稀土激光原理与稀土固体激光材料
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第九页，共33页。
激光切割：汽车行业、计算机、电气机壳、木刀模 业、各种金属零件和特殊材料的切割、圆形锯片、 压克力、弹簧垫片(diàn piàn)、2mm以下的电子机件 用铜板、一些金属网板、钢管、镀锡铁板、镀亚铅 钢板、磷青铜、电木板、薄铝合金、石英玻璃、硅 橡胶、1mm以下氧化铝陶瓷片、航天工业使用的钛 合金等等。使用激光器有YAG激光器和CO2激光器 。
光谱为特征性激光跃迁(yuèqiān)。 用掺钕的硅酸盐玻璃制成的固体激光器已在激
光打孔、焊接、测距、育种、医疗和仪器制造等 方面得到了广泛应用。
第三十页，共33页。
3. 稀土光纤激光(jīguāng)材料
随着集成光学和光纤通讯的发展，需要有微 型的激光器和放大器，从而(cóng ér)在近年 来发展了稀土光纤激光材料。
2O3μm的连续激光输出。
第三十一页，共33页。
Nd3+在石英玻璃中的溶解度很低，只有万 分之几，为改善其折射率和热学性质，常在 其中(qízhōng)加入少量的Al2O3、GeO2和 P2O5。
Nd3+在1.33 μm和Er3+的1.55 μm激发波长 与光纤通讯最佳的窗口相匹配。
第三十二页，共33页。
而在四能级系统中，只要求能级2的能量大于 1000T，因此，在能级2上由于温度而产生热反转 (fǎn zhuǎn)的粒子数很少。如果从能级3跃迁至2 上的粒子又可以很快的驰豫至基态1而不积累在2
第二十页，共33页。
几乎所有的镧系元素和锕系元素激光材料都已实现了光泵浦。 在不同介质(jièzhì)中镧系元素激发光发射波长分布范围不同 。 在14种稀土离子中，激光发射波长最短的是Gd3+，最长的是 Dy3+。在可见光区有Pr3+，Tb3+，Ho3+，Eu3+，
第四页，共33页。
激光(jīguāng)是一种新型光源，它具有很好的 单色性、方向性和相干性，并且可以达到很高 的亮度。上述特征促使激光(jīguāng)在工业、 农业、医学及国防等领域得到了广泛的应用。
第五页，共33页。
激光(jīguāng)历史
世界上第一台激光器诞生于1960年，同年就发现CaF2 ：Sm3+。我国于1961年研制出第一台激光器，40多 年来，激光技术与应用(yìngyòng)发展迅猛，已与多 个学科相结合形成多个应用(yìngyòng)技术领域，比 如光电技术，激光医疗与光子生物学，激光加工技术，激 光检测与计量技术，激光全息技术，激光光谱分析技术， 非线性光学，超快激光学，激光化学，量子光学，激光雷 达，激光制导，激光分离同位素，激光可控核聚变，激光 武器等等。这些交叉技术与新的学科的出现，大大地推动 了传统产业和新兴产业的发展。
因此不少的稀土离子（Nd、Sm、Gd、Tb、 Ho、Er、Tm和Yb）可以在玻璃中发生激光。基 质可以是硅酸盐、磷酸盐、氟磷酸盐、富铍酸盐 、富锆酸盐、锗酸盐、碲酸盐和硼酸盐的无机玻 璃。
第二十八页，共33页。
第二十九页，共33页。
重点是掺钕的硅酸盐、硼酸盐和磷酸盐玻璃。 各种掺钕的玻璃的7F3/2-4I11/2跃迁(yuèqiān)的
3.6 稀土激光(jīguāng)材料
一、概述 二、稀土激光(jīguāng)原理 三、稀土固体激光(jīguāng)材 料
第一页，共33页。
Laser
激光(jīguāng)（light amplification by stimulated emission of radiation）简写 ”laser”.
提高光泵利用率方面：通常采用敏化方式。对Nd3+的敏 化通常用Cr3+离子, Cr3+的光谱和Nd3+的光谱匹配， Cr3+的吸收也很强。
第二十七页，共33页。
2.稀土玻璃激光材料
由于基质玻璃配位场的作用，使绝大多数3d 过渡族金属(jīnshǔ)离子在玻璃中实现激光的可能 性很少，而稀土离子由于5s和6p外层电子对4f电 子的屏蔽作用，使它们在玻璃中仍保持与自由电 子相似的光谱特性，容易活的较窄的荧光。
第十三页，共33页。
激光涂敷：在航空航天、模具及机电行业应 用广泛。目前(mùqián)使用的激光器多以大功 率金运YAG激光器、金运CO2激光器为主。
第十四页，共33页。
激光的应用领域很广，尤其是制导、测距、 焊接(hànjiē)、钻孔、切割、育种、外科手 术、计量和分析等方面，成为一门蓬勃发展 的新技术。
第十页，共33页。
激光打标：在各种材料和几乎(jīhū)所有行业均得到广泛 应用，目前使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器和 半导体泵浦激光器。
第十一页，共33页。
激光打孔：激光打孔主要应用在航空航 天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。激光 打孔的迅速发展，主要体现在打孔用YAG激光 器的平均输出功率已由5年前的400w提高到了 800w至1000w。国内目前比较(bǐjiào)成熟的激 光打孔的应用是在人造金刚石和天然金刚石拉 丝模的生产及钟表和仪表的宝石轴承、飞机叶 片目、前(多m层ùq印iá刷n)线使用路的板激等光器行多业以的生产中。
第二十五页，共33页。
YAG:Nd3+激光晶体虽然各方面性能比较优 良，但有些方面仍满足不了高功率、高效率 的要求。
原因是Nd3+离子在YAG中的分凝系数小，掺 入量最多约1％左右，这样限制了激光效率的 提高。另外，稀土离子的吸收较弱，不能充 分利用光泵的能量。
改进方案：
一是改进基质增强Nd3+离子的掺入量
部分粒子激发到能量较高的状态上，当这种状态的粒子数大于
能量较低状态的粒子数时，由于受激辐射作用，也就是当这种
波长的光辐射通过工作物质时，就会射出强度放大(fàngdà)
而又与入射光波位相一致、频率一致、方向一致的光辐射，称
为“光放大(fàngdà)”。
第三页，共33页。
若把激光工作物质置于谐振腔内，则光辐射 在间歇(jiàn xiē)腔内沿轴线方向往复反 射传播，多次通过工作介质，使光辐射被放 大很多倍，从而形成一束强大很大，方向集 中的光束—激光。
对于激光氢弹引爆、激光受控热核反应、激 光通讯、激光计算等都已成为当代国际上引 人注目的高新技术领域。
第十五页，共33页。
二、稀土激光机理 Mechanism of rare earth laser
在已发现的激光工作物质中，稀土都 已成为一族极其重要的元素。这都与它 具有特殊的电子组态、众多可利用的能 级(néngjí)和光谱特性有关。
定义：激光(jīguāng)是指能把各种泵浦（电、 光、射线）能量转换成激光(jīguāng)的材料 。激光(jīguāng)是由激光(jīguāng)工作物质 受激发后产生的。
第二页，共33页。
一、概述(ɡài shù)
激光产生(chǎnshēng)的过程：
用电学、光学及其他方法对工作物质进行激励，使其中一
YAG激光器、金运CO2激光器为主 ，也有一些准分子激光器、同位素激 光器和半导体泵浦激光器。
第十二页，共33页。
激光热处理：在汽车工业中应用广泛，如缸套 、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处 理，同时在航空航天、机床行业和其它机械行 业也应用广泛。我国的激光热处理应用远比国外 广泛得多。目前使用的激光器多以YAG激光器， CO2激光器为主。 激光快速成型：将激光加工技术(jìshù)和计算 机数控技术(jìshù)及柔性制造技术(jìshù)相结合而 形成。多用于模具和模型行业。目前使用的激光 器多以YAG激光器、CO2激光器为主。
传统上看，它的研究范围一般可分为：
加工系统
包括激光器、导光系统、加工机床、控制
Байду номын сангаас
系统(kònɡ zhìxìtǒnɡ)及检测系统。
加工工艺
包括切割、焊接、表面处理、打孔、打标
、划线、微调等各种加工工艺。
第八页，共33页。
激光焊接(hànjiē)：汽车车身厚薄板、汽车零件、锂电池、 心脏起搏器、密封继电器等密封器件以及各种不允许焊接 (hànjiē)污染和变形的器件。目前使用的激光器有金运YAG 激光器，金运CO2激光器和半导体泵浦激光器。
第二十二页，共33页。
在激光晶体中，激活离子处于有序结构的晶 体中。由于激活离子所处的环境和基质材料的物 理化学性质的不同，使得激活离子的光谱特性和 激光性能也不同。 绝大部分的激光晶体是含有激活离子的荧光 晶体，包括掺杂性激光晶体和自激活激光晶体。 在众多(zhòngduō)的激光材料中，现在公 认较好和广泛应用的激光晶体只有几种，而且它 们都是掺Nd的稀土化合物。
第十八页，共33页。
内衬 Ag/Al
激发光源
第十九页，共33页。
产生激光的必要条件:
在能级3上实现(shíxiàn)粒子数
即累积在能级3上的反转(fǎn zhuǎn)粒子数必须 多于在能级1或能级2上的粒子数。
在三能级系统中，在能级1上必须有50％以上 被激发至能级3上才能实现的粒子数的反转(fǎn zhuǎn)，故产生激光的阈值比较高。
第二十一页，共33页。
三、稀土固体激光材料 激光材料应是最早而最为普遍的是固态激光 材料，1960年---红宝石激光器，至今在各种 各样的激光器中固体激光器仍占据主导地位。 固体激光器中核心是固体激光材料，它们多 是采用光泵方式的稀土离子为激活中心的电介质 材料。这类材料又可分为晶体激光材料、玻璃激 光材料、化学(huàxué)计量激光材料和光纤 激光材料等。
第六页，共33页。
由于稀土元素所具有的特殊的电子组态，众 多可利用的能及和光谱特性，稀土已成为激 光工作物质(wùzhì)中最重要的元素。
迄今为止，已获得激光输出的稀土离子有 14种，涉及170多种化合物。
在现有的激光材料中，90%以上都是掺入 稀土离子作为激活剂。
第七页，共33页。
激光(jīguāng)应用
利用一些稀土离子的三能级 (néngjí)和四能级(néngjí)系统产生 激光的原理图。
第十六页，共33页。
第十七页，共33页。
产生激 光的必 要条件 (bì yào tiáo jiàn)是 在能级3
在稀土激光材料的两端装有两面对激光波长 （laser wavelength）具有不同反射(fǎnshè)率 （reflectivity）的反射(fǎnshè)镜，放在内衬 银或铝等反射(fǎnshè)材料的聚光器内，用脉 冲Xe灯、Kr灯、发光二极管或激光灯作为激 发光源（或称光泵optical pump）.
第三十三页，共33页。
，另一个是加入(jiārù)可以对Nd3+离子敏化
第二十六页，共33页。
基质(jī zhì)改进方面：首先用钆镓石榴石（GGG）（ gadolinium gallium garnet）， Nd3+的掺入量可提高一 倍，后来用钆嫁钪石榴石（GSGG） （gadolinium gallium Scandium garnet），的掺入量提高到4倍，激光 效率达到4％以上。最近又出现了一种铝酸镁镧基质(jī zhì)（LaMgAl11O19）,它的Nd3+掺入量可提高到6倍。
第二十三页，共33页。
第二十四页，共33页。
掺钕的钇铝石榴石激光材料
Yttrium aluminum garnet laser materials doped with Neodymium
Y3Al5O12:Nd3+,即YAG:Nd3+，是目前 (mùqián)国内外应用最为广泛的稀土固体材料之 一。在现有激光晶体中，YAG:Nd3+的激光、热 学和力学等综合性能最佳，成为目前(mùqián)最 好最实用的搞功率材料，占使用器件的90％以上 ，已广泛应用到科研、工业、国防和医疗各个方 面。
激光切割：汽车行业、计算机、电气机壳、木刀模 业、各种金属零件和特殊材料的切割、圆形锯片、 压克力、弹簧垫片(diàn piàn)、2mm以下的电子机件 用铜板、一些金属网板、钢管、镀锡铁板、镀亚铅 钢板、磷青铜、电木板、薄铝合金、石英玻璃、硅 橡胶、1mm以下氧化铝陶瓷片、航天工业使用的钛 合金等等。使用激光器有YAG激光器和CO2激光器 。
光谱为特征性激光跃迁(yuèqiān)。 用掺钕的硅酸盐玻璃制成的固体激光器已在激
光打孔、焊接、测距、育种、医疗和仪器制造等 方面得到了广泛应用。
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3. 稀土光纤激光(jīguāng)材料
随着集成光学和光纤通讯的发展，需要有微 型的激光器和放大器，从而(cóng ér)在近年 来发展了稀土光纤激光材料。
2O3μm的连续激光输出。
第三十一页，共33页。
Nd3+在石英玻璃中的溶解度很低，只有万 分之几，为改善其折射率和热学性质，常在 其中(qízhōng)加入少量的Al2O3、GeO2和 P2O5。
Nd3+在1.33 μm和Er3+的1.55 μm激发波长 与光纤通讯最佳的窗口相匹配。
第三十二页，共33页。
而在四能级系统中，只要求能级2的能量大于 1000T，因此，在能级2上由于温度而产生热反转 (fǎn zhuǎn)的粒子数很少。如果从能级3跃迁至2 上的粒子又可以很快的驰豫至基态1而不积累在2
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几乎所有的镧系元素和锕系元素激光材料都已实现了光泵浦。 在不同介质(jièzhì)中镧系元素激发光发射波长分布范围不同 。 在14种稀土离子中，激光发射波长最短的是Gd3+，最长的是 Dy3+。在可见光区有Pr3+，Tb3+，Ho3+，Eu3+，
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激光(jīguāng)是一种新型光源，它具有很好的 单色性、方向性和相干性，并且可以达到很高 的亮度。上述特征促使激光(jīguāng)在工业、 农业、医学及国防等领域得到了广泛的应用。
第五页，共33页。
激光(jīguāng)历史
世界上第一台激光器诞生于1960年，同年就发现CaF2 ：Sm3+。我国于1961年研制出第一台激光器，40多 年来，激光技术与应用(yìngyòng)发展迅猛，已与多 个学科相结合形成多个应用(yìngyòng)技术领域，比 如光电技术，激光医疗与光子生物学，激光加工技术，激 光检测与计量技术，激光全息技术，激光光谱分析技术， 非线性光学，超快激光学，激光化学，量子光学，激光雷 达，激光制导，激光分离同位素，激光可控核聚变，激光 武器等等。这些交叉技术与新的学科的出现，大大地推动 了传统产业和新兴产业的发展。
因此不少的稀土离子（Nd、Sm、Gd、Tb、 Ho、Er、Tm和Yb）可以在玻璃中发生激光。基 质可以是硅酸盐、磷酸盐、氟磷酸盐、富铍酸盐 、富锆酸盐、锗酸盐、碲酸盐和硼酸盐的无机玻 璃。
第二十八页，共33页。
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重点是掺钕的硅酸盐、硼酸盐和磷酸盐玻璃。 各种掺钕的玻璃的7F3/2-4I11/2跃迁(yuèqiān)的
3.6 稀土激光(jīguāng)材料
一、概述 二、稀土激光(jīguāng)原理 三、稀土固体激光(jīguāng)材 料
第一页，共33页。
Laser
激光(jīguāng)（light amplification by stimulated emission of radiation）简写 ”laser”.
提高光泵利用率方面：通常采用敏化方式。对Nd3+的敏 化通常用Cr3+离子, Cr3+的光谱和Nd3+的光谱匹配， Cr3+的吸收也很强。
第二十七页，共33页。
2.稀土玻璃激光材料
由于基质玻璃配位场的作用，使绝大多数3d 过渡族金属(jīnshǔ)离子在玻璃中实现激光的可能 性很少，而稀土离子由于5s和6p外层电子对4f电 子的屏蔽作用，使它们在玻璃中仍保持与自由电 子相似的光谱特性，容易活的较窄的荧光。
第十三页，共33页。
激光涂敷：在航空航天、模具及机电行业应 用广泛。目前(mùqián)使用的激光器多以大功 率金运YAG激光器、金运CO2激光器为主。
第十四页，共33页。
激光的应用领域很广，尤其是制导、测距、 焊接(hànjiē)、钻孔、切割、育种、外科手 术、计量和分析等方面，成为一门蓬勃发展 的新技术。
第十页，共33页。
激光打标：在各种材料和几乎(jīhū)所有行业均得到广泛 应用，目前使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器和 半导体泵浦激光器。
第十一页，共33页。
激光打孔：激光打孔主要应用在航空航 天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。激光 打孔的迅速发展，主要体现在打孔用YAG激光 器的平均输出功率已由5年前的400w提高到了 800w至1000w。国内目前比较(bǐjiào)成熟的激 光打孔的应用是在人造金刚石和天然金刚石拉 丝模的生产及钟表和仪表的宝石轴承、飞机叶 片目、前(多m层ùq印iá刷n)线使用路的板激等光器行多业以的生产中。
第二十五页，共33页。
YAG:Nd3+激光晶体虽然各方面性能比较优 良，但有些方面仍满足不了高功率、高效率 的要求。
原因是Nd3+离子在YAG中的分凝系数小，掺 入量最多约1％左右，这样限制了激光效率的 提高。另外，稀土离子的吸收较弱，不能充 分利用光泵的能量。
改进方案：
一是改进基质增强Nd3+离子的掺入量
部分粒子激发到能量较高的状态上，当这种状态的粒子数大于
能量较低状态的粒子数时，由于受激辐射作用，也就是当这种
波长的光辐射通过工作物质时，就会射出强度放大(fàngdà)
而又与入射光波位相一致、频率一致、方向一致的光辐射，称
为“光放大(fàngdà)”。
第三页，共33页。
若把激光工作物质置于谐振腔内，则光辐射 在间歇(jiàn xiē)腔内沿轴线方向往复反 射传播，多次通过工作介质，使光辐射被放 大很多倍，从而形成一束强大很大，方向集 中的光束—激光。
对于激光氢弹引爆、激光受控热核反应、激 光通讯、激光计算等都已成为当代国际上引 人注目的高新技术领域。
第十五页，共33页。
二、稀土激光机理 Mechanism of rare earth laser
在已发现的激光工作物质中，稀土都 已成为一族极其重要的元素。这都与它 具有特殊的电子组态、众多可利用的能 级(néngjí)和光谱特性有关。
定义：激光(jīguāng)是指能把各种泵浦（电、 光、射线）能量转换成激光(jīguāng)的材料 。激光(jīguāng)是由激光(jīguāng)工作物质 受激发后产生的。
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一、概述(ɡài shù)
激光产生(chǎnshēng)的过程：
用电学、光学及其他方法对工作物质进行激励，使其中一
YAG激光器、金运CO2激光器为主 ，也有一些准分子激光器、同位素激 光器和半导体泵浦激光器。
第十二页，共33页。
激光热处理：在汽车工业中应用广泛，如缸套 、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处 理，同时在航空航天、机床行业和其它机械行 业也应用广泛。我国的激光热处理应用远比国外 广泛得多。目前使用的激光器多以YAG激光器， CO2激光器为主。 激光快速成型：将激光加工技术(jìshù)和计算 机数控技术(jìshù)及柔性制造技术(jìshù)相结合而 形成。多用于模具和模型行业。目前使用的激光 器多以YAG激光器、CO2激光器为主。
传统上看，它的研究范围一般可分为：
加工系统
包括激光器、导光系统、加工机床、控制
Байду номын сангаас
系统(kònɡ zhìxìtǒnɡ)及检测系统。
加工工艺
包括切割、焊接、表面处理、打孔、打标
、划线、微调等各种加工工艺。
第八页，共33页。
激光焊接(hànjiē)：汽车车身厚薄板、汽车零件、锂电池、 心脏起搏器、密封继电器等密封器件以及各种不允许焊接 (hànjiē)污染和变形的器件。目前使用的激光器有金运YAG 激光器，金运CO2激光器和半导体泵浦激光器。
第二十二页，共33页。
在激光晶体中，激活离子处于有序结构的晶 体中。由于激活离子所处的环境和基质材料的物 理化学性质的不同，使得激活离子的光谱特性和 激光性能也不同。 绝大部分的激光晶体是含有激活离子的荧光 晶体，包括掺杂性激光晶体和自激活激光晶体。 在众多(zhòngduō)的激光材料中，现在公 认较好和广泛应用的激光晶体只有几种，而且它 们都是掺Nd的稀土化合物。
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内衬 Ag/Al
激发光源
第十九页，共33页。
产生激光的必要条件:
在能级3上实现(shíxiàn)粒子数
即累积在能级3上的反转(fǎn zhuǎn)粒子数必须 多于在能级1或能级2上的粒子数。
在三能级系统中，在能级1上必须有50％以上 被激发至能级3上才能实现的粒子数的反转(fǎn zhuǎn)，故产生激光的阈值比较高。
第二十一页，共33页。
三、稀土固体激光材料 激光材料应是最早而最为普遍的是固态激光 材料，1960年---红宝石激光器，至今在各种 各样的激光器中固体激光器仍占据主导地位。 固体激光器中核心是固体激光材料，它们多 是采用光泵方式的稀土离子为激活中心的电介质 材料。这类材料又可分为晶体激光材料、玻璃激 光材料、化学(huàxué)计量激光材料和光纤 激光材料等。
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由于稀土元素所具有的特殊的电子组态，众 多可利用的能及和光谱特性，稀土已成为激 光工作物质(wùzhì)中最重要的元素。
迄今为止，已获得激光输出的稀土离子有 14种，涉及170多种化合物。
在现有的激光材料中，90%以上都是掺入 稀土离子作为激活剂。
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激光(jīguāng)应用
利用一些稀土离子的三能级 (néngjí)和四能级(néngjí)系统产生 激光的原理图。
第十六页，共33页。
第十七页，共33页。
产生激 光的必 要条件 (bì yào tiáo jiàn)是 在能级3
在稀土激光材料的两端装有两面对激光波长 （laser wavelength）具有不同反射(fǎnshè)率 （reflectivity）的反射(fǎnshè)镜，放在内衬 银或铝等反射(fǎnshè)材料的聚光器内，用脉 冲Xe灯、Kr灯、发光二极管或激光灯作为激 发光源（或称光泵optical pump）.
第三十三页，共33页。
，另一个是加入(jiārù)可以对Nd3+离子敏化
第二十六页，共33页。
基质(jī zhì)改进方面：首先用钆镓石榴石（GGG）（ gadolinium gallium garnet）， Nd3+的掺入量可提高一 倍，后来用钆嫁钪石榴石（GSGG） （gadolinium gallium Scandium garnet），的掺入量提高到4倍，激光 效率达到4％以上。最近又出现了一种铝酸镁镧基质(jī zhì)（LaMgAl11O19）,它的Nd3+掺入量可提高到6倍。
第二十三页，共33页。
第二十四页，共33页。
掺钕的钇铝石榴石激光材料
Yttrium aluminum garnet laser materials doped with Neodymium
Y3Al5O12:Nd3+,即YAG:Nd3+，是目前 (mùqián)国内外应用最为广泛的稀土固体材料之 一。在现有激光晶体中，YAG:Nd3+的激光、热 学和力学等综合性能最佳，成为目前(mùqián)最 好最实用的搞功率材料，占使用器件的90％以上 ，已广泛应用到科研、工业、国防和医疗各个方 面。