固体激光器材料

一．固体激光器简介

激光是二十世纪最伟大的发明之一。自1958年肖洛（A. Schawlow）和汤斯（C. Townes）首篇光频下激光作用的论文以及1960年梅曼（T. Maiman）实现红宝石激光器以来，激光科学与激光技术的发展日新月异。激光高技术对传统学科和技术的发展产生巨大影响，以激光高技术为核心的相关产业已成为知识经济时代和信息时代的重要驱动力量，并带动了10倍以上高技术产业发展。激光高技术将在国民经济建设、军事和科学研究中发挥不可取代的关键作用，是一项具有战略性,全局性和带动性的战略高技术。

激光器按其工作物质来说，可分为固体、气体、液体、化学和自由电子激光器几大类。其中，固体激光器由于具有体积小，储能高、激发方案简单和可靠性高等优点，一直处在激光研究的中心地位。大多数激光应用领域不仅仅需要激光的输出功率高，而且要求激光光束质量好，表1-1给出了主要大功率激光器特性比较一览表。从表1-1我们可以看出，基于半导体激光器和固体激光技术发展起来的半导体激光泵浦固体激光器（DPL）是固体激光器发展历程上的巨大革新，它摒弃了半导体激光器光束质量差的缺点，继承了固体激光器光束质量好的优点；继承了半导体激光器效率高、寿命长的优点并摒弃了闪光灯泵浦的固体激光器效率低、寿命短的缺点，集半导体激光器、固体激光器的优势于一身，与传统闪光灯泵浦固体激光器和气体放电激光器相比可实现更高光束质量激光输出，且体积小10倍，效率和寿命均提高10倍，可靠性提高100倍；与化学激光器相比，具有效率高（电光效率约为17%）、波长短、能流密度高、体积小而紧凑（全固化）、寿命长（万小时）、易操作、运转灵便（连续/重复率/长/短脉冲）、易智能化、无污染等，再加上DPL输出功率动态范围极大（从mW到TW），又便于模块化和电激励，其应用遍及工业生产、国防建设、科学研究等众多领域。DPL实用化十年来的发展表明，DPL已成为固体激光发展的主要方向，并呈现出旺盛的生命力，其应用领域渗透到工业生产、国防建设、居家娱乐、科学研究等众多领域，将导致现有的器件更新换代，开拓重大新领域，成为国防和民用工业的新一代激光源。未来10～20年将发展成为高技术产业、国防建设重大的、不可取代的关键技术。

在某种意义上说，DPL不仅仅是泵浦源由闪光灯向半导体激光器转换的

一个简单置换，由此产生的低热负载将显著提高激光输出功率、光束质量和电光效率；更重要的是，由于半导体激光高的光谱亮度和可调谐特性，在相同的热负载情况下，可将泵浦功率密度成量级的提高，使得在室温条件下闪光灯泵浦不易实现大功率激光运转的激光介质重新焕发了生机，如：Yb:YAG激光1030nm谱线振荡、Tm:YAG激光2010nm激光振荡等，在这个意义上说，DPL 拓展了产生大功率固体激光的范围，因此可以说DPL是固体激光器发展史上的一次巨大的革命。

1-1 主要大功率激光器特性比较一览表

二．端面泵浦技术

（一）固体激光器泵浦与激光晶体

1．激光晶体

固体激光器离不开固体激光材料。DPSSL的效率及各方面性能主要取决于激光工作物质的物理和化学性质。寻找适合高功率LD泵浦的新型固体激光材料也是全固态激光器研究和开发不可缺少的一部分，并且已经成为材料领域研究和探索的热点。性能优良的固体激光材料应该具有如下几个特点：1．优良的光学均匀性，即要求激光材料内尽量避免有杂质颗粒、包裹物、气泡、生长条纹和应力等缺陷，并使折射率不均匀性尽量小。材料内光学不均匀性会使通过其中的激光波面发生变形，产生光程差，增大损耗，从而使激光器振荡阈值升高，激光转换效率下降。2．良好的光谱性能，即要求材料在泵浦辐射区有较强德吸收，而在激光辐射区尽量弱；要有较强德荧光辐射、高的量子效率、合适的荧光寿命和受激发射界面等。3．优良的物理化学性能，即要求材料热膨胀系数小、比热高、热导率高，光损伤阈值高，机械性能好，化学稳定性好，易于加工。

目前，在高功率的DPSSL中应用比较广泛的激光材料有：Nd：YAG、Nd：YLF、Nd：YV04、Yb：YAG晶体和Nd：YAG多晶陶瓷等。

实验中主要用到了这两种晶体：

1) Nd：Y3A1501 2(Nd：YAG)晶体是目前研究和应用最广泛、输出功率最高的激光材料。它属于立方晶系，光学性质为各向同性’，机械性能好，热导率高，比热较高，有最高的热破坏强度(ThermalFracture Strength)．可以用提拉法生长出大尺寸、高质量的单晶．它的荧光寿命比较长，常用于产生高能量和高峰值功率的巨脉冲激光输出。然而，Nd：YAG晶体的泵浦吸收峰宽较窄，一般情况下泵浦效率较低，在高泵浦功率下往往产生严重的热应力双折射和热透镜畸变导致输出光束质量和转换效率下降而且其受激发射截面不大。

2) Nd：YV04晶体由于自身独特的光谱特性而使其非常适合于激光二极管泵浦。

两个最突出的特点是：受激发射截面大，比Nd ：YAG 大五倍；对809nm 波长存在很强的宽吸收带，与泵浦LD 匹配很理想。Nd ：YVO 。晶体是双折射晶体，在不同偏振方向上的吸收和发射光谱存在着明显的差异，最强吸收和最强辐射都发生在兀偏振方向(／／c 轴)。因此，Nd ：YVO 。的激光输出为兀偏振光，强烈的双折射使附加的热致双折射退偏作用影响较小，并有利于减小热致损耗，以及腔内倍频效率的提高。它的受激发射截面与荧光寿命乘积是Nd ：YAG 的2．4倍，有利于产生低阈值和高效率的激光输出。目前，LD 泵浦Nd ：YV04晶体、LBO 腔内倍频输出功率为10W 的绿光激光器早己商品化。Nd ：YV04晶体的主要缺点是热导率较低，器件中的热聚焦作用比较强烈，热破坏强度也低于Nd ：YAG ，限制了其在高功率固体激光器领域中的应用。此外．它的荧光寿命比Nd ：YAG 短，不利于储存能量以产生高能量和高峰值功率的巨脉冲激光。

（二）激光振荡器

{东西太多，待整理补充}

（三）固体激光器热问题

激光晶体吸收泵浦辐射发射，一般要使用冷却系统对其进行降温，以适应激光运行的要求。这样，由于中心和表面温度不一致，在晶体内部产生了温度的梯度分布，这被称作热梯度。热梯度不仅表征了晶体中温度的分布，而且不同的温度分布将进一步在激光晶体中产生应力。晶体中的温度和应力变化引起折射率的变化。这样，通过激光晶体的光束的相位也会随之产生变化，由此而产生的这一系列现象统称为热光效应。热光效应在获得大功率输出的一个非常关键的问题。

1．温度分布

为简单起见，我们考虑圆棒结构增益介质，泵浦均匀，侧面冷却的情况。此时可假设，激光棒中产生的废热均匀分布，在光学无限长的圆柱棒表面的冷却也均匀，则热流限于径向忽略端面效应及角向起伏。这时稳态热传导方程可简化为一维形式：

0122=++K

Q dr dT r dr T d (3-8) 其中，T ，r 分别代表温度及离轴距离，Q ，K 分别是单位体积内生热率和材料的热导率。求解式（3－8），温度分布可表示为：

)(4)(2200r r K

Q T r T -+= (3-9) 其中r 0为激光棒半径，T 0为激光棒表面的温度。

由式 (3－9)可知，温度分布呈抛物线型。棒中心的温度最高，棒表面温度最低。单位体积的生热率Q 可表示为： L

r P Q d 20π= (3-10) 式中，L 为棒长度，P d 为棒吸收的总热量。激光棒中心与表面的温度差, KL P T T d π4)0(0=

- (3-11)