第2章 固体激光材料及典型固体激光器_01
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1）激光晶体 热导率高、荧光谱线窄、硬度较大。 a. 氧化物晶体 (Nd:YAG等) b. 各种盐类晶体 c. 氟化物晶体 最重要的元素：钕（Nd）
a. 氧化物晶体
最重要的元素：钕（Nd）
掺钕激光晶体的中心波长：0.91 m、1.06 m、1.35 m。 1）Nd:YAG 晶体 YAG：硬度高、光学质量好、 机械强度高、导热性好。 在激光波长范围内透过率高， 荧光谱线窄。 高增益、低阈值输出激光。 目前高效率、高平均功率激光 器的增益介质之一。
4）吸收系数变化对方形Nd:GdVO4晶体内部温度场分布 的影响：
掺杂浓度越低，吸收系数越小。
其中，
泵浦光功率及泵浦光斑相同但吸收系数不同，在 晶体中形成的热源强度及分布有较大差别。
吸收系数越大，热源越向端面集中。 强烈的热应力作用会导致端面破裂。
吸收系数越大，热源越向端面集中。 强烈的热应力作用会导致端面破裂。
3）Nd:GdVO4 晶体
吸收截面大，发射截面大。 同时有较高的导热率。 适用于高功率场合，成为 LD泵浦高功率激光器的理 想工作物质。
2）激光玻璃 特性：
钕玻璃是玻璃激光材料的典型代表，即以玻璃为基 质，掺入适量的氧化钕而成的固体激光工作物质。 激光特性和晶体类似。同样产生0.91 m、1.06 m、 1.35 m波长的激光。但在室温下，通常只产生1.06 m的激光振荡。
线宽增加，导致阈值增加，但激光介质中储存能量 更多。
钕玻璃的光学均匀性良好，掺杂浓度均匀等，易 于制成特大功率的激光器（用于受控热核聚变等 实验中）。
美国国家点火装置用磷酸盐玻璃
3）激光陶瓷
多数情况下透明，晶粒尺寸在几十微米，其光学性能、 力学性能、导热性能等类似于晶体或优于晶体。
固体激光材料热效应研究的实例 固体激光器在连续和脉冲工作方式下，输入泵浦源的 能量只有少部分（约为百分之几）转化为激光输出， 其余能量转化为热损耗。 热损耗导致激光器件热形变、光弹效应、应力双折射 等现象。 解决方法：半导体制冷或循环水冷却。
第2章 固体激光材料及典型固体激光器
2.1 固体激光材料 2.2 固体激光器
2.1 固体激光材料 固体激光材料的主要特性：
包括：基质材料、激活离子
激活离子：发光中心 包括：1）过渡族金属离子； 2）3价稀土金属离子； 3）2价稀土金属离子； 4）锕系离子
基质材料：能为激活离子提供合适的配位场。 一般有玻璃、晶体、陶瓷3大类。
热转换效率：
边界条件为：
2、方形激光晶体内部温度场
激光晶体内部热传导遵守Poisson方程：
可得：
其中，
利用Matlab软件，计算激光晶体内部的温度场。
1）方形Nd:GdVO4晶体内部温度场：
2）泵浦光功率变化对方形Nd:GdVO4晶体内部温度场分 布的影响：
3）泵浦光光斑变化对方形Nd:GdV值法，建立符合实际条件的单端泵浦方形激 光晶体热模型。 泵浦光为高斯分布。激光晶体沿轴向对称加热，周 边温度恒定的特点。 热传导方程+边界条件，得到激光晶体的温度场和热 形变场等。
1、单端泵浦、周边恒温方形激光晶体热模型
Z=0平面处泵浦光分布：
Z=z平面处经晶体吸收后泵浦 光分布：
考虑由于荧光量子效应和内损耗吸收泵浦光的能量而发热：
吸收带：
中心波长及对应能级跃迁：
1.06 m的荧光最强； 1.32 m谱线属于四能级系统，采用选频技术使 其振荡； 0.946 m属于三能级，阈值高，很难在室温下 运转。
2）Nd:YVO4 晶体 YVO4 基质对钕离子有敏化作用，可以促进其吸 收能力，有利于模式的耦合，提高转换效率。 发射截面高，可得到低阈值的激光输出。 缺点：导热差，不适于大功率激光输出；荧光寿 命短，不适于脉冲输出。
3、方形激光晶体泵浦端面热形变场 激光晶体受热膨胀会使晶体发生热形变，严重影 响激光输出的品质。 设晶体内部一点（x,y,z）处初始温度为0，则热平 衡后，
吸收系数减小，有利于热负载分散，减小端面上的热 应力和热形变。 选用掺杂浓度低、吸收系数较小的晶体可减小形变。
5、激光晶体热效应实验分析
随着泵浦功率的增加，晶体热效应增强，折射率梯度 增大，干涉条纹密度增大，与计算结果一致。
a. 氧化物晶体
最重要的元素：钕（Nd）
掺钕激光晶体的中心波长：0.91 m、1.06 m、1.35 m。 1）Nd:YAG 晶体 YAG：硬度高、光学质量好、 机械强度高、导热性好。 在激光波长范围内透过率高， 荧光谱线窄。 高增益、低阈值输出激光。 目前高效率、高平均功率激光 器的增益介质之一。
4）吸收系数变化对方形Nd:GdVO4晶体内部温度场分布 的影响：
掺杂浓度越低，吸收系数越小。
其中，
泵浦光功率及泵浦光斑相同但吸收系数不同，在 晶体中形成的热源强度及分布有较大差别。
吸收系数越大，热源越向端面集中。 强烈的热应力作用会导致端面破裂。
吸收系数越大，热源越向端面集中。 强烈的热应力作用会导致端面破裂。
3）Nd:GdVO4 晶体
吸收截面大，发射截面大。 同时有较高的导热率。 适用于高功率场合，成为 LD泵浦高功率激光器的理 想工作物质。
2）激光玻璃 特性：
钕玻璃是玻璃激光材料的典型代表，即以玻璃为基 质，掺入适量的氧化钕而成的固体激光工作物质。 激光特性和晶体类似。同样产生0.91 m、1.06 m、 1.35 m波长的激光。但在室温下，通常只产生1.06 m的激光振荡。
线宽增加，导致阈值增加，但激光介质中储存能量 更多。
钕玻璃的光学均匀性良好，掺杂浓度均匀等，易 于制成特大功率的激光器（用于受控热核聚变等 实验中）。
美国国家点火装置用磷酸盐玻璃
3）激光陶瓷
多数情况下透明，晶粒尺寸在几十微米，其光学性能、 力学性能、导热性能等类似于晶体或优于晶体。
固体激光材料热效应研究的实例 固体激光器在连续和脉冲工作方式下，输入泵浦源的 能量只有少部分（约为百分之几）转化为激光输出， 其余能量转化为热损耗。 热损耗导致激光器件热形变、光弹效应、应力双折射 等现象。 解决方法：半导体制冷或循环水冷却。
第2章 固体激光材料及典型固体激光器
2.1 固体激光材料 2.2 固体激光器
2.1 固体激光材料 固体激光材料的主要特性：
包括：基质材料、激活离子
激活离子：发光中心 包括：1）过渡族金属离子； 2）3价稀土金属离子； 3）2价稀土金属离子； 4）锕系离子
基质材料：能为激活离子提供合适的配位场。 一般有玻璃、晶体、陶瓷3大类。
热转换效率：
边界条件为：
2、方形激光晶体内部温度场
激光晶体内部热传导遵守Poisson方程：
可得：
其中，
利用Matlab软件，计算激光晶体内部的温度场。
1）方形Nd:GdVO4晶体内部温度场：
2）泵浦光功率变化对方形Nd:GdVO4晶体内部温度场分 布的影响：
3）泵浦光光斑变化对方形Nd:GdV值法，建立符合实际条件的单端泵浦方形激 光晶体热模型。 泵浦光为高斯分布。激光晶体沿轴向对称加热，周 边温度恒定的特点。 热传导方程+边界条件，得到激光晶体的温度场和热 形变场等。
1、单端泵浦、周边恒温方形激光晶体热模型
Z=0平面处泵浦光分布：
Z=z平面处经晶体吸收后泵浦 光分布：
考虑由于荧光量子效应和内损耗吸收泵浦光的能量而发热：
吸收带：
中心波长及对应能级跃迁：
1.06 m的荧光最强； 1.32 m谱线属于四能级系统，采用选频技术使 其振荡； 0.946 m属于三能级，阈值高，很难在室温下 运转。
2）Nd:YVO4 晶体 YVO4 基质对钕离子有敏化作用，可以促进其吸 收能力，有利于模式的耦合，提高转换效率。 发射截面高，可得到低阈值的激光输出。 缺点：导热差，不适于大功率激光输出；荧光寿 命短，不适于脉冲输出。
3、方形激光晶体泵浦端面热形变场 激光晶体受热膨胀会使晶体发生热形变，严重影 响激光输出的品质。 设晶体内部一点（x,y,z）处初始温度为0，则热平 衡后，
吸收系数减小，有利于热负载分散，减小端面上的热 应力和热形变。 选用掺杂浓度低、吸收系数较小的晶体可减小形变。
5、激光晶体热效应实验分析
随着泵浦功率的增加，晶体热效应增强，折射率梯度 增大，干涉条纹密度增大，与计算结果一致。