第二讲 固体激光材料
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2. 石榴石
• 性能稳定，质硬，热导率高 • 光学各向同性 • 有钇铝石榴石Y3Al5O12(YAG)，钆镓石榴石Gd3Ga5O12(GGG)和钆钪铝石
榴石Gd3Sc2Al3O12(GSGG)。 • Nd3＋:YAG，阈值低，增益高，处于固体激光材料垄断地位， • YAG中也可掺铒Er3＋，铥Tm3＋，钬Ho3＋和镱Yb3＋。 • 同时掺Cr3＋的Nd:GSGG，可显著提高对闪光灯的吸收。
✓ 基质材料：其作用主要是为激活离子提供一个适当的晶 格场。决定工作物质的各种物理化学性质；
✓ 激活离子：发光中心，实际上是少量掺杂离子，称为激 活离子。激光的波长主要取决于激活离子的能级结构。
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基质材料
• 固体基质材料分为晶体和玻璃、陶瓷
• 基质与激活离子之间的匹配，事实上 限制了激光材料组合的数量。
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§2.1.3 固体工作物质
美国国家点火装置用磷酸盐玻璃
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多晶陶瓷
陶瓷: 有精细的、方向 随机的晶粒组成 (晶粒 尺寸亚微米-数十微米)
Nd:YAG陶瓷微结构
Ann. Rev. Mater. Res 36, 397 (200实6)用文档
陶瓷特性
• 制造周期短, 潜在低成本 • 大尺寸，高浓度掺杂 • 优良的光学性能 • 优良的热性能
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玻璃
• 大尺寸。可以生产长1m，直径10cm的棒；直径 90cm，厚几厘米的叠片。
• 优越的光学质量，波前畸变小 • 易于制造 • 容易进行光学抛光 • 荧光线宽宽，阈值高 • 热导率低，热致双折射引起的光学畸变严重。 • 可以掺Nd3+，Yb3+，Er3+，Tm3+和Ho3+。
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晶体氧化物
4. 硫氧化物
• 稀土硫氧化物，如硫氧化镧，硫氧化镥，硫氧 化钇，均有相同晶体结构，为单轴晶体。
• 稀土激活离子在稀土硫化物基质中可形成任意 浓度的固体
• பைடு நூலகம்氧化镧，硫氧化镥，硫氧化钇，硫氧化钆可 透过0.35um~7um波长。
• Nd:LOS(La2O2S)的1.075um波长处激光跃迁截面 约为Nd:YAG的1/3。
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晶体
• 适合作为激光离子的基质晶体的选择原则 ：
– 掺杂后晶体必须具有均匀的折射率
– 晶体的机械、热性能容许高功率工作（热导率 ，硬度和抗裂强度）
– 晶体的晶格能够接收掺杂离子，局部晶体场感 应出期望光谱特性所需的强度。
– 生长出足够尺寸的高质量晶体。对于1300℃下
可均匀熔化的晶体，容易采用合适的生长技术
第2讲 固体激光材料
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• 一代材料，一代器件
• 激光技术的发展离不开激光材料的发现 钛宝石晶体-----超快激光技术
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2
激光材料发展趋势
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3
激光材料主要参数及其含义
•
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4
固体工作物质
• 2.1 概述 • 2.2 红宝石 • 2.3 掺钕钇铝石榴石 • 2.4 钕玻璃 • 2.5 其它掺钕工作物质 • 2.6 其它固体激光工作物质
• 铍酸盐La2Be2O5(BEL)，容易生长，截面和热导率 远小于YAG，因此没有实际应用，Nd：BEL为双轴 晶体，折射率系数有正有负，可通过设计光路消 除热透镜效应。
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氟化物晶体
• 掺Nd，氟化钇锂YLiF4（YLF）
– 单轴晶体 – 偏振输出 – 荧光寿命是YAG的两倍，储能高， – 热机械性能不如YAG
。
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晶体
• 氧化物 • 磷酸盐，硅酸盐 • 钨酸盐，钼酸盐，钒酸盐和铍酸盐 • 氟化物
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氧化物晶体
1. 蓝宝石（Al2O3）
• 质硬，导热率高 • Al容易被过渡金属离子取代，Al相对稀土离子较小，不可能得到高
掺杂浓度。
• 以红宝石（Cr:Al2O3)，和钛宝石(Ti:Al2O3)为代表。
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钨酸盐，钼酸盐，钒酸盐和铍酸盐
• 掺Nd的CaWO4，YAG之前常用的基质材料。加入Na+
，补充电荷。质脆。
• 钠稀土钨酸盐和钼酸盐NaLa(MoO4)2, NaGd(WO4)2, NaNd(WO4)2，掺杂Nd，曾观测到激光作用。
• 掺Nd的YVO4，阈值很低，晶体生长困难。受激辐 射截面大，对二极管泵浦波长的吸收高。
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磷酸盐和硅酸盐晶体
• 掺Nd3+氟磷酸钙Ga5（PO4）F3，阈值低，斜率效 率高，硬度低，易形成色心，热导率低，易造 成热畸变。
• 硅酸氧磷灰石CaLaSOAP，质硬，热导率低，为 YAG的1/9。储能为YAG的5倍，晶体生长速度 3mm/h。光学质量好。抗激光损伤阈值低。
• 五磷酸钕盐类，YNdP5O14,LaNdP5O14和ScNdP5O14 ，高增益。例如： ScNdP5O14在mW氩离子激光 器泵浦下可实现阈值输出。
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氧化物晶体
3. 铝酸钇YAlO3(YAP)
• Y2O3和Al2O3，1:1混合物，负单轴晶体 • 可线偏振光输出 • 生长快速 • 物理和机械性质与YAG类似 • 可选择不同的结晶方向，得到不同的光谱特性
，实现高增益，低阈值或者调Q所需的低增益 ，大储能。
• 可掺杂Nd3＋，Er3＋，Tm3＋，Ho3＋。
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5
2.1概 述
1.对固体激光工作物质的一般要求 2.基质与激活离子 3.正分高浓度激光晶体 4.多掺和敏化 5.工作物质的劣化与破坏 6.工作物质几何尺寸和加工要求
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6
对固体激光材料的基本要求
①具有高的荧光量子效率； ②光学质量高,缺陷少,内应力小.在材料中不产生入射光的波
面畸变； ③在激光工作频率范围透明； ④掺入的激活离子具有有效的激励光谱和较大的受激发射截
面； ⑤能掺入较高浓度的激活离子,浓度猝灭效应小,荧光寿命足
够长； ⑥具有良好的物理、化学和机械性能.热导率高,热膨胀系数
小,化学稳定性好,机械强度高,耐水性好,熔点高,能承受高 功率密度等； ⑦制备工艺简单,加工容易,成本低,并可获得足够大的尺寸.
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固体激光工作物质
固体激光工作物质由基质材料和激活 离子两部分组成。
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激活离子
1. 稀土离子
• 钕（Nd3＋） • 实现了100多种基质中获得受激发射 • 以0.9um，1.06um，1.35um为中心，可实现若干频率的受激发射
• 性能稳定，质硬，热导率高 • 光学各向同性 • 有钇铝石榴石Y3Al5O12(YAG)，钆镓石榴石Gd3Ga5O12(GGG)和钆钪铝石
榴石Gd3Sc2Al3O12(GSGG)。 • Nd3＋:YAG，阈值低，增益高，处于固体激光材料垄断地位， • YAG中也可掺铒Er3＋，铥Tm3＋，钬Ho3＋和镱Yb3＋。 • 同时掺Cr3＋的Nd:GSGG，可显著提高对闪光灯的吸收。
✓ 基质材料：其作用主要是为激活离子提供一个适当的晶 格场。决定工作物质的各种物理化学性质；
✓ 激活离子：发光中心，实际上是少量掺杂离子，称为激 活离子。激光的波长主要取决于激活离子的能级结构。
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基质材料
• 固体基质材料分为晶体和玻璃、陶瓷
• 基质与激活离子之间的匹配，事实上 限制了激光材料组合的数量。
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§2.1.3 固体工作物质
美国国家点火装置用磷酸盐玻璃
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多晶陶瓷
陶瓷: 有精细的、方向 随机的晶粒组成 (晶粒 尺寸亚微米-数十微米)
Nd:YAG陶瓷微结构
Ann. Rev. Mater. Res 36, 397 (200实6)用文档
陶瓷特性
• 制造周期短, 潜在低成本 • 大尺寸，高浓度掺杂 • 优良的光学性能 • 优良的热性能
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玻璃
• 大尺寸。可以生产长1m，直径10cm的棒；直径 90cm，厚几厘米的叠片。
• 优越的光学质量，波前畸变小 • 易于制造 • 容易进行光学抛光 • 荧光线宽宽，阈值高 • 热导率低，热致双折射引起的光学畸变严重。 • 可以掺Nd3+，Yb3+，Er3+，Tm3+和Ho3+。
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晶体氧化物
4. 硫氧化物
• 稀土硫氧化物，如硫氧化镧，硫氧化镥，硫氧 化钇，均有相同晶体结构，为单轴晶体。
• 稀土激活离子在稀土硫化物基质中可形成任意 浓度的固体
• பைடு நூலகம்氧化镧，硫氧化镥，硫氧化钇，硫氧化钆可 透过0.35um~7um波长。
• Nd:LOS(La2O2S)的1.075um波长处激光跃迁截面 约为Nd:YAG的1/3。
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晶体
• 适合作为激光离子的基质晶体的选择原则 ：
– 掺杂后晶体必须具有均匀的折射率
– 晶体的机械、热性能容许高功率工作（热导率 ，硬度和抗裂强度）
– 晶体的晶格能够接收掺杂离子，局部晶体场感 应出期望光谱特性所需的强度。
– 生长出足够尺寸的高质量晶体。对于1300℃下
可均匀熔化的晶体，容易采用合适的生长技术
第2讲 固体激光材料
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• 一代材料，一代器件
• 激光技术的发展离不开激光材料的发现 钛宝石晶体-----超快激光技术
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激光材料发展趋势
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3
激光材料主要参数及其含义
•
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固体工作物质
• 2.1 概述 • 2.2 红宝石 • 2.3 掺钕钇铝石榴石 • 2.4 钕玻璃 • 2.5 其它掺钕工作物质 • 2.6 其它固体激光工作物质
• 铍酸盐La2Be2O5(BEL)，容易生长，截面和热导率 远小于YAG，因此没有实际应用，Nd：BEL为双轴 晶体，折射率系数有正有负，可通过设计光路消 除热透镜效应。
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氟化物晶体
• 掺Nd，氟化钇锂YLiF4（YLF）
– 单轴晶体 – 偏振输出 – 荧光寿命是YAG的两倍，储能高， – 热机械性能不如YAG
。
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晶体
• 氧化物 • 磷酸盐，硅酸盐 • 钨酸盐，钼酸盐，钒酸盐和铍酸盐 • 氟化物
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氧化物晶体
1. 蓝宝石（Al2O3）
• 质硬，导热率高 • Al容易被过渡金属离子取代，Al相对稀土离子较小，不可能得到高
掺杂浓度。
• 以红宝石（Cr:Al2O3)，和钛宝石(Ti:Al2O3)为代表。
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15
钨酸盐，钼酸盐，钒酸盐和铍酸盐
• 掺Nd的CaWO4，YAG之前常用的基质材料。加入Na+
，补充电荷。质脆。
• 钠稀土钨酸盐和钼酸盐NaLa(MoO4)2, NaGd(WO4)2, NaNd(WO4)2，掺杂Nd，曾观测到激光作用。
• 掺Nd的YVO4，阈值很低，晶体生长困难。受激辐 射截面大，对二极管泵浦波长的吸收高。
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磷酸盐和硅酸盐晶体
• 掺Nd3+氟磷酸钙Ga5（PO4）F3，阈值低，斜率效 率高，硬度低，易形成色心，热导率低，易造 成热畸变。
• 硅酸氧磷灰石CaLaSOAP，质硬，热导率低，为 YAG的1/9。储能为YAG的5倍，晶体生长速度 3mm/h。光学质量好。抗激光损伤阈值低。
• 五磷酸钕盐类，YNdP5O14,LaNdP5O14和ScNdP5O14 ，高增益。例如： ScNdP5O14在mW氩离子激光 器泵浦下可实现阈值输出。
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氧化物晶体
3. 铝酸钇YAlO3(YAP)
• Y2O3和Al2O3，1:1混合物，负单轴晶体 • 可线偏振光输出 • 生长快速 • 物理和机械性质与YAG类似 • 可选择不同的结晶方向，得到不同的光谱特性
，实现高增益，低阈值或者调Q所需的低增益 ，大储能。
• 可掺杂Nd3＋，Er3＋，Tm3＋，Ho3＋。
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2.1概 述
1.对固体激光工作物质的一般要求 2.基质与激活离子 3.正分高浓度激光晶体 4.多掺和敏化 5.工作物质的劣化与破坏 6.工作物质几何尺寸和加工要求
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对固体激光材料的基本要求
①具有高的荧光量子效率； ②光学质量高,缺陷少,内应力小.在材料中不产生入射光的波
面畸变； ③在激光工作频率范围透明； ④掺入的激活离子具有有效的激励光谱和较大的受激发射截
面； ⑤能掺入较高浓度的激活离子,浓度猝灭效应小,荧光寿命足
够长； ⑥具有良好的物理、化学和机械性能.热导率高,热膨胀系数
小,化学稳定性好,机械强度高,耐水性好,熔点高,能承受高 功率密度等； ⑦制备工艺简单,加工容易,成本低,并可获得足够大的尺寸.
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固体激光工作物质
固体激光工作物质由基质材料和激活 离子两部分组成。
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激活离子
1. 稀土离子
• 钕（Nd3＋） • 实现了100多种基质中获得受激发射 • 以0.9um，1.06um，1.35um为中心，可实现若干频率的受激发射