Nd-YAG陶瓷激光器原理、性能与应用

Nd-YAG陶瓷激光器原理、性能与应用
1 前言
固体激光器是最重要的一种激光器，不但激活离子密度大，振荡频带宽，能产生谱线窄的光脉冲，而且具有良好的机械性能和稳定的化学性能。

其体积小、效率高、性能稳定等特点使其成为当前光电子技术领域的一个研究热点。

对于固体激光器来说有3种重要的激光介质：单晶、玻璃和陶瓷。

单晶工作物质的激光器体积小，性能可靠、稳定，并适用于各种连续和脉冲激光器件。

但提拉法生长单晶由于其生长周期长、价格昂贵、尺寸小及掺杂浓度低，使其性能和应用范围受到限制。

多年来材料科学工作者一直试图用玻璃、微晶玻璃、多晶陶瓷作为激光工作物质来替代单晶。

激光玻璃的突出优点是制备成本低，易实现大尺寸以及高的光学均匀性，但是，玻璃的热导率[一般低于1 W/(m·K)]远低于绝大多数激光晶体的，导致激光玻璃在以高平均功率工作时，材料内部产生大的热致双折射和光学畸变；这一点在强激光领域应用时表现得尤其突出，而且其激光效率与单晶材料相比也较低。

而且玻璃的硬度不够高、荧光线宽较宽和激光振荡阈值较高，不利于作为高性能的激光材料。

激光透明陶瓷具有很多单晶和玻璃所不具备的优点：和单晶相比，透明陶瓷具有掺杂浓度高，掺杂均匀性好，烧结温度低，周期短，成本低，质量可控性强，尺寸大，形状自由度大以及可以实现多层多功能激光器等优点；和玻璃相比，透明陶瓷具有单色性好，结构组成更为理想，热导率高和可承受的辐射功率高等优点。

由于陶瓷是多晶，其内部的晶界、气孔、晶格的不完整性等都会导致材料的不透明性及增加光的散射损失，因此将其用于激光介质存在一定困难。

为了制备和单晶激光性能相当的高品质、高透明度的激光陶瓷，人们做了大量的研究工作。

在所有的材料中，立方晶系的晶体，譬如石榴石型的晶体和稀土倍半氧化物，它们在沿光轴方向上的折射率差等于零而且可以提供低对称性的格位，是制备透明陶瓷的最佳选择，其中最具代表性的是Nd:YAG 透明陶瓷。

2 激光的产生原理
2.1 理论基础
【波尔兹曼统计分布】
根据统计力学原理，大量相同粒子(原子、离子、分子)集合处于热平衡温度下，粒子数按能级的分布服从波耳兹曼分布规律，即
N 2/N
1
∝exp[-(E
2
- E
1
)/kT]
其中N2、N1 分别为能级E2和E1 上的粒子数。

在热平衡条件下绝大部分粒子处于基态，即处于低能级上的粒子数总多于高能级上的粒子数，因而受激吸收总占优势。

这叫粒子数正常分布。

【光的吸收和发射】
辐射与物质的相互作用主要包括受激吸收、自发辐射和受激辐射，如图1所示。

图1 光的吸收和发射
各原子的自发辐射是独自进行的，彼此无关，因而不能产生激光。

受激辐射是处于高能级的原子在入射频率为ν21的光子感应下受激发射，跃迁到E1能级上，可以产生相干光波，从而发射激光。

【粒子数反转】
要想使受激辐射占优势或者说占主导地位，就必须使N
2>N
1。

如果借助于外
界的激励，破坏粒子的热平衡分布，就可能使高能级E
2的粒子数N
2
大于低能级
E 1的粒子数N
1。

由于它同正常分布相反，所以叫粒子数反转分布。

粒子数反转分布的作用在于当外来光辐射时，受激辐射总是大于受激吸收，
因而产生了光的放大信号。

实验证明，许多物质给予一定激励后，能实现这种反转分布，它为激光的产生提供了基础。

图2 粒子数的分布
（a）正常分布（b）反转分布
2.2 Nd:YAG 陶瓷激光器激光产生的过程
Nd3+外层电子组态为4f35s25p6，其中4f 未被填满。

4f上的3个电子可以处于不同的运动状态，结果形成一系列能级。

2K3/2+4G1/2+4G9/2，4G5/2+2G7/2，
4F
1/2+4S
3/2，
4F
5/2+
2H
9/2
和4F3/2为吸收能级，其中4F5/2+2H9/2能级的吸收范围在
800 nm 附近，和激光二极管泵浦源的输出相匹配，因此对实现高功率和高效率的小型化激光器件十分有利。

图3 Nd-YAG晶体的Nd3+ 能级图
图4 Nd:YAG陶瓷激光器结构图
当激光工作物质的粒子Nd3+吸收了外来能量后，就要从基态跃迁到不稳定的高能态(受激吸收)，很快无辐射跃迁到一个亚稳态能级。

粒子在亚稳态的寿命较长，所以粒子数目不断积累增加(泵浦过程)。

当亚稳态粒子数大于基态粒子数，即实现粒子数反转分布，粒子就要跌落到基态并放出同一性质的光子，光子又激发其他粒子也跌落到基态，释放出新的光子，这样便起到了放大作用。

如果光的放大在一个光谐振腔里反复作用，便构成光振荡，并发出强大的激光。

3 Nd:YAG 陶瓷激光器的性能
Nd：YAG 陶瓷是用烧结方法制备的，不仅生长周期短，而且容易获得更大的尺寸。

图5所示为原子百分数为1.1％的Nd-YAG陶瓷经过热腐蚀后的反射显微镜图像，样品的晶粒尺寸为几十微米，具有完美的无孔结构。

图6显示了样品的透光率和烧结时间的关系，样品的厚度为3mm，在1750℃烧结，由图像可知，在
烧结2小时后，样品的透光率达到饱和。

图5 热腐蚀后Nd:YAG透明陶瓷的形貌图6 Nd:YAG陶瓷透光率和烧结时间的关系
图7展示了1.1at.％Nd:YAG陶瓷和0.9at.％Nd:YAG单晶的透光率和样品厚度的关系，由图可知Nd:YAG陶瓷的光衰减系数小于0.9%/cm,和Nd:YAG单晶几乎相同。

说明Nd:YAG陶瓷具有很好的透光能力。

图7 透光率和样品厚度的关系图
图8是1.0at.％Nd:YAG单晶和4.8at.％Nd:YAG陶瓷的吸收光谱的比较，光波波长范围是780nm-840nm。

由图像可知，4.8at.％Nd:YAG陶瓷的吸收系数是1.0at.％Nd:YAG单晶的4.8倍。

图 8 1.0at.％Nd:YAG单晶和4.8at.％Nd:YAG陶瓷的吸收光谱
图9显示的是1.1at.％Nd:YAG陶瓷和0.9at.％Nd:YAG单晶的激光震荡性能，由图像得到，1.1at.％Nd:YAG陶瓷的阈值和斜率效率分别为309 mW和28%，和0.9at.％Nd:YAG单晶相当。

图10显示了1.0at.％Nd:YAG单晶和4.8at.％Nd:YAG陶瓷的激光震荡性能的比较，陶瓷激光器的输出功率是单晶激光器的4倍。

图9 1.1at.％Nd:YAG陶瓷和0.9at.％Nd:YAG单晶的激光震荡性能
图 10 1.0at.％Nd:YAG单晶和4.8at.％Nd:YAG陶瓷的激光震荡性能
由以上结论可知，Nd:YAG 陶瓷激光器具有良好的材料和光学特性，并且具有可掺杂浓度高、制备周期短、生产成本低、能够大规模生产等优点，相比于单晶激光器有许多优异的性能，具有更高的光-光转换效率。

4 Nd:YAG 陶瓷激光器优点
4.1激光的特点
（1）相干性好。

所有发射的光具有相同的相位。

（2）单色性纯。

因为光学共振腔被调谐到某一特定频率后，其他频率的光受到了相消干涉。

（3）方向性好。

光腔中不调制的偏离轴向的辐射经过几次反射后被逸散掉。

（4）亮度高。

激光脉冲有巨大的亮度，激光焦点处的辐射亮度比普通光高108～1010倍。

4.2 Nd:YAG 陶瓷激光器特点
激光透明陶瓷具有良好的材料和光学特性，并且具有掺杂浓度高，掺杂均匀性好，烧结温度低，制备周期短，生产成本低，质量可控性强，尺寸大，形状自由度大以及可以实现多层多功能激光器等优点，成为继单晶和玻璃之后的又一具有较好前景的激光材料。

近年来，国内外对陶瓷激光器的研究比较关注并且取得了较大的进展，随着制备工艺的进一步发展，陶瓷激光器将可能有更好的发展前景。

5激光的应用与发展趋势
4.1激光的应用现状
4.1.1激光在自然科学研究上应用
在熟悉的反射、折射、吸收等光现象中，反射光、折射光的强度与入射光的强度成正比，这类现象称为线性光学现象。

如果强度除了与入射光强度成正比外，还与入射光强调成二次方、三次方乃至更高的方次，这就属非线性光学效应。

这
些效应只有在入射光足够大时才表现出来。

高功率激光器问世后，人们在激光与物质相互作用过程中观察到非线性光学现象，如频率变换，拉曼频移，自聚焦，布里渊散射等。

4.1.2激光测距、激光雷达
利用激光的高亮度和极好的方向性，做成激光测距仪，激光雷达和激光准直仪。

激光测距的原理与声波测距原理类似。

激光雷达与激光测距的工作原理相似，只是激光雷达对准的是运动目标或相对运动目标。

利用激光雷达又发展了远距离导弹跟踪和激光制导技术，这些在1991年海湾战争中都已投入使用。

激光制导导弹，头部有四个排成十字形的激光接收器（四象限探测仪）。

四个接收器收到的激光一样多，就按原来方向飞行；有一个接收器接受的激光少了，它就自动调整方向。

另一类激光制导是用激光束照射打击目标，经目标反射的激光被导弹上的接收器收到，引导导弹击中目标。

激光准直仪起到导向作用，例如在矿井坑道的开挖过程中为挖掘机导向。

激光
准直仪还被用在安装发动机主轴系统等对方向性要求很高的工作中。

4.1.3激光在工业上的应用
在现代重工业中，如材料切割、焊接、快速成型等过程中，激光技术体现出了优越性。

激光可以通过软件来控制轨迹。

激光加工属于非接触加工，因此稳定性和寿命都比较好。

在当今半导体行业，光科技术已成为半导体工业的“领头羊”。

激光器在线加工已成为不可或缺的一部分。

4.1.4激光在医学领域的应用
激光在医疗领域有着非常广泛的应用。

激光与生物体的作用产生多种效应，如热效应、压力效应、光化效应、电磁效应。

有时，这几种效应在作用是同时存在。

激光类医疗器材产品被定义为：为了手术、治疗或医疗诊断目的而进行人体照射的那些种类的医疗器材产品。

激光医疗设备可分为激光治疗器、激光诊断仪器和激光检测设备。

4.1.5激光通信
激光通信主要是利用激光的单色性和方向性好的特点。

根据传输媒质的不同，激光通信可分为宇宙通信、大气通信、水下通信以及光纤通信。

民用光纤通信的容量很大，且成本低。

目前光纤通信蓬勃发展，已成为重要的民用领域之一。

4.1.6激光与能源
激光具有高亮度的特点，在能源利用上也有其自身独特的优势。

目前，激光与核能的应用紧密相关：一是激光分离同位素，用于核燃料的提纯工作；二是激光核聚变。

用于激光传输不需要介质，因而可作为远距离作用能源。

4.2激光的发展趋势
4.2.1功率越来越高
超短超强飞秒激光器可用于激光核聚变实验和高能量密度物理研究，在商用上也有巨大的潜力。

飞秒激光器用于光纤通信可扩展通信宽带，到2010年通信系统的传输速率达到5～10Tbps。

4.2.2小型化、集成化激光器
目前，全球固体激光器市场一派兴旺，半导体激光器迅速增长，二极管泵浦
的固体激光器成为新的增长点。

据研究表明，激光二极管采用脉冲方式供电可以在相当程度上提高其峰值功率，这将有效推进激光二极管在材料处理中的使用。

4.2.3阵列激光器
光通信的迅猛发展极大推动了阵列激光器的出现和进一步发展。

据研究表明，阵列激光器非常适合全光互连，采用光子晶体耦合激光器显著提高了出光效率。

4.2.4新波段激光器
近年来，中远红外激光器、极紫外激光器等也得到了发展，现已有近千种工作介质，可产生的激光波长包括从真空紫外到远红外，光谱范围越来越宽。

4.2.5高效率
激光器的出光效率越来越高。

新型YAG激光器的斜度效率在泵浦功率>20W 时约为81%。