第二講 固體激光材料

1、第2講 固體激光材料 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激光材料發(fā)展趨勢3激光材料主要參數(shù)及其含義 4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)52.1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具有高的熒光量子效率；具有高的熒光量子效率；光學(xué)質(zhì)量高光學(xué)質(zhì)量高,缺陷少缺陷少,內(nèi)應(yīng)力小內(nèi)應(yīng)力小.在材料中不產(chǎn)生入射光的波面在材料中不產(chǎn)生入射光的波面畸變；畸變；在激光工

2、作頻率范圍透明；在激光工作頻率范圍透明；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?fù)饺氲募せ铍x子具有有效的激勵光譜和較大的受激發(fā)射截面；面；能摻入較高濃度的激活離子能摻入較高濃度的激活離子,濃度猝滅效應(yīng)小濃度猝滅效應(yīng)小,熒光壽命足夠熒光壽命足夠長；長；具有良好的物理、化學(xué)和機(jī)械性能具有良好的物理、化學(xué)和機(jī)械性能.熱導(dǎo)率高熱導(dǎo)率高,熱膨脹系數(shù)小熱膨脹系數(shù)小,化學(xué)穩(wěn)定性好化學(xué)穩(wěn)定性好,機(jī)械強(qiáng)度高機(jī)械強(qiáng)度高,耐水性好耐水性好,熔點高熔點高,能承受高功率能承受高功率密度等；密度等；制備工藝簡單制備工藝簡單,加工容易加工容易,成本低成本低,并可獲得足夠大的尺寸并可獲得足夠大的尺寸.對固體激光材料

3、的基本要求8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(dāng)?shù)木Ц駡?。決定工作物質(zhì)的各種物理化學(xué)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)?；|(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(jī)械、熱性能容許高功率工作（熱導(dǎo)率，硬度和抗裂強(qiáng)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(qiáng)度。 生長出足夠尺寸的高質(zhì)量晶體。

4、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氧化物晶體藍(lán)寶石藍(lán)寶石（Al2O3）質(zhì)硬，導(dǎo)熱率高質(zhì)硬，導(dǎo)熱率高Al容易被過渡金屬離子取代，容易被過渡金屬離子取代，Al相對稀土離子較小，不可能得到高摻相對稀土離子較小，不可能得到高摻雜濃度。雜濃度。以紅寶石（以紅寶石（Cr:Al2O3)，和鈦寶石，和鈦寶石(Ti:Al2O3)為代表。為代表。石榴石石榴石性能穩(wěn)定，質(zhì)硬，熱導(dǎo)率高性能穩(wěn)定，質(zhì)硬，熱導(dǎo)率高光學(xué)各向同性光學(xué)各向同性有釔鋁石榴石有釔鋁石榴石Y3Al5O12(YAG)，釓鎵石榴石，釓鎵石榴石Gd3Ga5O1

5、2(GGG)和釓鈧鋁石和釓鈧鋁石榴石榴石Gd3Sc2Al3O12(GSGG)。Nd3:YAG，閾值低，增益高，處于固體激光材料壟斷地位，閾值低，增益高，處于固體激光材料壟斷地位，YAG中也可摻鉺中也可摻鉺Er3，銩，銩Tm3，鈥，鈥Ho3和鐿和鐿Yb3。同時摻同時摻Cr3的的Nd:GSGG，可顯著提高對閃光燈的吸收。，可顯著提高對閃光燈的吸收。12氧化物晶體3. 鋁酸釔YAlO3(YAP) Y2O3和Al2O3，1:1混合物，負(fù)單軸晶體 可線偏振光輸出 生長快速 物理和機(jī)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。 可摻雜Nd3

6、，Er3，Tm3，Ho3。13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0.35um7um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(xué)質(zhì)量好?？辜す?/p>

7、損傷閾值低。 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(yuǎn)小于YAG，因此沒有實際應(yīng)用，Nd：BEL為雙軸晶體，折射率系

8、數(shù)有正有負(fù)，可通過設(shè)計光路消除熱透鏡效應(yīng)。16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(jī)械性能不如YAG17玻璃 大尺寸?？梢陨a(chǎn)長1m，直徑10cm的棒；直徑90cm，厚幾厘米的疊片。 優(yōu)越的光學(xué)質(zhì)量，波前畸變小 易于制造 容易進(jìn)行光學(xué)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(xué)畸變嚴(yán)重。 可以摻Nd3+，Yb3+，Er3+，Tm3+和Ho3+。18192.1.3 固體工作物質(zhì)固體工作物質(zhì)美國國家點火裝置用磷酸鹽玻璃多晶陶瓷 Ann. Rev. Mater. Res 36, 397 (2006)陶瓷特性 制造周期短

9、, 潛在低成本 大尺寸，高濃度摻雜 優(yōu)良的光學(xué)性能 優(yōu)良的熱性能激活離子稀土離子釹（釹（NdNd3 3） 實現(xiàn)了實現(xiàn)了100100多種基質(zhì)中獲得受激發(fā)射多種基質(zhì)中獲得受激發(fā)射以以0.9um0.9um，1.06um1.06um，1.35um1.35um為中心，可實現(xiàn)若干頻率的受激發(fā)射為中心，可實現(xiàn)若干頻率的受激發(fā)射鉺（鉺（ErEr3 3）實現(xiàn)了實現(xiàn)了YAGYAG，YLFYLF，YAPYAP，LaFLaF3 3，CaWOCaWO4 4，CaFCaF2 2，玻璃基質(zhì)中的受激，玻璃基質(zhì)中的受激發(fā)射。發(fā)射。1.531.66um1.531.66um內(nèi)實現(xiàn)激光發(fā)射，屬人眼安全波長。內(nèi)實現(xiàn)激光發(fā)射，屬人眼安全

10、波長。常用的常用的ErEr3 3:YAG:YAG經(jīng)敏化，最易其振，輸出波長為經(jīng)敏化，最易其振，輸出波長為2.9um2.9um。鈥（鈥（Ho3）摻摻Er：Tm：Ho的的YAG和和YLF，輸出波長，輸出波長2um摻摻Cr代替代替Er敏化，敏化，Cr：Tm：YAG激光器可有效吸收閃光燈泵浦能激光器可有效吸收閃光燈泵浦能量。輸出波長量。輸出波長2.1um。22激活離子 稀土離子銩（銩（TmTm3 3）與與CrCr或或HoHo一起實現(xiàn)一起實現(xiàn)YAGYAG，YLFYLF的高效閃光燈及二極管泵浦激光的高效閃光燈及二極管泵浦激光輸出。輸出。二極管泵浦二極管泵浦TmTm：YAGYAG實現(xiàn)實現(xiàn)2.01um2.01

11、um輸出輸出二極管泵浦二極管泵浦TmTm：HoHo：YAGYAG實現(xiàn)實現(xiàn)2.09um2.09um輸出輸出高效閃光燈泵浦高效閃光燈泵浦CrCr：TmTm：YAGYAG實現(xiàn)實現(xiàn)1.945um1.945um和和1.965um1.965um的可調(diào)輸?shù)目烧{(diào)輸出出鐠鐠PrPr3 3，釓，釓GdGd3 3，銪，銪EuEu3 3，鐿，鐿YbYb3 3，鈰，鈰CeCe3 3二極管泵浦的二極管泵浦的YbYb：YAGYAG激光器激光器二極管泵浦的摻二極管泵浦的摻Y(jié)bYb的光纖激光器的光纖激光器釤釤SmSm2 2，鏑，鏑DyDy2 2，銩，銩TmTm2 2液氮冷卻的作用下，液氮冷卻的作用下，CaFCaF2 2中產(chǎn)生過

12、激光作用。中產(chǎn)生過激光作用。23激活離子2. 錒系離子摻摻0.05%鈾（鈾（U）的）的CaF2成功用于激光器，輸出成功用于激光器，輸出2.6um。3. 過渡金屬鉻（鉻（Cr3+)紅寶石（紅寶石（Cr3+：AL2O3），紫翠寶石（綠寶石，金綠寶石，翠），紫翠寶石（綠寶石，金綠寶石，翠綠寶石，綠寶石，Cr3：BeAl2O4）鈦鈦 （ Ti3)鈦藍(lán)寶石（鈦寶石，：鈦藍(lán)寶石（鈦寶石，：AL2O3）Co2+:MgF2激光器。激光器。24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, CeP5O1

13、4, 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)4,1. 鎢酸鹽、鉬酸鹽, Na5Nd(WO4)4, R5Nd(MoO4)425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。2627工作物質(zhì)的劣化與破壞工作物質(zhì)的劣化與破壞 若輸出效率下降過大，達(dá)50%以上，稱為工作物質(zhì)的劣化

14、。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. 劣化劣化工作物質(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28293.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(qiáng)，特別是超短脈沖(3) 與光學(xué)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

15、會聚中心，盡量采用發(fā)散光束或光強(qiáng)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。 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(xì)長，閾值低 經(jīng)驗：10:120:1 端面 平行度，510 粗糙度 60-40 scratch/dig 平整度:ne)粉紅色粉紅色提拉法生長提拉法生長可以獲得大尺寸晶體可以獲得大尺寸晶體33紅寶石的基本物理化學(xué)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）

16、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，抗腐蝕紅寶石激光性能能級結(jié)構(gòu)34紅寶石激光性能吸收光譜35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紅寶石激光器特點 輸出694.3nm波長的可見激光。光譜線寬0.010.1nm。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310mrad中國第一臺激光器(1961)-“小球照明紅寶石”激光器在當(dāng)時激發(fā)

17、方式上，比國外激光器具有更好的激光效率紅寶石激光器的應(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(xué)上的成激光的首次在醫(yī)學(xué)上的成功應(yīng)用是進(jìn)行眼內(nèi)手術(shù)，功應(yīng)用是進(jìn)行眼內(nèi)手術(shù)，無需要切開眼球。早在無需要切開眼球。早在1962年，一臺紅寶石激年，一臺紅寶石激光器將病人脫落的視網(wǎng)光器將病人脫落的視網(wǎng)膜與眼球重新連接，使膜與眼球重新連接，使他恢復(fù)了視力。他恢復(fù)了視力。紅寶石激光器醫(yī)學(xué)應(yīng)用紅寶石激光器醫(yī)學(xué)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的可見紅光，這種波長的

18、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。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)；皮層，破壞毛囊，永久性去除身體多余毛發(fā)；全息術(shù)實驗 用紅寶石紅寶石脈沖激光器激光器拍攝的剛出殼的小雞的反射全息圖。 2.4釹玻璃42Nd:Glass的物理化學(xué)特性 硅酸鹽，磷酸鹽，氟酸鹽，硼酸鹽 摻雜濃度高，1wt5wt 光學(xué)均勻性好 各向同性 可以獲得各種形狀和尺寸43各種Nd:Glass的特性44國內(nèi)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的N31玻璃45激光波長：1054 nm受激發(fā)射截面：4.

19、010-20 cm2上能態(tài)壽命：340 us熒光線寬：20 nm動態(tài)損耗：0.5% /cmNd:Glass激光性能能級結(jié)構(gòu)46中心波長：0.92um，1.06um，1.37um吸收帶寬和熒光線寬均增加Nd:Glass激光性能吸收光譜47Nd:Glass激光性能主要參數(shù)摻雜濃度2.83.8E20(cm-3)受激輻射截面3.54.5E-20(cm2)熒光峰值波長1053 1064nm熒光壽命300640us量子效率0.30.7譜線線寬250cm-148Nd: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紅寶石，Nd:YAG和Nd:Glass比較紅寶石Nd:

20、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3.0ms230us0.30.6ms量子效率0.710.30.7譜線線寬11(cm-1)5.3(埃)4.5(埃)250cm-1280.9(埃）502.5其它摻釹工作物質(zhì)一、Nd:YAP二、Nd:YLF三、Nd:GGG四、Nd:LMA51一、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(jī)械性質(zhì)與YAG相似5

21、2Nd:YAP的物理與化學(xué)特性莫氏硬度88.5熔點187010（攝氏度）熱導(dǎo)率0.11W/cmK熱膨脹系數(shù)a 4.2E-6K-1b 11.7E-6K-1c 5.1E-6K-1化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定53Nd:YAP的激光性能吸收光譜54Nd: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(yán)重55二、Nd:YLF 摻釹氟化釔鋰Nd:YLiF4 單軸晶體 偏振輸出 機(jī)械和熱性能比YAG差 損傷閾值高56Nd:YLF的物理化學(xué)特性莫氏硬度45熔點825（攝氏度）熱導(dǎo)率0.06W/cmK熱膨脹系數(shù)a 13E-6K-1c

22、8E-6K-1化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定光電子技術(shù)精品課程57Nd:YLF的激光性能能級結(jié)構(gòu)58Nd:YLF的激光性能主要參數(shù)受激輻射截面18E-20(cm2) 12E-20(cm2) 波長1047nm 1053nm 熒光壽命480us59Nd: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61四、Nd:LMA 摻釹鋁酸鎂鑭Nd3+:LaMgAl11O19 六方晶系，單軸晶體 摻雜濃