第6章固体激光工作物质的性质

第6章 固体激光器工作物质的性质 图6.4 红宝石晶体中R1和R2线的吸收系数和
吸收截面与波长的关系
第6章 固体激光器工作物质的性质 表6-2 室温下红宝石晶体的主要光学性质和激光性质
第6章 固体激光器工作物质的性质
6.3 掺钕钇铝石榴石晶体和钕玻璃
6.3.1
钇铝石榴石(YAG)晶体属立方晶系，硬度高，为无色透 明，是由Y2O3和Al2O3按3∶5 化合而成的。
第6章 固体激光器工作物质的性质 表6-4 国产钕玻璃的物理性质和光学性质
第6章 固体激光器工作物质的性质
第6章 固体激光器工作物质的性质
6.5 其他固体激光器的工作物质
6.5.1
激光陶瓷的研究始于20世纪60年代，当时研究人员从理 论上推测各向同性的高纯多晶陶瓷有可能与同成分的单晶具 有相当的光学性质。
第6章 固体激光器工作物质的性质
YAG晶体具有优良的热物理性能，熔点高，硬度大。 这对连续和高重复率脉冲工作的激光器是非常有利的。 掺钕钇铝石榴石晶体具有良好的物理性质, 见表6-3。
第6章 固体激光器工作物质的性质 表6-3 Nd3+∶YAG晶体的物理性质
第6章 固体激光器工作物质的性质
6.3.2
第6章 固体激光器工作物质的性质 图6.5 Nd3+∶YAG晶体的能级结构
第6章 固体激光器工作物质的性质
Nd3+∶YAG晶体在温度为300 K时的吸收光谱结构如图 6.6所示。可以看出，在500~900 nm 波长范围内，主要有五 个吸收光谱带，中心波长分别在525 nm、585 nm、750 nm、 810 nm、870 nm，每个带宽约为30 nm，其中750 nm和810 nm附近的两个吸收带最为重要。
第6章 固体激光器工作物质的性质
Nd3+∶YAG陶瓷与Nd3+∶YAG 单晶相比具有一系列优 点： 容易制作，制作费用低，尺寸大(最大单晶尺寸为23 cm， Nd3+∶YAG陶瓷已达单晶的两倍), 多功能性, 大批量生产。
掺杂浓度0.1%(原子百分比)的Nd3+∶YAG陶瓷与掺杂浓 度0.9%(原子百分比)的Nd3+∶YAG单晶在室温下的吸收光谱 如图6.10所示。
第6章 固体激光器工作物质的性质
6.1 固体激光器对工作物质的基本要求 6.2 红宝石晶体 6.3 掺钕钇铝石榴石晶体和钕玻璃 6.4 钕玻璃 6.5 其他固体激光器的工作物质
第6章 固体激光器工作物质的性质
6.1.1 基质材料
6.1.1
1. 固体激光器对基质材料的要求 2. 基质材料的种类
6.1.2
Nd原子的原子序数为60，基态电子组态为~4f45s25p66s2， 基态谱项为5I4。掺钕钇铝石榴石晶体中的激活离子的电子组 态为~4f35s25p6，基态谱项为4I9/2，未满壳层是内壳层4f。
第6章 固体激光器工作物质的性质
激发态谱项为4I11/2、4I13/2、4I15/2、4F3/2、4F5/2+2H9/2、4 F7/2+4S3/2、4G5/2+2G7/2等，其中4F3/2态为亚稳态，寿命约为200 μs，如图6.5所示。
第6章 固体激光器工作物质的性质 图6.6 Nd3+∶YAG晶体在300 K的吸收光谱结构
第6章 固体激光器工作物质的性质
由于能级4I11/2和4I13/2距基态较远，能级差分别为1950 cm-1、3900 cm-1。由于Nd3+受基质晶格场的影响，能级产生 斯塔克分裂，在温度为300 K时1.06μm附近的荧光光谱和能 级精细结构如图6.7
第6章 固体激光器工作物质的性质
6.2.2
红宝石晶体的激光性质主要取决于激活离子Cr3+的能级 结构，如图6.2所示，为典型的三能级系统。
第6章 固体激光器工作物质的性质
Cr3+离子的吸收光谱曲线如图6.wk.baidu.com所示，其中两条曲线分 别对应于入射光的偏振方向与光轴相垂直(E⊥C)、平行E∥C) 两种的吸收情况。
第6章 固体激光器工作物质的性质 图6.10 Nd3+∶YAG陶瓷与Nd3+∶YAG的吸收光谱
第6章 固体激光器工作物质的性质 图6.7 Nd3+∶YAG晶体在1.06 μm附近的荧光光谱
第6章 固体激光器工作物质的性质
6.4 钕 玻 璃
6.4.1
钕玻璃的许多特性不同于其他的固体激光工作物质。
6.4.2
由于掺入三价钕离子的未满电子壳层是内壳层，被外层 电子所屏蔽，所以玻璃中的配位场对它的影响较小，钕玻璃 中Nd3+的能级结构与晶体中的基本相似，接近自由离子的能 级结构，如图6.8所示，但线宽有改变，增加约250 cm-1，比 Nd3+∶YAG晶体宽得多。
第6章 固体激光器工作物质的性质 图6.8 钕离子在玻璃中的能级结构
第6章 固体激光器工作物质的性质
钕离子Nd3+在玻璃中的吸收光谱如图6.9所示。比较图 6.6可以看到，吸收峰值的位置大致相同，但钕玻璃的吸收峰 值带宽宽得多。钕玻璃的物理性质和光学性质见表6-4
第6章 固体激光器工作物质的性质 图6.9 钕离子在玻璃中的吸收光谱
第6章 固体激光器工作物质的性质 图6.2 红宝石中Cr3+的能级结构
第6章 固体激光器工作物质的性质 图6.3 红宝石中Cr3+的吸收光谱曲线
第6章 固体激光器工作物质的性质
掺杂离子Cr3+属三能级系统，能级 E →4A2的跃迁和能级 2 A →4A2 的跃迁分别产生自发辐射谱线R1和R2线，在室温 下波长分别为694.3 nm和692.9 nm，室温下荧光线宽为11 cm1(0.5 nm)，77 K时线宽约为0.15 cm-1(0.007 nm)。R1和R2荧光 谱线在Cr3+离子浓度为1.56×1019 cm-3时，对应的吸收线、吸 收系数和吸收截面如图6.4所示， 室温下红宝石晶体的主要 光学性质和激光性质见表6-2
1. 2.
第6章 固体激光器工作物质的性质
第6章 固体激光器工作物质的性质
6.2 红 宝 石 晶 体
6.2.1
晶体α-Al2O3晶胞为六面锐角棱面体，如图6.1 所示。 其基本物理性质见表6-1。
第6章 固体激光器工作物质的性质 图6.1 红宝石的晶体结构
第6章 固体激光器工作物质的性质 表6-1 红宝石晶体的基本物理性质