第二讲固体激光材料

第2讲固体激光材料现在是1页\一共有77页\编辑于星期五一代材料，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现在是2页\一共有77页\编辑于星期五激光材料发展趋势3现在是3页\一共有77页\编辑于星期五激光材料主要参数及其含义

4现在是4页\一共有77页\编辑于星期五固体工作物质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5现在是5页\一共有77页\编辑于星期五2.1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现在是6页\一共有77页\编辑于星期五①具有高的荧光量子效率；②光学质量高,缺陷少,内应力小.在材料中不产生入射光的波面畸变；③在激光工作频率范围透明；④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；⑤能掺入较高浓度的激活离子,浓度猝灭效应小,荧光寿命足够长；⑥具有良好的物理、化学和机械性能.热导率高,热膨胀系数小,化学稳定性好,机械强度高,耐水性好,熔点高,能承受高功率密度等；⑦制备工艺简单,加工容易,成本低,并可获得足够大的尺寸.对固体激光材料的基本要求

现在是7页\一共有77页\编辑于星期五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。8现在是8页\一共有77页\编辑于星期五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现在是9页\一共有77页\编辑于星期五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。对于1300℃下可均匀熔化的晶体，容易采用合适的生长技术。10现在是10页\一共有77页\编辑于星期五晶体氧化物磷酸盐，硅酸盐钨酸盐，钼酸盐，钒酸盐和铍酸盐氟化物11现在是11页\一共有77页\编辑于星期五氧化物晶体蓝宝石（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吸收。12现在是12页\一共有77页\编辑于星期五氧化物晶体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＋，Er3＋，Tm3＋，Ho3＋。13现在是13页\一共有77页\编辑于星期五晶体氧化物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0.35um~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。14现在是14页\一共有77页\编辑于星期五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。15现在是15页\一共有77页\编辑于星期五钨酸盐，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。16现在是16页\一共有77页\编辑于星期五氟化物晶体掺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现在是17页\一共有77页\编辑于星期五玻璃大尺寸。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+。18现在是18页\一共有77页\编辑于星期五§2.1.3固体工作物质美国国家点火装置用磷酸盐玻璃19现在是19页\一共有77页\编辑于星期五多晶陶瓷

Nd:YAG陶瓷微结构Ann.Rev.Mater.Res36,397(2006)陶瓷:有精细的、方向随机的晶粒组成(晶粒尺寸亚微米-数十微米)现在是20页\一共有77页\编辑于星期五陶瓷特性制造周期短,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现在是21页\一共有77页\编辑于星期五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。22现在是22页\一共有77页\编辑于星期五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。23现在是23页\一共有77页\编辑于星期五激活离子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（Ti3＋)钛蓝宝石（钛宝石，：AL2O3）Co2+:MgF2激光器。24现在是24页\一共有77页\编辑于星期五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,CeP5O14,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,钨酸盐、钼酸盐,Na5Nd(WO4)4,R5Nd(MoO4)425现在是25页\一共有77页\编辑于星期五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。26现在是26页\一共有77页\编辑于星期五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。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27现在是27页\一共有77页\编辑于星期五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28现在是28页\一共有77页\编辑于星期五3.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。

29现在是29页\一共有77页\编辑于星期五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：10:1~20:1端面平行度，5‘’～10‘’粗糙度60-40scratch/dig平整度:<1/4波长侧面磨毛30现在是30页\一共有77页\编辑于星期五2.2红宝石31现在是31页\一共有77页\编辑于星期五红宝石晶体结构Cr3+:Al2O3六方晶系，负单轴晶体(no>ne)粉红色提拉法生长可以获得大尺寸晶体红宝石物理，化学特性32现在是32页\一共有77页\编辑于星期五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33现在是33页\一共有77页\编辑于星期五红宝石激光性能——能级结构34现在是34页\一共有77页\编辑于星期五红宝石激光性能——吸收光谱35现在是35页\一共有77页\编辑于星期五红宝石激光性能——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现在是36页\一共有77页\编辑于星期五红宝石激光器特点输出694.3nm波长的可见激光。光谱线宽0.01~0.1nm。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3～10mrad现在是37页\一共有77页\编辑于星期五中国第一台激光器(1961)--“小球照明红宝石”激光器在当时激发方式上，比国外激光器具有更好的激光效率现在是38页\一共有77页\编辑于星期五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功应用是进行眼内手术，无需要切开眼球。早在1962年，一台红宝石激光器将病人脱落的视网膜与眼球重新连接，使他恢复了视力。现在是39页\一共有77页\编辑于星期五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694.3nm的可见红光，这种波长的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。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；现在是40页\一共有77页\编辑于星期五全息术实验用红宝石脉冲激光器拍摄的刚出壳的小鸡的反射全息图。现在是41页\一共有77页\编辑于星期五2.4钕玻璃42现在是42页\一共有77页\编辑于星期五Nd: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43现在是43页\一共有77页\编辑于星期五各种Nd:Glass的特性44现在是44页\一共有77页\编辑于星期五国内具有自主知识产权的N31玻璃激光波长：1054nm受激发射截面：4.0×10^-20cm^2上能态寿命：340us荧光线宽：20nm动态损耗：0.5%/cm45现在是45页\一共有77页\编辑于星期五Nd: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46现在是46页\一共有77页\编辑于星期五Nd:Glass激光性能——吸收光谱47现在是47页\一共有77页\编辑于星期五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3.5~4.5E-20(cm2)荧光峰值波长1053~1064nm荧光寿命300~640us量子效率0.3~0.7谱线线宽250cm-148现在是48页\一共有77页\编辑于星期五Nd: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现在是49页\一共有77页\编辑于星期五红宝石，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)~4.0E-20(cm2)荧光峰值波长694.3nm1064nm1054/1064nm荧光寿命3.0ms230us0.3~0.6ms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）50现在是50页\一共有77页\编辑于星期五2.5其它掺钕工作物质一、Nd:YAP二、Nd:YLF三、Nd:GGG四、Nd:LMA51现在是51页\一共有77页\编辑于星期五一、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52现在是52页\一共有77页\编辑于星期五Nd: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53现在是53页\一共有77页\编辑于星期五Nd:YAP的激光性能——吸收光谱54现在是54页\一共有77页\编辑于星期五Nd: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现在是55页\一共有77页\编辑于星期五二、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56现在是56页\一共有77页\编辑于星期五Nd: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57光电子技术精品课程现在是57页\一共有77页\编辑于星期五Nd:YLF的激光性能——能级结构58现在是58页\一共有77页\编辑于星期五Nd: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480us59现在是59页\一共有77页\编辑于星期五Nd: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现在是60页\一共有77页\编辑于星期五三、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现在是61页\一共有77页\编辑于星期五四、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1.083um62现在是62页\一共有77页\编辑于星期五Nd:LMA的吸收光谱63现在是63页\一共有77页\编辑于星期五Nd:LMA的荧光光谱64现在是64页\一共有77页\编辑于星期五2.6其它固体激光工作物质Er:YAG和铒玻璃掺钴氟化镁和掺铬氟化锂锶铝掺钛蓝宝石（钛