输出二极管泵浦Tm：Ho：YAG实现2.09um输出高效闪光灯泵浦Cr：Tm：YAG实现1.945um和1.965um的可调输出镨Pr3＋，钆Gd3＋，铕Eu3＋，镱Yb3＋，铈Ce3＋二极管泵浦的Yb：YAG激光器二极管泵浦的掺Yb的光纤激光器钐Sm2＋，镝Dy2＋，铥Tm2＋液氮冷却的作用下，CaF2中产生过激光作用。September200416激活离子2.锕系离子掺0.05%铀（U）的CaF2成功用于激光器，输出2.6um。3.过渡金属 铬（Cr3+)红宝石（Cr3+：AL2O3），紫翠宝石（绿宝石，金绿宝石，翠绿宝石，Cr3＋：BeAl2O4）钛蓝宝石（钛宝石，Ti3＋：AL2O3）Nd:YAG泵浦的Co2+:MgF2激光器。September200417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，CeP5O14,PrP5O14,NdP5O14,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,钨酸盐、钼酸盐,Na5Nd(WO4)4,R5Nd(MoO4)4September200418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。September200419工作物质的劣化与破坏劣化效率降低50％以上色心吸收红宝石，粉红－>橙红－>棕红YAG，淡紫－>棕红钕玻璃，紫红－>棕红杂质离子变价破坏现象：端面，内部原因：能量密度，表面污染，冷却September200420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September200421工作物质几何尺寸和加工要求形状：圆柱棒，矩形柱，圆片圆柱棒长径能量大，体积大散热，表面积大，散热好阈值，棒细长，阈值低经验：10:1~20:1端面平行度，5‘’～10‘’垂直度，<1‘粗糙度PⅢ级，平整度小于半个光圈侧面磨毛September200422September2004232.2红宝石September200424红宝石晶体结构Cr3+:Al2O3六方晶系，负单轴晶体粉红色提拉法生长可以获得大尺寸晶体0°，60°，90°红宝石红宝石物理，化学特性September200425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）化学性质稳定，抗腐蚀September200426红宝石激光性能——能级结构September200427红宝石激光性能——吸收光谱September200428红宝石激光性能——吸收系数和吸收截面September200429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)September200430红宝石激光性能——参数随温度的变化September200431红宝石在激光器中应用偏振输出闪光灯泵浦脉冲运转液氮冷却可以实现连续输出相干性好，可用于全息高速摄影调Q输出可用于医学September2004322.3掺钕钇铝石榴石物理化学特性Nd3＋:Y3Al5O12，简写为Nd:YAG淡紫色立方晶系，光学各向同性提拉法生长，速度较慢September200433Nd:YAG的物理化学特性克氏硬度1215熔点1970（摄氏度）热导率0.11W/cmK热膨胀系数[100][110][111]8.2E-6K-17.7E-6K-17.8E-6K-1化学性质稳定September200434Nd:YAG激光性能——能级结构September200435Nd:YAG激光性能——吸收光谱September200436Nd:YAG激光性能——发射光谱September200437Nd:YAG激光性能——主要参数掺杂浓度1.38E20(cm-3)受激辐射截面88E-20(cm2)波长1064nm荧光寿命230us量子效率1谱线线宽4.5(埃)September200438Nd:YAG在激光器中运用连续，脉冲，调Q，锁模可闪光灯泵浦也可二极管泵浦功率可大可小广泛应用于各行业September2004392.4钕玻璃September200440Nd: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，1wt％～5wt％光学均匀性好各向同性可以获得各种形状和尺寸September200441硅酸盐Nd:Glass的物理化学特性玻璃牌号ED-2LG-630LCG-11克氏硬度543.6365380应变点435（摄氏度）465（摄氏度）613（摄氏度）热导率0.0135W/cmK0.0099W/cmK0.0088W/cmK热膨胀系数7.5E-6K-19.7E-6K-110.6E-6K-1化学性质稳定稳定稳定September200442Nd:Glass激光性能——能级结构中心波长：0.92um，1.06um，1.37um吸收带宽和荧光线宽均增加September200443Nd:Glass激光性能——吸收光谱September200444硅酸盐Nd:Glass激光性能——主要参数掺杂浓度2.8~3.8E20(cm-3)受激辐射截面2.0~3.03E-20(cm2)荧光峰值波长1062.3~1062.4nm荧光寿命300~640us量子效率0.3~0.7谱线线宽250cm-1September200445Nd: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September200446红宝石，Nd:YAG和Nd:Glass比较红宝石Nd: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)~3.0E-20(cm2)荧光峰值波长694.3nm1064nm1062.3~1062.4nm荧光寿命3.0ms230us0.6~0.9ms量子效率0.710.3~0.7谱线线宽11(cm-1)5.3(埃)4.5(埃)250cm-1280.9(埃）September2004472.5其它掺钕工作物质一、Nd:YAP二、Nd:YLF三、Nd:GGG四、Nd:LMASeptember200448一、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September200449Nd:YAP的物理与化学特性莫氏硬度8~8.5熔点1870±10（摄氏度）热导率0.11W/cmK热膨胀系数a4.2E-6K-1b11.7E-6K-1c5.1E-6K-1化学性质稳定September200450Nd:YAP的激光性能——吸收光谱September200451Nd:YAP的激光性能——晶轴取向1.064um的谱线增益最大1.0795um的谱线增益最大September200452Nd: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September200453二、Nd:YLF掺钕氟化钇锂Nd:YLiF4四方晶系，单轴晶体偏振输出机械和热性能比YAG差损伤阈值高September200454Nd:YLF的物理化学特性莫氏硬度4～5熔点825（摄氏度）热导率0.06W/cmK热膨胀系数a13E-6K-1c8E-6K-1化学性质稳定September200455Nd:YLF的激光性能——能级结构September200456Nd:YLF的激光性能——主要参数受激辐射截面18E-20(cm2)π12E-20(cm2)σ波长1047nmπ1053nmσ荧光寿命480usSeptember200457Nd: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September200458三、Nd:GGG石榴石晶体：Gd3Ga5O12(GGG)Gd3Sc2Al3O12(GSAG)Gd3ScGa3O12(GSGG)立方晶系生长速度快，可以获得大尺寸热聚焦比YAG大5倍板条Nd:GGG可以获得千瓦输出September200459四、Nd:LMA掺钕铝酸镁镧Nd3+:LaMgAl11O19六方晶系，单轴晶体掺杂浓度高：1.2E21cm-3提拉法生长，可以得到大尺寸晶体物化性能稳定，热导率高，可高功率输出波长：1.054um和1.083umSeptember200460Nd:LMA的吸收光谱