第二講固體激光材料

第2講固體激光材料目前一頁\總數(shù)七十七頁\編于八點一代材料，一代器件激光技術(shù)的發(fā)展離不開激光材料的發(fā)現(xiàn)

鈦寶石晶體-----超快激光技術(shù)2目前二頁\總數(shù)七十七頁\編于八點激光材料發(fā)展趨勢3目前三頁\總數(shù)七十七頁\編于八點激光材料主要參數(shù)及其含義

4目前四頁\總數(shù)七十七頁\編于八點固體工作物質(zhì)2.1概述2.2紅寶石2.3摻釹釔鋁石榴石2.4釹玻璃2.5其它摻釹工作物質(zhì)2.6其它固體激光工作物質(zhì)5目前五頁\總數(shù)七十七頁\編于八點2.1概述對固體激光工作物質(zhì)的一般要求基質(zhì)與激活離子正分高濃度激光晶體多摻和敏化工作物質(zhì)的劣化與破壞工作物質(zhì)幾何尺寸和加工要求6目前六頁\總數(shù)七十七頁\編于八點①具有高的熒光量子效率；②光學質(zhì)量高,缺陷少,內(nèi)應(yīng)力小.在材料中不產(chǎn)生入射光的波面畸變；③在激光工作頻率范圍透明；④摻入的激活離子具有有效的激勵光譜和較大的受激發(fā)射截面；⑤能摻入較高濃度的激活離子,濃度猝滅效應(yīng)小,熒光壽命足夠長；⑥具有良好的物理、化學和機械性能.熱導(dǎo)率高,熱膨脹系數(shù)小,化學穩(wěn)定性好,機械強度高,耐水性好,熔點高,能承受高功率密度等；⑦制備工藝簡單,加工容易,成本低,并可獲得足夠大的尺寸.對固體激光材料的基本要求

目前七頁\總數(shù)七十七頁\編于八點固體激光工作物質(zhì)固體激光工作物質(zhì)由基質(zhì)材料和激活離子兩部分組成。基質(zhì)材料：其作用主要是為激活離子提供一個適當?shù)木Ц駡觥Q定工作物質(zhì)的各種物理化學性質(zhì)；激活離子：發(fā)光中心，實際上是少量摻雜離子，稱為激活離子。激光的波長主要取決于激活離子的能級結(jié)構(gòu)。8目前八頁\總數(shù)七十七頁\編于八點基質(zhì)材料固體基質(zhì)材料分為晶體和玻璃、陶瓷基質(zhì)與激活離子之間的匹配，事實上限制了激光材料組合的數(shù)量。9目前九頁\總數(shù)七十七頁\編于八點晶體適合作為激光離子的基質(zhì)晶體的選擇原則：摻雜后晶體必須具有均勻的折射率晶體的機械、熱性能容許高功率工作（熱導(dǎo)率，硬度和抗裂強度）晶體的晶格能夠接收摻雜離子，局部晶體場感應(yīng)出期望光譜特性所需的強度。生長出足夠尺寸的高質(zhì)量晶體。對于1300℃下可均勻熔化的晶體，容易采用合適的生長技術(shù)。10目前十頁\總數(shù)七十七頁\編于八點晶體氧化物磷酸鹽，硅酸鹽鎢酸鹽，鉬酸鹽，釩酸鹽和鈹酸鹽氟化物11目前十一頁\總數(shù)七十七頁\編于八點氧化物晶體藍寶石（Al2O3）質(zhì)硬，導(dǎo)熱率高Al容易被過渡金屬離子取代，Al相對稀土離子較小，不可能得到高摻雜濃度。以紅寶石（Cr:Al2O3)，和鈦寶石(Ti:Al2O3)為代表。石榴石性能穩(wěn)定，質(zhì)硬，熱導(dǎo)率高光學各向同性有釔鋁石榴石Y3Al5O12(YAG)，釓鎵石榴石Gd3Ga5O12(GGG)和釓鈧鋁石榴石Gd3Sc2Al3O12(GSGG)。Nd3＋:YAG，閾值低，增益高，處于固體激光材料壟斷地位，YAG中也可摻鉺Er3＋，銩Tm3＋，鈥Ho3＋和鐿Yb3＋。同時摻Cr3＋的Nd:GSGG，可顯著提高對閃光燈的吸收。12目前十二頁\總數(shù)七十七頁\編于八點氧化物晶體3.鋁酸釔YAlO3(YAP)Y2O3和Al2O3，1:1混合物，負單軸晶體可線偏振光輸出生長快速物理和機械性質(zhì)與YAG類似可選擇不同的結(jié)晶方向，得到不同的光譜特性，實現(xiàn)高增益，低閾值或者調(diào)Q所需的低增益，大儲能?？蓳诫sNd3＋，Er3＋，Tm3＋，Ho3＋。13目前十三頁\總數(shù)七十七頁\編于八點晶體氧化物4.硫氧化物稀土硫氧化物，如硫氧化鑭，硫氧化镥，硫氧化釔，均有相同晶體結(jié)構(gòu)，為單軸晶體。稀土激活離子在稀土硫化物基質(zhì)中可形成任意濃度的固體硫氧化鑭，硫氧化镥，硫氧化釔，硫氧化釓可透過0.35um~7um波長。Nd:LOS(La2O2S)的1.075um波長處激光躍遷截面約為Nd:YAG的1/3。14目前十四頁\總數(shù)七十七頁\編于八點磷酸鹽和硅酸鹽晶體摻Nd3+氟磷酸鈣Ga5（PO4）F3，閾值低，斜率效率高，硬度低，易形成色心，熱導(dǎo)率低，易造成熱畸變。硅酸氧磷灰石CaLaSOAP，質(zhì)硬，熱導(dǎo)率低，為YAG的1/9。儲能為YAG的5倍，晶體生長速度3mm/h。光學質(zhì)量好?？辜す鈸p傷閾值低。五磷酸釹鹽類，YNdP5O14,LaNdP5O14和ScNdP5O14，高增益。例如：ScNdP5O14在mW氬離子激光器泵浦下可實現(xiàn)閾值輸出。15目前十五頁\總數(shù)七十七頁\編于八點鎢酸鹽，鉬酸鹽，釩酸鹽和鈹酸鹽摻Nd的CaWO4，YAG之前常用的基質(zhì)材料。加入Na+，補充電荷。質(zhì)脆。鈉稀土鎢酸鹽和鉬酸鹽NaLa(MoO4)2,NaGd(WO4)2,NaNd(WO4)2，摻雜Nd，曾觀測到激光作用。摻Nd的YVO4，閾值很低，晶體生長困難。受激輻射截面大，對二極管泵浦波長的吸收高。鈹酸鹽La2Be2O5(BEL)，容易生長，截面和熱導(dǎo)率遠小于YAG，因此沒有實際應(yīng)用，Nd：BEL為雙軸晶體，折射率系數(shù)有正有負，可通過設(shè)計光路消除熱透鏡效應(yīng)。16目前十六頁\總數(shù)七十七頁\編于八點氟化物晶體摻Nd，氟化釔鋰YLiF4（YLF）單軸晶體偏振輸出熒光壽命是YAG的兩倍，儲能高，熱機械性能不如YAG17目前十七頁\總數(shù)七十七頁\編于八點玻璃大尺寸。可以生產(chǎn)長1m，直徑10cm的棒；直徑90cm，厚幾厘米的疊片。優(yōu)越的光學質(zhì)量，波前畸變小易于制造容易進行光學拋光熒光線寬寬，閾值高熱導(dǎo)率低，熱致雙折射引起的光學畸變嚴重。可以摻Nd3+，Yb3+，Er3+，Tm3+和Ho3+。18目前十八頁\總數(shù)七十七頁\編于八點§2.1.3固體工作物質(zhì)美國國家點火裝置用磷酸鹽玻璃19目前十九頁\總數(shù)七十七頁\編于八點多晶陶瓷

Nd:YAG陶瓷微結(jié)構(gòu)Ann.Rev.Mater.Res36,397(2006)陶瓷:有精細的、方向隨機的晶粒組成(晶粒尺寸亞微米-數(shù)十微米)目前二十頁\總數(shù)七十七頁\編于八點陶瓷特性制造周期短,潛在低成本大尺寸，高濃度摻雜優(yōu)良的光學性能優(yōu)良的熱性能目前二十一頁\總數(shù)七十七頁\編于八點激活離子稀土離子釹（Nd3＋）實現(xiàn)了100多種基質(zhì)中獲得受激發(fā)射以0.9um，1.06um，1.35um為中心，可實現(xiàn)若干頻率的受激發(fā)射鉺（Er3＋）實現(xiàn)了YAG，YLF，YAP，LaF3，CaWO4，CaF2，玻璃基質(zhì)中的受激發(fā)射。1.53~1.66um內(nèi)實現(xiàn)激光發(fā)射，屬人眼安全波長。常用的Er3＋:YAG經(jīng)敏化，最易其振，輸出波長為2.9um。鈥（Ho3＋）摻Er：Tm：Ho的YAG和YLF，輸出波長2um摻Cr代替Er敏化，Cr：Tm：YAG激光器可有效吸收閃光燈泵浦能量。輸出波長2.1um。22目前二十二頁\總數(shù)七十七頁\編于八點激活離子稀土離子銩（Tm3＋）與Cr或Ho一起實現(xiàn)YAG，YLF的高效閃光燈及二極管泵浦激光輸出。二極管泵浦Tm：YAG實現(xiàn)2.01um輸出二極管泵浦Tm：Ho：YAG實現(xiàn)2.09um輸出高效閃光燈泵浦Cr：Tm：YAG實現(xiàn)1.945um和1.965um的可調(diào)輸出鐠Pr3＋，釓Gd3＋，銪Eu3＋，鐿Yb3＋，鈰Ce3＋二極管泵浦的Yb：YAG激光器二極管泵浦的摻Y(jié)b的光纖激光器釤Sm2＋，鏑Dy2＋，銩Tm2＋液氮冷卻的作用下，CaF2中產(chǎn)生過激光作用。23目前二十三頁\總數(shù)七十七頁\編于八點激活離子2.錒系離子摻0.05%鈾（U）的CaF2成功用于激光器，輸出2.6um。3.過渡金屬

鉻（Cr3+)紅寶石（Cr3+：AL2O3），紫翠寶石（綠寶石，金綠寶石，翠綠寶石，Cr3＋：BeAl2O4）鈦（Ti3＋)鈦藍寶石（鈦寶石，：AL2O3）Co2+:MgF2激光器。24目前二十四頁\總數(shù)七十七頁\編于八點正分高濃度激光晶體激活離子本身是晶體組成部分的激光工作物質(zhì)稱為正分高濃度晶體?？梢詫崿F(xiàn)高摻雜而無明顯的濃度猝滅效應(yīng)高效率、低閾值過磷酸鹽，NdP5O14,CeP5O14,PrP5O14偏磷酸鹽,LiNdP4O12,NaNdP4O12,KNdP4O12,正磷酸鹽,Na3Nd(PO4)2,K3Nd(PO4)2硼酸鹽,NdAl(BO3)4,NdCr(BO3)4,鎢酸鹽、鉬酸鹽,Na5Nd(WO4)4,R5Nd(MoO4)425目前二十五頁\總數(shù)七十七頁\編于八點多摻與敏化敏化指在晶體中除了發(fā)光中心的激活離子外，再摻入一種或多種稱為敏化劑的施主離子。敏化劑主要作用是吸收激活離子不吸收的光譜能量，并將吸收到的能量轉(zhuǎn)移給激活離子。雙摻或多摻雜晶體生長困難，工藝復(fù)雜。26目前二十六頁\總數(shù)七十七頁\編于八點工作物質(zhì)的劣化與破壞

若輸出效率下降過大，達50%以上，稱為工作物質(zhì)的劣化。造成劣化原因主要為：(1)色心吸收光泵中紫外光的作用，工作物質(zhì)的顏色會產(chǎn)生部分或全部變化，如紅寶石由粉紅變成橙色或棕色，Nd3+：YAG由淡紫色變?yōu)樽丶t色，釹玻璃由紫紅色變成棕紅色等，此現(xiàn)象稱為色心。

(2)雜質(zhì)離子變價

雜質(zhì)離子變價，可能產(chǎn)生對激光輻射的自吸收，使激光衰減。

1.劣化27目前二十七頁\總數(shù)七十七頁\編于八點工作物質(zhì)的劣化與破壞破壞閾值影響因素工作物質(zhì)本身：內(nèi)部，表面脈寬諧振腔是否有聚焦點28目前二十八頁\總數(shù)七十七頁\編于八點3.破壞如何避免注意表面加工質(zhì)量,如劃痕、疵點注意激光光強，特別是超短脈沖(3)與光學諧振腔的腔型有關(guān)

為防止工作物質(zhì)的自身破壞，主要措施是：提高工作物質(zhì)的質(zhì)量；盡量加長脈寬；防止工作物質(zhì)內(nèi)部或附近有會聚中心，盡量采用發(fā)散光束或光強均勻且寬粗的光束通過工作物質(zhì)；提高表面加工質(zhì)量，并注意防止灰塵及其它物污染工作物質(zhì)端面。

29目前二十九頁\總數(shù)七十七頁\編于八點工作物質(zhì)幾何尺寸和加工要求形狀：圓柱棒，矩形片，圓片圓柱棒長徑散熱，表面積大，散熱好閾值，棒細長，閾值低經(jīng)驗：10:1~20:1端面平行度，5‘’～10‘’粗糙度60-40scratch/dig平整度:<1/4波長側(cè)面磨毛30目前三十頁\總數(shù)七十七頁\編于八點2.2紅寶石31目前三十一頁\總數(shù)七十七頁\編于八點紅寶石晶體結(jié)構(gòu)Cr3+:Al2O3六方晶系，負單軸晶體(no>ne)粉紅色提拉法生長可以獲得大尺寸晶體紅寶石物理，化學特性32目前三十二頁\總數(shù)七十七頁\編于八點紅寶石的基本物理化學特性莫氏硬度9熔點2050（攝氏度）熱導(dǎo)率0.42W/cmK(300K)10W/cmK(77K)熱膨脹系數(shù)6.7E-6K-1(平行于c）5.0E-6K-1(垂直于c）化學性質(zhì)穩(wěn)定，抗腐蝕33目前三十三頁\總數(shù)七十七頁\編于八點紅寶石激光性能——能級結(jié)構(gòu)34目前三十四頁\總數(shù)七十七頁\編于八點紅寶石激光性能——吸收光譜35目前三十五頁\總數(shù)七十七頁\編于八點紅寶石激光性能——主要參數(shù)摻雜濃度1.58E19(cm-3)受激輻射截面2.5E-20(cm2)波長694.3nm熒光壽命3.0ms量子效率0.7譜線線寬11(cm-1)5.3(埃)36目前三十六頁\總數(shù)七十七頁\編于八點紅寶石激光器特點輸出694.3nm波長的可見激光。光譜線寬0.01~0.1nm。易于接收和檢測；晶體升溫時(大于50℃）時，熒光量子效率顯著下降，譜線寬度增大，使激光輸出水平下降甚至停振，故一般應(yīng)采取冷卻措施；激發(fā)效率較低，不適合連續(xù)工作；輸出發(fā)散角較大，一般約為3～10mrad目前三十七頁\總數(shù)七十七頁\編于八點中國第一臺激光器(1961)--“小球照明紅寶石”激光器在當時激發(fā)方式上，比國外激光器具有更好的激光效率目前三十八頁\總數(shù)七十七頁\編于八點紅寶石激光器的應(yīng)用眼科：用于視網(wǎng)膜的焊接，治療青光眼，虹膜的切除等；

激光的首次在醫(yī)學上的成功應(yīng)用是進行眼內(nèi)手術(shù)，無需要切開眼球。早在1962年，一臺紅寶石激光器將病人脫落的視網(wǎng)膜與眼球重新連接，使他恢復(fù)了視力。目前三十九頁\總數(shù)七十七頁\編于八點紅寶石激光器醫(yī)學應(yīng)用皮膚科：用于照射治療；

激光去痣和激光美白：紅寶石激光器波長為694.3nm的可見紅光，這種波長的激光最不易被氧合血紅蛋白吸收，而黑色素對其吸收率較高。激光脫毛：臨床常用其長脈沖模式，深入皮膚真皮層，破壞毛囊，永久性去除身體多余毛發(fā)；目前四十頁\總數(shù)七十七頁\編于八點全息術(shù)實驗用紅寶石脈沖激光器拍攝的剛出殼的小雞的反射全息圖。目前四十一頁\總數(shù)七十七頁\編于八點2.4釹玻璃42目前四十二頁\總數(shù)七十七頁\編于八點Nd:Glass的物理化學特性硅酸鹽，磷酸鹽，氟酸鹽，硼酸鹽摻雜濃度高，1wt％～5wt％光學均勻性好各向同性可以獲得各種形狀和尺寸43目前四十三頁\總數(shù)七十七頁\編于八點各種Nd:Glass的特性44目前四十四頁\總數(shù)七十七頁\編于八點國內(nèi)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的N31玻璃激光波長：1054nm受激發(fā)射截面：4.0×10^-20cm^2上能態(tài)壽命：340us熒光線寬：20nm動態(tài)損耗：0.5%/cm45目前四十五頁\總數(shù)七十七頁\編于八點Nd:Glass激光性能——能級結(jié)構(gòu)中心波長：0.92um，1.06um，1.37um吸收帶寬和熒光線寬均增加46目前四十六頁\總數(shù)七十七頁\編于八點Nd:Glass激光性能——吸收光譜47目前四十七頁\總數(shù)七十七頁\編于八點Nd:Glass激光性能——主要參數(shù)摻雜濃度2.8~3.8E20(cm-3)受激輻射截面3.5~4.5E-20(cm2)熒光峰值波長1053~1064nm熒光壽命300~640us量子效率0.3~0.7譜線線寬250cm-148目前四十八頁\總數(shù)七十七頁\編于八點Nd:Glass在激光器中運用脈沖運轉(zhuǎn)調(diào)Q超短脈沖板條激光器實現(xiàn)高重復(fù)率高功率輸出49目前四十九頁\總數(shù)七十七頁\編于八點紅寶石，Nd:YAG和Nd:Glass比較紅寶石Nd:YAGNd:Glass摻雜濃度1.58E19(cm-3)1.38E20(cm-3)~3E20(cm-3)受激輻射截面2.5E-20(cm2)88E-20(cm2)~4.0E-20(cm2)熒光峰值波長694.3nm1064nm1054/1064nm熒光壽命3.0ms230us0.3~0.6ms量子效率0.710.3~0.7譜線線寬11(cm-1)5.3(埃)4.5(埃)250cm-1280.9(埃）50目前五十頁\總數(shù)七十七頁\編于八點2.5其它摻釹工作物質(zhì)一、Nd:YAP二、Nd:YLF三、Nd:GGG四、Nd:LMA51目前五十一頁\總數(shù)七十七頁\編于八點一、Nd:YAP摻釹鋁酸釔晶體Nd3＋：YAlO3正交晶系，雙軸晶體線偏振光輸出物理機械性質(zhì)與YAG相似52目前五十二頁\總數(shù)七十七頁\編于八點Nd:YAP的物理與化學特性莫氏硬度8~8.5熔點1870±10（攝氏度）熱導(dǎo)率0.11W/cmK熱膨脹系數(shù)a4.2E-6K-1b11.7E-6K-1c5.1E-6K-1化學性質(zhì)穩(wěn)定53目前五十三頁\總數(shù)七十七頁\編于八點Nd:YAP的激光性能——吸收光譜54目前五十四頁\總數(shù)七十七頁\編于八點Nd:YAP在激光器中應(yīng)用與Nd:YAG類似可以高功率輸出偏振輸出可以1.079um和1.37um雙色輸出破壞閾值低，熱效應(yīng)較Nd:YAG嚴重55目前五十五頁\總數(shù)七十七頁\編于八點二、Nd:YLF摻釹氟化釔鋰Nd:YLiF4單軸晶體偏振輸出機械和熱性能比YAG差損傷閾值高56目前五十六頁\總數(shù)七十七頁\編于八點Nd:YLF的物理化學特性莫氏硬度4～5熔點825（攝氏度）熱導(dǎo)率0.06W/cmK熱膨脹系數(shù)a13E-6K-1c8E-6K-1化學性質(zhì)穩(wěn)定57光電子技術(shù)精品課程目前五十七頁\總數(shù)七十七頁\編于八點Nd:YLF的激光性能——能級結(jié)構(gòu)58目前五十八頁\總數(shù)七十七頁\編于八點Nd:YLF的激光性能——主要參數(shù)受激輻射截面18E-20(cm2)π12E-20(cm2)σ波長1047nmπ1053nmσ熒光壽命480us59目前五十九頁\總數(shù)七十七頁\編于八點Nd:YLF在激光器中應(yīng)用大儲能有利于二極管泵浦中等能量Q開關(guān)輸出Q開關(guān)振蕩器－放大器結(jié)構(gòu)60目前六十頁\總數(shù)七十七頁\編于八點三、Nd:GGG石榴石晶體：Gd3Ga5O12(GGG)Gd3Sc2Al3O12(GSAG)Gd3ScGa3O12(GSGG)立方晶系生長速度快，可以獲得大尺寸板條Nd:GGG可以獲得千瓦輸出61目前六十一頁\總數(shù)七十七頁\編于八點四、Nd:LMA摻釹鋁酸鎂鑭Nd3+:LaMgAl11O19六方晶系，單軸晶體摻雜濃度高：1.2E21cm-3提拉法生長，可以得到大尺寸晶體物化性能穩(wěn)定，熱導(dǎo)率高，可高功率輸出波長：1.054um和1.083um62目前六十二頁\總數(shù)七十七頁\編于八點Nd:LMA的吸收光譜63目前六十三頁\總數(shù)七十七頁\編于八點Nd:LMA的熒光光譜64目前六十四頁\總數(shù)七十七頁\編于八點2.6其它固體激光工作物質(zhì)Er:YAG和鉺玻璃摻鈷氟化鎂和摻鉻氟化鋰鍶