第二講固體激光材料

第2講固體激光材料現在是1頁\一共有77頁\編輯于星期五一代材料，一代器件激光技術的發(fā)展離不開激光材料的發(fā)現

鈦寶石晶體-----超快激光技術2現在是2頁\一共有77頁\編輯于星期五激光材料發(fā)展趨勢3現在是3頁\一共有77頁\編輯于星期五激光材料主要參數及其含義

4現在是4頁\一共有77頁\編輯于星期五固體工作物質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2.6其它固體激光工作物質5現在是5頁\一共有77頁\編輯于星期五2.1概述對固體激光工作物質的一般要求基質與激活離子正分高濃度激光晶體多摻和敏化工作物質的劣化與破壞工作物質幾何尺寸和加工要求6現在是6頁\一共有77頁\編輯于星期五①具有高的熒光量子效率；②光學質量高,缺陷少,內應力小.在材料中不產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.熱導率高,熱膨脹系數小,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

現在是7頁\一共有77頁\編輯于星期五固體激光工作物質固體激光工作物質由基質材料和激活離子兩部分組成。基質材料：其作用主要是為激活離子提供一個適當的晶格場。決定工作物質的各種物理化學性質；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構。8現在是8頁\一共有77頁\編輯于星期五基質材料固體基質材料分為晶體和玻璃、陶瓷基質與激活離子之間的匹配，事實上限制了激光材料組合的數量。9現在是9頁\一共有77頁\編輯于星期五晶體適合作為激光離子的基質晶體的選擇原則：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，局部晶體場感應出期望光譜特性所需的強度。生長出足夠尺寸的高質量晶體。對于1300℃下可均勻熔化的晶體，容易采用合適的生長技術。10現在是10頁\一共有77頁\編輯于星期五晶體氧化物磷酸鹽，硅酸鹽鎢酸鹽，鉬酸鹽，釩酸鹽和鈹酸鹽氟化物11現在是11頁\一共有77頁\編輯于星期五氧化物晶體藍寶石（Al2O3）質硬，導熱率高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，質硬，熱導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現在是12頁\一共有77頁\編輯于星期五氧化物晶體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與YAG類似可選擇不同的結晶方向，得到不同的光譜特性，實現高增益，低閾值或者調Q所需的低增益，大儲能。可摻雜Nd3＋，Er3＋，Tm3＋，Ho3＋。13現在是13頁\一共有77頁\編輯于星期五晶體氧化物4.硫氧化物稀土硫氧化物，如硫氧化鑭，硫氧化镥，硫氧化釔，均有相同晶體結構，為單軸晶體。稀土激活離子在稀土硫化物基質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現在是14頁\一共有77頁\編輯于星期五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，熱導率低，易造成熱畸變。硅酸氧磷灰石CaLaSOAP，質硬，熱導率低，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閾值輸出。15現在是15頁\一共有77頁\編輯于星期五鎢酸鹽，鉬酸鹽，釩酸鹽和鈹酸鹽摻Nd的CaWO4，YAG之前常用的基質材料。加入Na+，補充電荷。質脆。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，截面和熱導率遠小于YAG，因此沒有實際應用，Nd：BEL為雙軸晶體，折射率系數有正有負，可通過設計光路消除熱透鏡效應。16現在是16頁\一共有77頁\編輯于星期五氟化物晶體摻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現在是17頁\一共有77頁\編輯于星期五玻璃大尺寸?？梢陨a長1m，直徑10cm的棒；直徑90cm，厚幾厘米的疊片。優(yōu)越的光學質量，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現在是18頁\一共有77頁\編輯于星期五§2.1.3固體工作物質美國國家點火裝置用磷酸鹽玻璃19現在是19頁\一共有77頁\編輯于星期五多晶陶瓷

Nd:YAG陶瓷微結構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-數十微米)現在是20頁\一共有77頁\編輯于星期五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)良的熱性能現在是21頁\一共有77頁\編輯于星期五激活離子稀土離子釹（Nd3＋）實現了100多種基質中獲得受激發(fā)射以0.9um，1.06um，1.35um為中心，可實現若干頻率的受激發(fā)射鉺（Er3＋）實現了YAG，YLF，YAP，LaF3，CaWO4，CaF2，玻璃基質中的受激發(fā)射。1.53~1.66um內實現激光發(fā)射，屬人眼安全波長。常用的Er3＋:YAG經敏化，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現在是22頁\一共有77頁\編輯于星期五激活離子稀土離子銩（Tm3＋）與Cr或Ho一起實現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2.01um輸出二極管泵浦Tm：Ho：YAG實現2.09um輸出高效閃光燈泵浦Cr：Tm：YAG實現1.945um和1.965um的可調輸出鐠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Yb的光纖激光器釤Sm2＋，鏑Dy2＋，銩Tm2＋液氮冷卻的作用下，CaF2中產生過激光作用。23現在是23頁\一共有77頁\編輯于星期五激活離子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現在是24頁\一共有77頁\編輯于星期五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稱為正分高濃度晶體?？梢詫崿F高摻雜而無明顯的濃度猝滅效應高效率、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現在是25頁\一共有77頁\編輯于星期五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移給激活離子。雙摻或多摻雜晶體生長困難，工藝復雜。26現在是26頁\一共有77頁\編輯于星期五工作物質的劣化與破壞

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，工作物質的顏色會產生部分或全部變化，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，此現象稱為色心。

(2)雜質離子變價

雜質離子變價，可能產生對激光輻射的自吸收，使激光衰減。

1.劣化27現在是27頁\一共有77頁\編輯于星期五工作物質的劣化與破壞破壞閾值影響因素工作物質本身：內部，表面脈寬諧振腔是否有聚焦點28現在是28頁\一共有77頁\編輯于星期五3.破壞如何避免注意表面加工質量,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

為防止工作物質的自身破壞，主要措施是：提高工作物質的質量；盡量加長脈寬；防止工作物質內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；提高表面加工質量，并注意防止灰塵及其它物污染工作物質端面。

29現在是29頁\一共有77頁\編輯于星期五工作物質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波長側面磨毛30現在是30頁\一共有77頁\編輯于星期五2.2紅寶石31現在是31頁\一共有77頁\編輯于星期五紅寶石晶體結構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現在是32頁\一共有77頁\編輯于星期五紅寶石的基本物理化學特性莫氏硬度9熔點2050（攝氏度）熱導率0.42W/cmK(300K)10W/cmK(77K)熱膨脹系數6.7E-6K-1(平行于c）5.0E-6K-1(垂直于c）化學性質穩(wěn)定，抗腐蝕33現在是33頁\一共有77頁\編輯于星期五紅寶石激光性能——能級結構34現在是34頁\一共有77頁\編輯于星期五紅寶石激光性能——吸收光譜35現在是35頁\一共有77頁\編輯于星期五紅寶石激光性能——主要參數摻雜濃度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現在是36頁\一共有77頁\編輯于星期五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現在是37頁\一共有77頁\編輯于星期五中國第一臺激光器(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現在是38頁\一共有77頁\編輯于星期五紅寶石激光器的應用眼科：用于視網膜的焊接，治療青光眼，虹膜的切除等；

激光的首次在醫(yī)學上的成功應用是進行眼內手術，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膜與眼球重新連接，使他恢復了視力。現在是39頁\一共有77頁\編輯于星期五紅寶石激光器醫(yī)學應用皮膚科：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)；現在是40頁\一共有77頁\編輯于星期五全息術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?，F在是41頁\一共有77頁\編輯于星期五2.4釹玻璃42現在是42頁\一共有77頁\編輯于星期五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現在是43頁\一共有77頁\編輯于星期五各種Nd:Glass的特性44現在是44頁\一共有77頁\編輯于星期五國內具有自主知識產權的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現在是45頁\一共有77頁\編輯于星期五Nd:Glass激光性能——能級結構中心波長：0.92um，1.06um，1.37um吸收帶寬和熒光線寬均增加46現在是46頁\一共有77頁\編輯于星期五Nd:Glass激光性能——吸收光譜47現在是47頁\一共有77頁\編輯于星期五Nd:Glass激光性能——主要參數摻雜濃度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現在是48頁\一共有77頁\編輯于星期五Nd:Glass在激光器中運用脈沖運轉調Q超短脈沖板條激光器實現高重復率高功率輸出49現在是49頁\一共有77頁\編輯于星期五紅寶石，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現在是50頁\一共有77頁\編輯于星期五2.5其它摻釹工作物質一、Nd:YAP二、Nd:YLF三、Nd:GGG四、Nd:LMA51現在是51頁\一共有77頁\編輯于星期五一、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與YAG相似52現在是52頁\一共有77頁\編輯于星期五Nd:YAP的物理與化學特性莫氏硬度8~8.5熔點1870±10（攝氏度）熱導率0.11W/cmK熱膨脹系數a4.2E-6K-1b11.7E-6K-1c5.1E-6K-1化學性質穩(wěn)定53現在是53頁\一共有77頁\編輯于星期五Nd:YAP的激光性能——吸收光譜54現在是54頁\一共有77頁\編輯于星期五Nd:YAP在激光器中應用與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，熱效應較Nd:YAG嚴重55現在是55頁\一共有77頁\編輯于星期五二、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現在是56頁\一共有77頁\編輯于星期五Nd:YLF的物理化學特性莫氏硬度4～5熔點825（攝氏度）熱導率0.06W/cmK熱膨脹系數a13E-6K-1c8E-6K-1化學性質穩(wěn)定57光電子技術精品課程現在是57頁\一共有77頁\編輯于星期五Nd:YLF的激光性能——能級結構58現在是58頁\一共有77頁\編輯于星期五Nd:YLF的激光性能——主要參數受激輻射截面18E-20(cm2)π12E-20(cm2)σ波長1047nmπ1053nmσ熒光壽命480us59現在是59頁\一共有77頁\編輯于星期五Nd:YLF在激光器中應用大儲能有利于二極管泵浦中等能量Q開關輸出Q開關振蕩器－放大器結構60現在是60頁\一共有77頁\編輯于星期五三、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現在是61頁\一共有77頁\編輯于星期五四、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，熱導率高，可高功率輸出波長：1.054um和1.083um62現在是62頁\一共有77頁\編輯于星期五Nd:LMA的吸收光譜63現在是63頁\一共有77頁\編輯于星期五Nd:LMA的熒光光譜64現在是64頁\一共有77頁\編輯于星期五2.6其它固體激光工作物質Er:YAG和鉺玻璃摻鈷氟化鎂和摻鉻氟化鋰鍶鋁摻鈦藍寶石（鈦