《激光材料》PPT课件.ppt

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1、第八章第八章固体激光材料固体激光材料固体激光器在各种激光器中占主导地位，并且广泛固体激光器在各种激光器中占主导地位，并且广泛应用于国防、工业、医学和科研等领域。固体激光材应用于国防、工业、医学和科研等领域。固体激光材料是发展固体激光器的核心和关键。本章首先讨论固料是发展固体激光器的核心和关键。本章首先讨论固体激光材料的物理基础，然后重点介绍典型的激光警体激光材料的物理基础，然后重点介绍典型的激光警惕和激光玻璃的性能特点、制备和应用。惕和激光玻璃的性能特点、制备和应用。8.1、固体激光材料物理基础、固体激光材料物理基础一、光的受激辐射一、光的受激辐射光和物质共振作用中的受激辐射是激光材料的物理基

2、础。光和物质共振作用中的受激辐射是激光材料的物理基础。1.1.黑体辐射黑体辐射 如如果果某某一一物物质质能能够够完完全全吸吸收收任任何何波波长长的的电电磁磁辐辐射射，则则称称为为绝绝对对黑黑体体，简简称称黑黑体体。黑黑体体处处于于某某一一温温度度T T的的热热平平衡衡时时，它它所所吸吸收收的的辐辐射射能能量量等等于于发发出出的的辐辐射射能能量量，即即黑黑体体与与辐辐射射场场之之间间处处于于能能量量（热热）平平衡衡状状态态。这这种种平平衡衡导导致致黑黑体体（空空腔腔）内内具具有完全确定的辐射场，这种辐射场称为黑体辐射或平衡辐射。有完全确定的辐射场，这种辐射场称为黑体辐射或平衡辐射。2.受激辐射和

3、自发辐射受激辐射和自发辐射黑体辐射是辐射场黑体辐射是辐射场和构成黑体的物质原子相互作用的结和构成黑体的物质原子相互作用的结果。为简化问题，只考虑两个能级果。为简化问题，只考虑两个能级和和，并有，并有单位体积内处于二能级的原子数分别为单位体积内处于二能级的原子数分别为和和,如图如图8.1所示。所示。爱因斯坦从辐射与原子相互作用的量子理论观点出发提爱因斯坦从辐射与原子相互作用的量子理论观点出发提出：上述相互作用包含三个过程，即原子的自发辐射跃迁、出：上述相互作用包含三个过程，即原子的自发辐射跃迁、受激吸收跃迁和受激辐射跃迁，如图受激吸收跃迁和受激辐射跃迁，如图8.2所示所示。（1）自自发发辐辐射射

4、 处处于于高高能能级级 的的一一个个原原子子自自发发想想 跃跃迁迁，并并发发射射出出一一个个能能量量为为 的的光光子子，这这个个过过程程称称为为自自发发跃跃迁迁（图图8.2(a)8.2(a)）。由由原原子子自自发发跃跃迁迁发发出出的的光光波波称称为为自自发发辐辐射射，自自发发跃跃迁迁过过程程用用自自发发跃迁几率跃迁几率 描述。描述。只决定于原子本身的性质。只决定于原子本身的性质。（2 2）受受激激吸吸收收 处处于于低低能能级级 的的一一个个原原子子，在在频频率率为为 的的辐辐射射场场作作用用（激激励励）下下，吸吸收收一一个个能能量量为为 的的光光子子并并向向 能能级级跃跃迁迁，这这个个过过程程

5、称称为为受受激激吸吸收收跃跃迁迁（图图8.2(b)8.2(b)）。用用受受激激吸吸收收系系数数WW1212描描述述,公式公式WW1212不仅与原子的性质有关不仅与原子的性质有关,还与辐射场的还与辐射场的 成正比。成正比。（3 3）受受激激辐辐射射 处处于于高高能能级级 的的原原子子在在频频率率 的的辐辐射射场场的的作作用用下下,跃跃迁迁至至低低能能级级 并并发发射射一一个个能能量量为为 的的光光子子,这这个个过过程程称称为为受受激激辐辐射射跃跃迁迁,它它是是受受激激吸吸收收跃跃迁迁的的反反过过程程（图图8.2(c)8.2(c)）。受受激激辐辐射射跃跃迁迁发出的光波称为受激辐射。受激辐射跃迁几率

6、用发出的光波称为受激辐射。受激辐射跃迁几率用WW1212表示，表示，受激辐射的相干性受激辐射的相干性如如前前所所述述，自自发发辐辐射射是是原原子子在在不不受受外外界界辐辐射射场场控控制制下下的的自自发发过过程程，因因此此，大大量量原原子子的的自自发发辐辐射射场场的的相相位位是是无无规规则则分分布布的的受受激激辐辐射射是是在在外外界界辐辐射射场场控控制制下下的的发发光光过过程程，因因此此受受激激辐辐射光子与入射光子属于同一光子态。射光子与入射光子属于同一光子态。1.光放大条件光放大条件粒子数反转粒子数反转物物质质处处于于热热平平衡衡状状态态时时，各各能能级级上上的的原原子子数数服服从从玻玻耳耳兹

7、兹曼统计分布，曼统计分布，令公式中令公式中f1=f2。因。因EE1,所以所以n2n1，便可以实现光放大。，便可以实现光放大。n2n1时，时，称为粒（原）子数反转（也可称为集居数反转），是光的放称为粒（原）子数反转（也可称为集居数反转），是光的放大条件。大条件。二、光放大二、光放大.光放大物质的增益光放大物质的增益处处于于离离子子数数反反转转状状态态的的物物质质成成为为激激活活物物质质。异异端端激激活活物物质质就就是是一一个个噶噶放放大大器器，放放大大作作用用的的大大小小通通常常用用增增益益系系数数g来来描描述述。如如图图8.5所所示示的的增增益益物物质质的的光光放放大大，设设在在光光的的传传播

8、播方方向向上上z处处的的光光强强为为I(z)，则则增增益益系系数数定定义为义为式式中中g(z)光光通通过过单单位位长长度度即即或或物物质质后后光光强强增增加的百分数。加的百分数。在在光光放放大大的的同同时时，通通常常还还存存在在着着光光的的损损耗耗，并并用用损损耗耗 系系数数来来描描述述。定义为光通过激活物质单位距离后光强衰减的百分数，表示为定义为光通过激活物质单位距离后光强衰减的百分数，表示为同时考虑增益和损耗，则有同时考虑增益和损耗，则有若若有有光光强强为为I0的的微微弱弱光光进进入入一一无无限限放放大大器器，起起初初，光光强强I(z)将将按按小小信信号号放放大大规规律律增增大大。但但随随

9、I(z)的的增增加加，g(I)将将由由于于饱饱和和效效应应而而减减小小，因因而而I(z)的的增增长将逐渐变缓。最后，当长将逐渐变缓。最后，当g(I)=时，时，I(z)达到一个稳定的极限值达到一个稳定的极限值Im。由由上上述述公公式式可可见见，Im只只与与放放大大器器本本身身的的参参数数有有关关，而而与与初初始始光光强强I0无无关关。无无论论初初始始光光强强I0多多么么微微弱弱，只只要要放放大大器器足足够够长长，就就能能形形成成确确定定大大小小的的光光强强Im，这种现象称为自激振荡。，这种现象称为自激振荡。实实际际上上并并不不需需要要真真正正把把激激活活物物质质（放放大大器器）的的长长度度无无限

10、限增增加加，而而只只要要在在具具有有一一定定长长度度的的光光的的放放大大器器两两端端放放置置光光谐谐振振腔腔，便便可可实实现现自自激激振振荡荡，如如图图8.6所示。所示。三、光的自动振荡三、光的自动振荡固固体体激激光光工工作作物物质质是是将将激激活活离离子子掺掺入入基基质质材材料料而而构构成成的的。即即或或离离子子是是发发光光中中心心，他他的的能能级级结结构构决决定定激激光光光光谱谱特特性性，而而基基质质材材料料主主要要决决定定物物质质的的物物理理、化化学学和和机械性能。机械性能。8.2基质与激活离子基质与激活离子为了获得高的输出功率，降低激光运行阈值，要求如下：为了获得高的输出功率，降低激光

11、运行阈值，要求如下：具有高的荧光量子效率具有高的荧光量子效率光光学学只只来来年年感感高高，缺缺陷陷少少，内内应应力力小小。在在材材料料中中不不产产身身入入射射光光的的波波面面畸变和偏振态的变化。畸变和偏振态的变化。在在激激光光工工作作频频率率范范围围透透明明，当当光光激激励励产产生生色色新新时时，不不会会引引起起吸吸收收的的显显著增加。著增加。掺掺入入的的激激活活离离子子具具有有有有效效的的激激励励光光谱谱和和大大的的受受激激发发射射截截面面，吸吸收收光光谱谱与泵浦光的辐射谱有尽可能的重叠。与泵浦光的辐射谱有尽可能的重叠。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。能掺入较高浓度

12、的激活离子，浓度猝灭效应小，荧光寿命足够长。具有良好的物理、换学和机械性能。具有良好的物理、换学和机械性能。制备工艺简单，加工容易，成本低，并可获得足够大的尺寸。制备工艺简单，加工容易，成本低，并可获得足够大的尺寸。常常见见固固体体激激光光工工作作物物质质有有红红宝宝石石、掺掺钕钕钇钇铝铝石石榴榴石石（Nd:YAG）和和钕钕玻玻璃璃三三种。其中种。其中Nd:YAG是使用化固体激光器件中主要使用的激光工作物质。是使用化固体激光器件中主要使用的激光工作物质。一、对固体激光材料的基本要求一、对固体激光材料的基本要求基质材料应能为激活离子提供合适的配位物，并具有优良的机械基质材料应能为激活离子提供合适

13、的配位物，并具有优良的机械性能和高的光学质量。常用的基质材料有晶体和玻璃两大类。性能和高的光学质量。常用的基质材料有晶体和玻璃两大类。1.基质晶体基质晶体在在基基质质晶晶体体中中离离子子呈呈有有序序排排列列，掺掺杂杂后后，形形成成掺掺杂杂的的离离子子型型晶晶体体。有有序序的的晶晶格格场场对对各各离离子子的的影影响响相相同同，离离子子谱谱线线为为均均匀匀加加宽宽。基基质质晶晶体体热热导导率率高高、硬硬度度高高、荧荧光光谱谱线线较较窄窄，但但其其光光学学质质量量和和掺掺杂的均匀性通常比基质玻璃差。杂的均匀性通常比基质玻璃差。2.基质玻璃基质玻璃玻玻璃璃中中主主要要元元素素以以共共价价键键结结合合，

14、形形成成网网络络结结构构，其其结结构构特特点点是是近近程程有有序序而而长长程程无无序序，掺掺入入激激活活离离子子处处于于网网络络之之外外的的空空隙隙中中。与与晶晶体体基基质质相相比比，玻玻璃璃基基质质的的主主要要缺缺点点是是热热导导率率低低和和荧荧光光谱谱线线宽宽，但但玻玻璃璃基基质质易易制制造造、成成本本低低，易易掺掺杂杂、均均匀匀性性好好，是是大大功功率率和和高高能量激光器中使用的重要基质材料。能量激光器中使用的重要基质材料。二、基质材料二、基质材料激激活活离离子子是是发发光光中中心心，离离子子的的电电子子组组态态中中，未未被被填填满满层层的的电电子子处处于于不不同同轨轨道道运运动动和和自

15、自旋旋运运动动状状态态，形形成成一一系系列列能能级级。激激活活离离子子主主要要包包括括稀稀土土离离子子、过过渡族金属离子和锕系离子。渡族金属离子和锕系离子。三、激活离子三、激活离子激激活活离离子子本本身身是是基基质质晶晶体体组组成成部部分分的的激激光光工工作作物物质质，称称为为正正分分高高浓浓度度晶晶体体。它它可可实实现现高高掺掺杂杂而而无无明明显显的的浓浓度度猝猝灭灭效效应应，并并且且具具有有高高效效率率和和低低阈阈值值等等优优点点，因而微型激光器较位理想的工作物质。因而微型激光器较位理想的工作物质。四、正分高浓度激光晶体四、正分高浓度激光晶体为为提提高高固固体体激激光光器器的的效效率率，有

16、有时时采采用用多多掺掺杂杂进进行行敏敏化化。敏敏化化是是指指在在晶晶体体中中除除了了发发光光中中心心的的激激活活离离子子外外，再再掺掺入入一一种种或或多多种种敏敏化化剂剂的的施施主主离离子子。敏敏化化剂剂的的作作用用是是吸吸收收激激活活离离子子不不吸吸收收的的光光谱谱能能量量，并并将将吸吸收收的的能能量量转转移移给给激激活活俩俩。敏敏化化途途径径虽虽然然有有效效，但但双双掺掺或或多多掺掺警警惕惕生生长长困困难难，制制备备工工艺艺复复杂杂，成成本本高高。五、多掺杂敏化五、多掺杂敏化稀稀土土离离子子（RE）掺掺入入晶晶体体基基质质，一一般般摩摩尔尔分分式式在在1%左左右右。虽虽然然目目前前已已有有

17、200多多种种掺掺RE离离子子的的激激光光晶晶体体，但但只只有少数几种具有实际应用价值。有少数几种具有实际应用价值。1.掺稀土离子晶体的激光发射掺稀土离子晶体的激光发射稀稀土土离离子子掺掺入入不不同同的的氧氧化化物物和和氟氟化化物物晶晶体体中中，存存在在数数百百条条激激光光发发射射谱谱线线。RE3+离离子子的的4f4f和和4f5d能能级级跃跃迁迁，覆盖了从紫外线至红外的波长覆盖了从紫外线至红外的波长,如图如图8.7所示。所示。8.3、激光晶体激光晶体 一、掺稀土离子的激光晶体一、掺稀土离子的激光晶体（1）掺掺Nd3+钇铝石榴石钇铝石榴石掺掺Nd3+钇钇铝铝石石榴榴石石（Nd3+：Y3Al5O1

18、2）是是钇钇铝铝石石榴榴石石Y3Al5O12（YAG）基基质质晶晶体体中中的的部部分分Y3+被被激激活活离离子子Nd3+取取代代后后形形成成的的。图图8.8所所示示为为Nd3+的的能能级级结结构构，图图中中4F3/2为为亚亚稳稳能能级级。Nd:YAG晶晶体体具具有有优优良良的的物物理理、化化学学和和激激光光性性能能，量量子子效效率率高高，大大于于99.5%；荧荧光光寿寿命命长长大大230*；激激光光特特性稳定、受温度影响小。性稳定、受温度影响小。Nd:YAG晶体是目前实现化程度最高的激光晶体。晶体是目前实现化程度最高的激光晶体。（2）掺掺Nd3+铝酸钇铝酸钇掺掺Nd3+铝铝酸酸钇钇晶晶体体，简

19、简写写为为Nd:YAP，化化学学式式为为Nd3+：YAlO3，Nd:YAP的的物物理理和和机机械械性性质质与与Nd:YAP接接近近，它它们们都都是是Y2O3和和Al2O3的的二二元元化合物，只是两者的成分、比例不同。化合物，只是两者的成分、比例不同。（1(3)掺掺Nd3+的氟化钇锂的氟化钇锂 氟氟化化钇钇锂锂YLiF4,，简简记记为为YLF，是是一一种种可可实实现现多多种种激激光光波波长长的的晶晶体体。掺掺Nd3+的的氟氟化化钇钇锂锂，简简记记为为Nd:YLF，单单轴轴晶晶体体，四四方方晶晶系系，其其机机械械性性能能和和导导热热性性均均不不如如Nd:YAG，它它具具有有非非线线性性折折射射率率

20、小小、损损伤伤阈阈值值高高等等优优点点。惯惯性性约约束束聚聚变变磷磷酸酸盐盐钕钕玻玻璃璃MOPA系系统统中中，常常用用Nd:YLF作作为为调调Q工工作作主主振振荡器的工作物质，提供高稳定、高光束质量的纳秒脉冲种子光源。荡器的工作物质，提供高稳定、高光束质量的纳秒脉冲种子光源。2.掺掺Nd3+离子激光晶体离子激光晶体掺掺Er3+、Tm3+、Ho3+离离子子晶晶体体可可产产生生许许多多辐辐射射跃跃迁迁，能能获获得有实用价值的近红外激光输出。得有实用价值的近红外激光输出。3.掺掺Er3+、Tm3+、Ho3+离子激光晶体离子激光晶体(1)(1)掺掺Er3+离子的激光晶体离子的激光晶体 图图8.128.

21、12示示出出Er3+离离子子在在晶晶体体中的简化能级。中的简化能级。(2)(2)掺掺TmTm3+离离子子的的激光晶体激光晶体 图图8.138.13所所示示为为离离子子在在晶晶体体中中的的简简化化能能级级，激激光光发发射射是是通通过过两两组组能能级级的的跃跃迁迁，即即Tm3+的的3 3HH4 4和和3 3F F4 4 。（3）掺掺Ho3+离子的激光晶体离子的激光晶体图图8.14示出示出Ho3+离子在晶体中的简化能级。离子在晶体中的简化能级。Pr3+的的3 3P P0 0-3 3HH4 4能级跃迁可获得激光发射，能级跃迁可获得激光发射，其波长约为其波长约为0.5mm，由于其阈值高且低温运转，由于其

22、阈值高且低温运转，实际应用价值低，而实际应用价值低，而3 3P P0 0至至3 3F F子能级跃迁的激光输子能级跃迁的激光输出更有意义。出更有意义。3、掺掺Pr3+和和Yb 3+离子激光晶体离子激光晶体1.掺过渡金属离子（掺过渡金属离子（TM）晶体的发射晶体）晶体的发射晶体在在产产生生激激光光的的过过渡渡族族金金属属离离子子中中主主要要是是电电子子组组态态为为3d的的离离子子，如如Ti3+、Cr4+、Cr3+、V2+、Ni2+、Co2+。与与RE离离子子激激活活的的激激光光晶晶体体相相比比，掺掺TM离离子子的的激激光光晶晶体体由由于于具具有有更更宽的荧光线宽，不易发生受激辐射。宽的荧光线宽，不

23、易发生受激辐射。2.掺掺Cr3+、V2+离子的激光的晶体离子的激光的晶体离离子子的的4T2和和2E能能级级间间隔隔取取决决于于晶晶体体场场强强（Dq）。高高场场情情况况下下发发生生2E4A2跃跃迁迁，荧荧光光线线宽宽窄窄；低低场场情情况况下下产产生生4T24A2跃迁的宽带荧光。跃迁的宽带荧光。二、掺过渡金属离子的激光晶体二、掺过渡金属离子的激光晶体(1)(1)红宝石激光晶体红宝石激光晶体 红红宝宝石石的的化化学学表表达达式式为为Cr3+:Al:Al2 2OO3 3，是是在在蓝蓝宝宝石石晶晶体体（刚刚玉玉AlAl2 2OO3 3中中掺掺入入少少量量Cr3+，使使激激活活离离子子Cr3+部部分分取

24、取代代Al3+而而形形成成的的。红红宝宝石石硬硬度度高高、热热导导率率高高、化化学学组组分分和和结结构构稳稳定定，而而且且具具有有强强的的抗抗腐腐蚀蚀和和抗抗光光损损伤伤能能力力。红红宝宝石石为为典典型型的的三三能能级级系系统统，与与激激光光跃跃迁迁有有关关的的简简化化能能级级结结构构见见图图8.158.15。图图8.168.16示示出出红红宝宝石石中中的的Cr3+吸吸收收光光谱谱。由由图图可可知知，红红宝宝石石有有来来年年各各个个很很强强且且很很宽宽的的吸吸收收带带，带带宽宽约约为为100nm100nm。温温度度对对红红宝宝石石性性能能的的影影响响十十分分显显著著，主主要要表表现现为为温温度

25、度升升高高，输输出出的的中中心心波波长想长波方向移动，荧光谱线加宽和来年工资效率下降等。长想长波方向移动，荧光谱线加宽和来年工资效率下降等。红红宝宝石石的的突突出出优优点点是是：机机械械强强度度高高，能能承承受受很很高高的的功功率率密密度度，易易生生长长大大尺尺寸寸晶晶体体，亚亚稳稳态态寿寿命命长长，储储能能大大，输输出出能能来来年年感感高高；荧荧光光谱谱线线窄窄，易易获获得得大大能能量量单单模模输输出出；输输出出为为可可见见光光，使使用用于于需需要要可可见见光光的的场场合合。主主要要缺缺点点是是阈阈值值高高，性性能能随随温温度度变变化化明明显显，在在低低温温下下不不能能用用做做连连续续和和高

26、高重重复复率率器器件件。用用红红宝宝石石制制成成的的脉脉冲冲器件，输出能量达数千焦耳，峰值功率达器件，输出能量达数千焦耳，峰值功率达10107 7WW，多级放大后可达，多级放大后可达10109 910101010WW。（）（）掺掺V2+的激光晶体的激光晶体 V2+离离子子与与Cr3+离离子子具具有有相相同同的的电电子子构构型型（3d3d3 3），但但与与Cr3+离离子子相相比比，由由于于其其价价态态低低，晶晶格格场场相相对对较较弱弱，因此掺因此掺V2+晶体的激光波长位于长波段。晶体的激光波长位于长波段。掺掺V2+离离子子的的氟氟化化物物晶晶体体具具有有长长的的荧荧光光寿寿命命、宽宽的的吸吸收收

27、带带和和高高的的激激光光损损伤伤阈阈值值，使使用用于于长长脉脉冲冲闪闪光光灯灯泵泵浦浦的激光器和放大器。的激光器和放大器。3掺掺Co2+和和Ni2+离子的激光晶体离子的激光晶体从从氟氟化化物物到到氧氧化化物物基基质质，Ni2+离离子子的的吸吸收收和和荧荧光光谱谱带带向向短短波波长长移移动动。Ni2+：GGG晶晶体体的的激激光光性性介介于于Ni2+：MgF2和和Ni2+：MgO晶晶体之间。体之间。波长可调谐的激光发射波长可调谐的激光发射大大多多数数掺掺杂杂过过渡渡金金属属离离子子(TM)(TM)的的晶晶体体，由由于于掺掺杂杂离离子子与与基基质质晶晶体体间间强强烈烈的的相相互互作作用用，在在可可见

28、见和和近近红红外外区区具具有有很很强强的的吸吸收收，可可以以选选择择各各种种泵泵浦浦而而产产生生可可调谐激光。图调谐激光。图8.178.17示出掺示出掺TMTM激光晶体的可调谐波长范围。激光晶体的可调谐波长范围。掺钛蓝宝石激光晶体掺钛蓝宝石激光晶体掺掺钛钛蓝蓝宝宝石石激激光光晶晶体体（Ti3+:Al:Al2 2OO3 3 ）是是最最吸吸引引人人注注目目的的宽宽带带可可调调谐谐固固体体激激光光材材料料。采采用用不不同同的的泵泵浦浦源源，如如调调Q Q Nd:YAGNd:YAG倍倍频频激激光光、铜铜蒸蒸发发激激光光、氩氩离离子子激激光光和和准准分分子子激激光光泵泵浦浦Ti3+:Al:Al2 2OO

29、3 3 ，晶晶体体获获得得脉脉冲冲、准准连连续续和和连连续续激激光光输输出出。图图8.188.18示示出出了了TiTi3+:Al:Al2 2OO3 3吸吸收收和和荧荧光光光光谱谱。由由于于离离子子与与基基质质晶晶格格之之间间的的强强耦耦合合引引起起吸吸引引带带和和荧荧光光带带增增宽宽、间间隔隔变变大大，这这对对于于大大范范围围的的可可调调谐谐激激光光输输出出起起到了关键的作用。到了关键的作用。除除了了具具有有优优良良的的光光谱谱和和激激光光特特性性外外，还还有有蓝蓝宝宝石石基基质质自自身身的的材材料料优优势势，如如热热导导率率非非常常高高和和化化学学性性质质异异常常稳稳定定等等，且且晶晶体体的

30、的生生长长技技术术成成熟熟，是是一一种种应应用用广广泛泛的的可调谐激光晶体。可调谐激光晶体。三、可调谐激光晶体三、可调谐激光晶体1掺铬铝酸铍激光晶体（绿宝石）掺铬铝酸铍激光晶体（绿宝石）掺掺铬铬铝铝酸酸铍铍激激光光晶晶体体（Cr3+:BeAl:BeAl2 2OO4 4 ），图图8.198.19所所示示为为绿绿宝宝石石的吸收光谱，由图可见，绿宝石的吸收带和红宝石非常接近。的吸收光谱，由图可见，绿宝石的吸收带和红宝石非常接近。绿绿宝宝石石具具有有较较高高的的硬硬度度、强强度度、化化学学稳稳定定以以及及高高热热导导率率（是是红红宝宝石石的的2/32/3倍倍，YAGYAG的的2 2倍倍），因因而而在在

31、大大平平均均功功率率泵泵浦浦时时不不会会因因发发热而断裂。热而断裂。绿绿宝宝石石的的主主要要缺缺点点是是：发发射射截截面面低低，损损伤伤几几率率和和热热透透镜镜效效应应高高。（通过提高晶体质量和合理设计激光系统，可克服上述缺点。）（通过提高晶体质量和合理设计激光系统，可克服上述缺点。）掺铬氟铝酸盐激光晶体掺铬氟铝酸盐激光晶体掺掺铬铬氟氟铝铝酸酸盐盐激激光光晶晶体体主主要要有有两两种种，Cr:LiCaAlF6和和Cr:LiSrAlF6 。与与Ti3+:Al:Al2 2OO3 3晶晶体体相相比比，它它们们具具有有宽宽的的吸吸收收带带，覆覆盖盖了了XeXe灯灯发发射射带带,并且荧光寿命较高并且荧光寿

32、命较高,可作为闪光等泵浦的高功率激光放大介质。可作为闪光等泵浦的高功率激光放大介质。Cr:LiSrAlF6基基质质晶晶体体的的机机械械性性能能远远低低于于钛钛蓝蓝宝宝石石晶晶体体，且且稳稳定定性性差差，限制了其广泛应用。限制了其广泛应用。掺铬镁橄榄石和钇铝石榴石激光晶体掺铬镁橄榄石和钇铝石榴石激光晶体 调谐波长扩展至近红外区调谐波长扩展至近红外区.掺稀土离子可调谐激光晶体掺稀土离子可调谐激光晶体当当三三价价稀稀土土离离子子掺掺入入低低对对称称的的晶晶体体时时，由由于于上上下下能能级级出出现现大大量量多多重重子子能能级级，使使激激光光发发射射谱谱带带加加宽宽。掺掺稀稀土土离离子子的的可可调调谐谐

33、激激光光晶晶体体中中最最引引人人注注目目的的是是掺掺CeCe3+氟氟化化物物晶晶体体，它它能能使使可可调调谐谐激激光光向向紫紫外外区区扩扩展展，其其振振动动特特性性的的激激光光起起源源于于5d5d2 2F F7/27/2和和2 2F F5/2 5/2(4f)(4f)能级跃迁。能级跃迁。激光玻璃的激光特性取决于基质玻璃的结构和掺激光玻璃的激光特性取决于基质玻璃的结构和掺杂离子的格位状态，目前，只有稀土离子在基质玻杂离子的格位状态，目前，只有稀土离子在基质玻璃中实现了激光运转。在这一节中首先讨论掺杂稀璃中实现了激光运转。在这一节中首先讨论掺杂稀土离子玻璃的激光发射，然后介绍钕玻璃和铒玻璃土离子玻璃

34、的激光发射，然后介绍钕玻璃和铒玻璃两种主要的激光玻璃。两种主要的激光玻璃。8.4 8.4 激光玻璃激光玻璃一、掺稀土离子的激光发射一、掺稀土离子的激光发射由由于于玻玻璃璃基基质质无无序序结结构构的的随随机机效效应应，玻玻璃璃中中稀稀土土离离子子的的发发光光线线宽宽被被扩扩大大，因因而而必必须须根根据据稀稀土土离离子子的的光光谱谱特特性性，选选择择与与稀稀土土离离子子4fn电电子子组组态态有有关关的的能能级级来来满满足足光光学学泵泵浦浦产产生生激激光光的的需需要要。玻玻璃璃中中的的激激光光发发射射只只能能在在三三价价稀稀土土离离子子中中观观察到。察到。二、钕激光玻璃二、钕激光玻璃钕钕激激光光玻玻

35、璃璃是是在在某某种种成成分分的的基基 质质 玻玻 璃璃 中中 掺掺 入入 适适 量量 的的NdNd2 2O O3 3制制成成的的。目目前前，常常用用的的钕钕玻玻璃璃主主要要是是硅硅酸酸盐盐和和磷磷酸盐钕玻璃。酸盐钕玻璃。NdNd3+3+在在玻玻璃璃中中和和在在晶晶体体中中的的能能级级结结构构相相似似，只只是是能能级级的的高高度度和和宽宽度度略略有有不不同同。图图.22.22为为玻玻璃璃中中NdNd3+3+的的简简化化能能级级图图，玻玻璃璃中中的的NdNd3+3+离子属四能级系统。离子属四能级系统。图图.23.23为为硅硅酸酸盐盐钕钕玻玻璃璃的的吸吸收收光光谱谱，它它与与Nd Nd:YAGYAG

36、的的吸吸收收光光谱谱相相似似，但但吸吸收收带带较较宽宽，对对应应于于4 4F F3/23/2向向4 4I I9/29/2、4 4I I11/211/2和和4 4I I13/213/2的跃迁有三条荧光谱线。的跃迁有三条荧光谱线。表表8.218.21列列出出了了硅硅酸酸盐盐和和磷磷酸酸盐盐钕钕玻玻璃璃的的物物理理和和光光学学性性质质。与与硅硅酸酸盐盐钕钕玻玻璃璃相相比比较较，磷磷酸酸盐盐的的主主要要特特点点是是，有有较较大大的的受受激激发发射射截截面面 和和 较较 小小 的的 非非 线线 性性 折折 射射 率率，4 4F F3/23/24 4I I11/211/2中中心心波波长长为为1.054m1

37、.054m。磷磷酸酸盐盐钕钕玻玻璃璃是是目目前前核核聚聚变变固固体体激激光光器器驱驱动动器器中中的的主主要激光工作物质。要激光工作物质。钕钕玻玻璃璃荧荧光光寿寿命命长长，且且具具有有高高储储能能特特点点，适适用用于于高高能能量量脉脉冲冲工工作作。钕钕玻玻璃璃的的荧荧光光线线宽宽很很宽宽，适适于于制制作作超超短短脉脉冲冲锁锁模模器器件件。钕钕玻玻璃璃的的主主要要缺缺点点是是热热导导率率低低（约约为为Nd Nd:YAGYAG的的1/101/10），热热膨膨胀胀系系数数不不大大，不不适适用用于于连连续续或或重重复复频频率率非常高的激光运转。非常高的激光运转。三、铒激光玻璃三、铒激光玻璃铒铒激激光光玻

38、玻璃璃最最主主要要的的激激光光波波长长是是近近红红外外区区的的1.51.51.6m1.6m。ErEr激激光光玻玻璃璃常常用用ErEr3+3+Yb+Yb3+3+离离子子共共掺掺杂杂来来敏敏化化ErEr3+3+离离子子的的激激光光发发射射。图图8.248.24给给出出了了ErEr3+3+Yb+Yb3+3+离离子子共共掺掺杂杂激激光光玻玻璃璃的的吸吸收收光光谱谱。ErEr3+3+离离子子和和YbYb3+3+离离子子之之间间的的能能量量转转移方案由图移方案由图8.258.25给出。给出。由由于于硼硼酸酸盐盐玻玻璃璃基基质质和和ErEr3+3+离离子子相相互互作作用用强强，以以至至ErEr3+3+离离子子的的发发射射寿寿命命很很短短，因因此此，磷磷酸酸盐盐玻玻璃璃是是掺掺铒铒激激光光玻玻璃璃较合适的基质。较合适的基质。采采用用NdNd3+3+-Yb-Yb3+3+-Er-Er3+3+敏敏化化，获获得得了了一一种种低低重重复复速速率率、闪闪光光灯灯泵泵浦浦的的1.54m1.54m磷磷酸酸盐盐激激光光玻玻璃璃，其其2.5ms2.5ms脉脉冲冲的的输输出出能能量量达达350mJ350mJ。1.54m1.54m的的铒铒玻玻璃璃对对人人眼眼安安全全，应应用用前前景广阔，因而备受重视。景广阔，因而备受重视。