掺钕钇铝石榴石激光材料定稿
掺钕钇铝石榴石 Nd YAG
掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG )Nd:YAG 是最早和最著名的激光晶体。
由于它的很多基本性能优越，故Nd:YAG 仍常被用于近远红外固态激光及其倍频，三倍频应用中。
Nd:YAG 的优势基本属性：高增益激光阈值低功率高1064nm 光波吸收少热传导性和热冲击特性好光学性质好适用于多种工作方式（连续，脉冲，Q-开关，锁模）化学式Y 3Al 5O 12晶体结构Cubic 点阵参数12.01Å熔点1970°C 密度 4.5g/cm 3反射率 1.82热膨胀系数7.8x10-6/K <111>，0-250oC 导热性14W/m/K,20°C 10.5W/m/K,100°C 莫氏硬度8.5受激发射横截面 2.8x10-19cm-2损失系数0.003cm -1@1064nm 行宽0.6nm 辐射寿命550ms·直径:尺寸从直径10x160mm 到最大直径为20mmx2mm ·掺Nd 标准:0.5~1.2(±0.1)atm%·定向:<111>±30arc ·直径公差:±0.05mm·长度公差:±0.05mm·垂直度:小于5弧分·平行度:小于10弧秒·波前畸变:l/8·平面:l/10·表面光洁度:小于10/5（MIL-O-13830A,美国军标）·膜系：HR-Coating:R>99.8%@1064nm and R<5%@808nmAR-Coating(Single layer MgF2):R<0.25%per surface(@1064nm)·也可提供：HR@1064/532nm,HR@946nm,HR1319nm等不同膜系损伤阈值:>500MW/cm^2Nd:YAG晶体的光参数直径(mm)等级标准优良等级最佳等级≤0.5fringes/inch≤0.25fringes/inch≤0.1fringes/inch φ3-6.35≥25dB≥28dB≥30dB≤0.7fringes/inch≤0.4fringes/inch≤0.16fringes/inch φ7-10≥22dB≥25dB≥28dB≤1fringes/inch≤0.6fringes/inch≤0.2fringes/inch φ11-13≥20dB≥23dB≥26dB≤1.2fringes/inch≤0.8fringes/inch≤0.25fringes/inch φ14-16≥18dB≥20dB≥23dB。
掺钕钇铝石榴石激光棒激光性能测量方法-最新国标
掺钕钇铝石榴石激光棒激光性能测量方法1 范围本文件规定了掺钕钇铝石榴石（Nd:Y3Al5012，简称Nd:YAG）激光棒的激光性能的方法。
本文件适用于测量Nd:YAG晶体1064 nm的激光性能测量，钕铈双掺钇铝石榴石激光晶体、掺钕玻璃及陶瓷激光棒等类似激光棒及其相近波长的激光特性也可参照使用。
2 规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。
凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。
凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。
GB/T 1185 光学零件表面疵病GB/T 7247.1 激光产品的安全第1部分：设备分类和要求GB/T 11293 固体激光材料名词术语GB/T 13842 掺钕钇铝石榴石激光棒3 术语和定义GB/T 11293 界定的术语和定义适用于本文件。
4 要求4.1测试环境除非另有规定，测试应在以下条件下进行：a)环境温度：22℃±5℃；b)相对湿度：≤70%；c)气压：86 kPa～106 kPa；d)测量系统应处于无明显的振动、气流和烟尘的环境中，不得有影响测量结果的干扰。
4.2被测激光棒的加工技术要求除特殊要求外，激光棒加工要求应符合GB/T 13842的规定：a)两端面平行度应优于或等于10″；b)端面对棒轴垂直度应优于或等于5′；c)端面表面疵病应符合GB/T 1185的规定，具体要求为：B/0.8D0×0.05、C1×0.01、P0.1（D0为激光棒直径，单位为mm）；d)端面平面度在全口径90%直径范围内应优于或等于λ/10，（λ为632.8 nm）；e)激光晶体两端面镀增透膜，应符合GB/T 13842的规定，具体要求为：在波长为1064 nm处的剩余反射率均不大于0.2%。
本文件规定的激光性能参数主要指激光阈值和斜率效率。
4.4 4.3 参数要求安全防护测量时应按GB/T 7247.1的要求采取安全防护措施。
YAG晶体(掺钕钇铝石榴石
Text
Add Your Text
Add Your Text
Add Your Text
Diagram
1
ThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc.
Diagram
Title
Add your text
Title
Add your text
Title
Add your text
Title
Add your text
Diagram
Text Text Text
Text
Concept
2
ThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc.
3
ThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc.
Diagram
Add your text
Your Slogan here
Add your text Add your text Add your text Add your text
Text Text
Add Your Text
Diagram
Add Your Text
Add Your Text
Add Your Text
Add Your Text
Add Your Text
掺钕钇铝石榴石激光性质
18:36
Nd:YAG能级结构图
3
Nd:YAG的主要室温跃迁
相对连续工作阈值是与1.064μm波长比较得出的。
18:36
4
Nd:YAG的吸收光谱 (300K)
对激光有贡献的主要吸收带有五条，其中心波长和所对应的能级跃迁为 :
~0.53μm4I9/2→4G7/2+2G9/2 ~0.58μm4I9/2→4G5/2+2G7/2 ~0.75μm4I9/2→4F7/2+4S3/2 ~0.81μm4I9/2→4F5/2+2H9/2 ~0.87μm4I9/2→4F3/2
18:36
11
18:36
2
Nd:YAG能级结构
4F3/2为亚稳能级（激光上能级）。 4I13/2 、4I11/2和4I9/2都可作为激光下能级，4I9/2 为Nd:YAG的基态。当以4I11/2和4I13/2作激光下能级时，Nd:YAG为四能级系统， 若以4I9/2作激光下能级时：则Nd:YAG为三能级系统 。
✓ 既能做成中小功率和微片激光器，又能做成千瓦级高功率 固体激光加工机。
18:36
10
Nd:YAG制备
将一定比例的Al2O3，Y2O3和Nd2O3熔化结晶而成 。制 备Nd:YAG晶体的主要方法是提拉法，按加热方法的不同分 为电阻加热和高频感应加热两种 。
Nd3+在YAG中的分凝系数为0.2，限制了Nd:YAG的生 长 速 度 。 对 Φ40mm 以 上 的 晶 体 ， 生 长 速 度 为 0.5~0.7mm·h-1
Nd:YAG 的组成和结构
掺钕钇铝石榴石（Nd3+:Y3Al5O12）常简写为Nd:YAG，是在作 为基质的钇铝石石榴石Y3Al5O12晶体中的部分Y3+被激活离子Nd3+取 代而形成的，Nd3+的含量约为1at%(原子百分比)，呈淡紫色。
掺Nd钇铝石榴石激光材料
性能测 试手段 场发射 扫描电 镜
透射电镜 和高分辨 透射电镜
热重-差 热分析
电子探 针
分析共 沉淀法 合成前 驱体的 分解过 程。
分析前驱体 和经过不同 温度煅烧后 所获得的纳 米粉体以及 各种氧化物 原料的颗粒 形貌与分布。
观测到 样品晶 界形貌 和晶界 尺寸以 及衍射 花样并 标定。
晶体 形貌 与颗 粒尺 寸分 析
杂质来源主要包括：（一）实验原料本身所包含以及
实验操作过程所带入杂质；（二）实验过程所用烧结 助剂、添加剂以及稀土离子掺杂均被视为杂质引入。
多晶陶瓷中晶粒取向是随机分布，当光通过材料内部， 光从一个晶粒进入相邻的另一个晶粒，如果晶粒间存 在双折射或者有晶间相存在，将对光产生界面反射和 折射，降低材料的光学透过率。
钇铝石榴石（������3������������5������12） 属立方晶系，其晶格 常数为������0=1.2002nm 它的分子式结构又 可写成������3������4(������������4)3， 其结构模型见图
Nd:YAG激光器是目前最常用的一类固体激光器，掺钕 钇铝石榴石的参量特别有利于激光作用的产生，YAG 基质硬度高、光学质量好、热导率高；YAG的立方结 构也有利于产生窄的荧光谱线，从而实现高增益,低阈 值的激光运转。 由于受到杂质分凝系数及尺寸的限制, 输出功率小, 发光 效率低, 从而妨碍了单晶的应用。近年来将N d: YAG 做成透明的多晶陶瓷, 逐步克服了这方面的缺点。
2005 年,达信系统公司的研究人员研制的N d: YAG 激
光器获得了创纪录的5 kW 功率输出, 持续工作时间达 到10 s，目前,美国已经开发出激光输出功率更高的固 体激光器。 材料的制备工艺也有较大的进步。D.Hreniak 等报道 了采用低温高压( LT HP) 法制备掺Nd( 原子分数4%) 的Nd: YAG 透明所和山东大学研究的有关 材料已经获得了激光输出上海硅酸盐研究所透明Nd: YAG 陶瓷的输出功率达到了10 W, 这是我国目前见诸 报道的最高水平,
掺钕、铽和铈的钇铝石榴石激光晶体及其制备技术[发明专利]
![掺钕、铽和铈的钇铝石榴石激光晶体及其制备技术[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/c27414ce647d27284a7351e0.png)
专利名称：掺钕、铽和铈的钇铝石榴石激光晶体及其制备技术专利类型：发明专利
发明人：翟清永,孙洪健,应佐庆,梁泽荣,石金洲,吕长青,张生秀,吕玉才,邓永华,黄永忠,陈朝元,肖宗朝
申请号：CN93121298.7
申请日：19931229
公开号：CN1088635A
公开日：
19940629
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及掺钕、铽和铈的钇铝石榴石(Nd， Tb，Ce):YAG激光晶体及其制备方法，包括晶体组 分及晶体的生长，后处理和加工等技术。
还涉及用引 用于重复频率较高时的风冷中小能量脉冲激光器。
上法生长该晶体时原料的配制，加热方式及生长参数 的选择等方面。
本发明的晶体具有(Nd，Ce):YAG 的优点，而其热效应优于(Nd，Cc):YAG，尤其是在 热焦距、风冷重复频率下光束的束散度和光束的能量 分布方面，明显优于(Nd，Ce):YAG。
因此，它更适用于重复频率较高时的风冷中小能量脉冲激光器。
申请人：西南技术物理研究所
地址：610041 四川省成都市人民南路四段七号
国籍：CN
更多信息请下载全文后查看。
掺镱钇铝石榴石激光晶体生长与性能研究
掺镱钇铝石榴石激光晶体生长与性能研究张学建;李春;谷亮;刘景和;邹广田【期刊名称】《长春理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(035)001【摘要】In this paper, the crystal growth and performance of Yb:YAG were studied systematically. The new technics that is filling protective atmosphere in the lower vacuum has been presented firstly. The Yb:YAG laser with a dimension of Φ27mm×100mm was grown by Czochralskimethod tomedium frequency induction heating. The performance of Yb:YAG crystal were investigated by using severalmeasurements, such as absorption spectrum, fluorescence spectrum and so on.%对Yb:YAG晶体生长及性能进行了系统的研究.提出了低真空充保护气氛的新工艺,采用中频感应加热提拉法,生长了Φ27mm×100mmYb:YAG激光晶体.采用吸收光谱和荧光光谱等测试技术,对Yb:YAG晶体的光谱特性、光学性能及激光特性进行了研究.【总页数】4页(P134-137)【作者】张学建;李春;谷亮;刘景和;邹广田【作者单位】吉林建筑工程学院,长春130118;吉林大学,长春130012;长春理工大学,长春130022;长春理工大学,长春130022;长春理工大学,长春130022;吉林大学,长春130012【正文语种】中文【中图分类】O78【相关文献】1.掺镱钇铝石榴石激光材料制备与性能表征 [J], 张学建;胡洪亮;黄德馨;李春2.掺镱钇铝石榴石激光透明陶瓷超细粉体的研究 [J], 李云辉;张伟娜;刘景和;周永昶;姜道新3.掺镱钇钪铝石榴石透明陶瓷制备及性能研究 [J], 林海;古奇;陈国军;杜瑞;孙超4.掺镱钇铝石榴石激光材料制备与性能表征 [J], 张学建;胡洪亮;黄德馨;李春;5.碳酸盐共沉淀法制备掺镱钇铝石榴石透明陶瓷的工艺 [J], 卢利平;刘景和;臧春和;张亮;曾繁明;万玉春因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
题目：掺钕钇铝石榴石激光陶瓷材料
目录
内容摘要 (3)
Abstract (4)
一绪论 (5)
二 Nd：YAG激光陶瓷材料的介绍
（一）钇铝石榴石的结构 (5)
（二）激光的产生 (6)
（三）Nd：YAG激光器的原理 (6)
三 Nd：YAG激光器的应用
（一）长脉冲激光在医学方面的应用 (7)
（二）在焊接方面的应用 (7)
四发展前景 (8)
参考文献 (9)
内容摘要
近年来，掺钕钇铝石榴石（Nd：YAG）激光陶瓷材料被广泛的应用在激光器应用中，并且在生物、医学、工业生产等方面大量应用，与其他激光材料相比，Nd：YAG激光陶瓷材料不仅具有振荡阈值高、掺杂浓度高及激光质量高等优点，并且在生产工艺上也逐渐优化。
本文将从Nd：YAG激光器的原理、优点、应用范围及发展前景等几方面进行综合评述。
关键词：Nd：YAG 振荡阈值激光器
Abstract
In recent years, neodymium doped yttrium aluminum garnet（Nd：YAG）laser ceramic materials are widely used in laser application, and a large number of applications in biology, medicine, industrial production and other aspects, compared with other laser materials, Nd:YAG laser ceramic material not only has high threshold, high doping concentration and laser quality advantages, and gradually optimize in production process. This paper will be reviewed from the aspects of principle, application scope, advantages of Nd:YAG laser and development prospect.
Key words:Nd:YAG Laser Oscillation threshold
一、绪论
1960年，美国成功的研制出世界上第一台红宝石激光器[1]，从此激光技术被广泛应用在军事、先进制造业、生物医疗等领域，被认为是20世纪最伟大的发明。
激光器根据使用介质的不同，主要分为固体激光器、液体激光器、气体激光器和半导体激光器[2],而对于固体激光器主要有三种激光介质：单晶、玻璃和陶瓷，单晶工作介质的激光器体积小、性能可靠、稳定，并适用于各种连续和脉冲激光器件。
玻璃也是一种激光介质，它制作工艺比较简单，可以实现大尺寸及高掺杂，并且玻璃的热致双折射效率低；但玻璃的缺点主要是热导率不够高、硬度不够高、荧光线宽较宽以及激光震荡阈值较高[3]。
近年来又出现一种新型介质：激光陶瓷，随着制备工艺的进步，激光陶瓷的形状已经比较容易控制，并且可以制备较大尺寸；激光透明陶瓷制备周期短，生产成本低，能够实现大规模生产，可掺杂浓度高，且其热导率好于玻璃，但比激光晶体差。
目前最广泛并且具有代表性的就是Nd:YAG激光透明陶瓷材料。
二、Nd：YAG激光陶瓷材料的介绍
（一）钇铝石榴石结构
钇铝石榴石分子式Y3Al5O12，YAG是钇铝石榴石的英文缩写，属立方晶系，每个晶胞含8个Y3Al5O12分子，共有24个Y3+离子，40个Al3+离子和96个O2-离子，其中八面体的Y3+离子形成体心立方结构，而四面体的Al3+离子和十二面体的O2-离子处于立方体的面等分线上。
八面体与四面体都是歪斜的，石榴石结
构属于一种畸变结构，具有十二面体配位的Y3+离子和八面体配位的Al3+离子格位可以被具有相似性质的其他离子所替代，以固溶置换的方式进入YAG晶格。
图1 YAG晶体结构
（二）激光的产生
光的产生总是和原子中电子的跃迁有关。
假如院子处于高能态E2，然后跃迁到低能态E1，则它以辐射形式发出能量，能量发射有两种途径：一是原子无规则地转变到低能态，称为自发发射；二是一个具有能量等于两能级间能量差地光子与处于高能态的原子作用，使原子转变到低能态同时产生第二个光子，这一过程称为受激发射，受激发射产生的光就是激光。
（三）Nd：YAG激光器的工作原理
固体激光器产生可以用能级理论解释，通常为了便于问题的分析，通常将原
子分子系统作简化处理，只关注与激光过程有关的能级。
掺钕钇铝石榴石是以Y3Al5O12为基质，Nd3+作为激光离子。
钇铝石榴石属于立方晶系，YAG：Nd3+激光跃迁能级属于四能级系统，其激光过程是在亚稳态能级E3（激光上能级）和能级E2（激光下能级）间发生的，基态E1上的离子经泵浦被抽运到宽的泵浦带E4上，然后经快速无辐射驰豫振荡跃迁到激光上能级E3，由于激光下能级E2上仅有按玻尔兹曼分布的粒子，几乎可以认为是空的，因此四能级系统具有较高的阈值和效率。
当在光泵激发作用下，基本粒子获得能量，产生能级E1-E3（或E1-E4）的受激吸收跃迁过程，但被激发到E3或E4上的粒子是很不稳定的，它们纷纷放出各自能量，很快跃迁到寿命较长的亚稳态能级之上，在此能级E1和E2之间便产生一定频率的光放大过程，实际上构成了激光放大器。
如果提供适当的反馈，即将激光棒置于由两块平行平面反射镜构成的光学谐振腔的轴线上，这样由自发辐射产生的光子在增益介质内，沿着腔轴来回传输，当光束能量在腔内来回一次的放大量足以补偿各种损耗，即达到阈值条件。
当光泵的激发作用超过阈值时，便形成受激辐射产生激光输出[4]。
三、Nd：YAG激光器的应用
（一）长脉冲激光在医学方面的应用
近年来，激光医学在国内取得了长足的发展：利用激光来治疗眼病，从而代替了以前复杂的眼科手术；利用激光的局部加热和光敏作用，治疗浅表和内脏肿瘤；利用拉曼光谱来鉴别贫血症状，预测早期白内障；利用激光的热效应进行心肌打孔来治疗心血管疾病；利用弱激光对生物组织的刺激作用，使之应用于中医诊疗等领域[5]。
目前市场上，长脉冲激光在激光脱毛以及其他皮肤性疾病治疗方面取得了很好的进展，Nd:YAG激光器产生的1064nm长脉冲激光作用在毛囊，导致毛囊受到不可逆的破坏，结果造成毛发不在生长，长脉冲激光不仅在治疗皮肤血管类疾病和激光美容方面十分有效，还能达到安全、永久去毛的目的，并且间歇式长脉冲技术可以有效地避免在治疗中对皮肤的灼伤。
（二）在焊接方面的应用
激光焊接主要利用激光方向性好、输出功率高的特性，用聚焦装置使激光光束聚焦成尺寸很小的光斑，获得很高的能量密度来熔化、气化被焊材料，这种方法在微细和精密焊接有独特的优越性。
激光焊接在限制热影响区的尺寸、降低焊接表面粗糙度、消除其机械影响等方面具有重要意义，目前使用的激光焊接器主要有CO2激光器和掺钕钇铝石榴石激光器（Nd:YAG）两种，前者的应用范围较广，但在相同的功率下，YAG激光焊点直径远小于CO2激光焊点，单从这点看来，后者更适用于精密焊接[6]。
掺钕钇铝石榴石激光器（Nd:YAG）在工业上的应用已经得到证明，这种激光器具有安全可靠、加工安全、控制简单的特点。
发射的单脉冲功率可达107W 或更高，可以极快的加工材料，具有高峰值的脉冲激光器的加工质量高于具有相同功率等级的平均功率激光器[7]。
Nd：YAG激光器的典型脉冲频率为0.05—50.0KHz，平均功率为20—50W，激光器效率为4%—7%，在关键部件焊接领域与激光器有一定的竞争力。
电子束装置工作时需要高真空环境才能稳定工作。
相反，激光焊接在保护气体，如氩、氦、二氧化碳环境中工作，并且与电子束和电弧不同，激光焊接不受工作环境中磁场的影响，这保证了整个焊接过程中的焊接质量。
四、发展前景
到目前为止，国内外有关于激光陶瓷的研究主要集中在以YAG和Y2O3为基质的陶瓷材料上，而无论是在振荡阈值、光转换效率，Nd:YAG激光陶瓷材料都与单晶相近，而在功率输出方面更有望超过单晶，并且激光陶瓷的制备方面也有很多优点，掺杂量远高于单晶，特别是最近几年，Nd:YAG激光陶瓷的研究也取得了很大的进展，在功率输出、激光效率等方面都有所提高[8]。
由于激光陶瓷制备技术的优点，激光陶瓷的下一个可能发展方向就是多功能、多层陶瓷，因此下一步的工作就是把多功能、多层陶瓷和调Q以及拉曼相结合。
通过设计更好的大功率抽运系统，提高最大输出功率和转换效率来提高激光陶瓷激光器输出激光质量。
参考文献
[1]李晓蕾.超声雾化共沉淀法制备纳米YAG粉体[D].北京：清华大学材料科学与工程系，2011.
[2]刘文斌. Nd：YAG透明陶瓷的制备、显微结构及激光性能研究[D].2012 .
[3]刘亚东,姚志健. YAG陶瓷激光器的研究进展[J].激光技术.2013,37（5）.
[4]鄢歆.高峰值功率高脉冲能量Nd:YAG激光器研究[D].北京：北京工业大学，2008.
[5]马聪.泵浦电流平稳的间歇式长脉冲Nd:YAG激光电源的研究[D].天津：天津大学.2008.
[6]李俊秀.YAG激光在超精细焊接中的应用研究[D] .吉林：长春理工大学.2003.
[7]高兰兰.Nd：YAG激光器在焊接中的应用[J].激光技术与应用：光机电信息.2004.
[8]王小坤,曾智江,朱三根,龚海梅.激光陶瓷的研究进展[J].中国陶瓷工业2006，13（2）.。