稀土激光原理与稀土固体激光材料
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在能级3上实现粒子数反转
即累积在能级3上的反转粒子数必须多于在能级1或能级2上的 粒子数。
在三能级系统中，在能级1上必须有50％以上被激发至能 级3上才能实现的粒子数的反转，故产生激光的阈值比较高。
而在四能级系统中，只要求能级2的能量大于1000T，因此 ，在能级2上由于温度而产生热反转的粒子数很少。如果从能 级3跃迁至2上的粒子又可以很快的驰豫至基态1而不积累在2 上，则在能级2上的粒子数很少，其实，相对于能级2，在能 级3上比较容易实现粒子数的反转。故在四能级系统中，产生 激光的阈值很低。
目前使用的激光器多以YAG激光 器、金运CO2激光器为主，也有一 些准分子激光器、同位素激光器和 半导体泵浦激光器。
激光热处理：在汽车工业中应用广泛，如缸套 、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处 理，同时在航空航天、机床行业和其它机械行
业也应用广泛。我国的激光热处理应用远比国外 广泛得多。目前使用的激光器多以YAG激光器， CO2激光器为主。 激光快速成型：将激光加工技术和计算机数控 技术及柔性制造技术相结合而形成。多用于模具 和模型行业。目前使用的激光器多以YAG激光器 、CO2激光器为主。
3.6 稀土激光材料
一、概述 二、稀土激光原理 三、稀土固体激光材料
Laser
激光（light amplification by stimulated emission of radiation）简写”laser”.
定义：激光是指能把各种泵浦（电、光、射线 ）能量转换成激光的材料。激光是由激光工 作物质受激发后产生的。
1.稀土晶体激光材料
在激光晶体中，激活离子处于有序结构的晶 体中。由于激活离子所处的环境和基质材料的物 理化学性质的不同，使得激活离子的光谱特性和 激光性能也不同。
绝大部分的激光晶体是含有激活离子的荧光 晶体，包括掺杂性激光晶体和自激活激光晶体。
在众多的激光材料中，现在公认较好和广泛 应用的激光晶体只有几种，而且它们都是掺Nd 的稀土化合物。
一马当先，全员举绩，梅开二度，业 绩保底 。20.1 0.212 0.10.2 109:3 309:3 3:160 9:33: 16Oct -20
牢记安全之责，善谋安全之策，力务 安全之 实。20 20年1 0月21 日星期 三9时3 3分16 秒Wed nesda y, October 21, 2020
包括激光器、导光系统、加工机床、控 制系统及检测系统。 加工工艺
包括切割、焊接、表面处理、打孔、打 标、划线、微调等各种加工工艺。
激光焊接：汽车车身厚薄板、汽车零件、锂电池、 心脏起搏器、密封继电器等密封器件以及各种不允 许焊接污染和变形的器件。目前使用的激光器有金 运YAG激光器，金运CO2激光器和半导体泵浦激光 器。
光打孔、焊接、测距、育种、医疗和仪器制造等 方面得到了广泛应用。
3. 稀土光纤激光材料
随着集成光学和光纤通讯的发展，需要有微 型的激光器和放大器，从而在近年来发展了 稀土光纤激光材料。
早在1973年实现了用脉冲染料激发器或氩离 子激光器输出的590nm或514.5nm激光从一 侧的端面泵浦掺钕和Al2O3的适应玻璃纤维 ，获得波长为1.06μm的连续激光输出。
激光切割：汽车行业、计算机、电气机壳、木刀模 业、各种金属零件和特殊材料的切割、圆形锯片、 压克力、弹簧垫片、2mm以下的电子机件用铜板 、一些金属网板、钢管、镀锡铁板、镀亚铅钢板、 磷青铜、电木板、薄铝合金、石英玻璃、硅橡胶、 1mm以下氧化铝陶瓷片、航天工业使用的钛合金 等等。使用激光器有YAG激光器和CO2激光器。
由于稀土元素所具有的特殊的电子组态，众 多可利用的能及和光谱特性，稀土已成为激 光工作物质中最重要的元素。
迄今为止，已获得激光输出的稀土离子有 14种，涉及170多种化合物。
在现有的激光材料中，90%以上都是掺入 稀土离子作为激活剂。
激光应用
传统上看，它的研究范围一般可分为： 加工系统
人生得意须尽欢，莫使金樽空对月。 09:33: 1609: 33:16 09:33 10/21 /2020 9:33:16 AM
安全象只弓，不拉它就松，要想保安 全，常 把弓弦 绷。20 .10.21 09:33 :1609 :33Oc t-202 1-Oct- 20
加强交通建设管理，确保工程建设质 量。09 :33:1 609:3 3:160 9:33W ednes day, October 21, 2020
激光打标：在各种材料和几乎所有行业均得到广 泛应用，目前使用的激光器有YAG激光器、CO2 激光器和半导体泵浦激光器。
激光打孔：激光打孔主要应用在航空航天、汽 车制造、电子仪表、化工等行业。激光打孔的迅速发 展，主要体现在打孔用YAG激光器的平均输出功率已 由5年前的400w提高到了800w至1000w。国内目前比 较成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石和天然金刚 石拉丝模的生产及钟表和仪表的宝石轴承、飞机叶片 、多层印刷线路板等行业的生产中。
掺钕的钇铝石榴石激光材料
Yttrium aluminum garnet laser materials doped with Neodymium
Y3Al5O12:Nd3+,即YAG:Nd3+，是目前国内外 应用最为广泛的稀土固体材料之一。在现有激光 晶体中，YAG:Nd3+的激光、热学和力学等综合 性能最佳，成为目前最好最实用的搞功率材料， 占使用器件的90％以上，已广泛应用到科研、工 业、国防和医疗各个方面。
Nd3+在石英玻璃中的溶解度很低，只有万分 之几，为改善其折射率和热学性质，常在其 中加入少量的Al2O3、GeO2和P2O5。
Nd3+在1.33 μm和Er3+的1.55 μm激发波长与 光纤通讯最佳的窗口相匹配。
树立质量法制观念、提高全员质量意 识。20 .10.21 20.10 .21W ednes day, October 21, 2020
几乎所有的镧系元素和锕系元素激光材料都已实现了光泵浦。 在不同介质中镧系元素激发光发射波长分布范围不同。 在14种稀土离子中，激光发射波长最短的是Gd3+，最长的是 Dy3+。在可见光区有Pr3+，Tb3+，Ho3+，Eu3+，Sm3+； 在红外光区有Nd3+，Yb3+，Er3+，Tm3+，Tm2+，Dy3+。
在稀土激光材料的两端装有两面对激光波长 （laser wavelength）具有不同反射率（ reflectivity）的反射镜，放在内衬银或铝等反 射材料的聚光器内，用脉冲Xe灯、Kr灯、发 光二极管或激光灯作为激发光源（或称光泵 optical pump）.
内衬 Ag/Al 激发光源
产生激光的必要条件:
严格把控质量关，让生产更加有保障 。2020 年10 月上午9 时33 分20.10 .2109 :33Oc tober 21, 2020
作业标准记得牢，驾轻就熟除烦恼。 2020年 10月2 1日星 期三9 时33分1 6秒09 :33:1 621 October 2020
好的事情马上就会到来，一切都是最 好的安 排。上 午9时3 3分16 秒上午 9时33 分09:3 3:162 0.10. 21
安全在于心细，事故出在麻痹。20.1 0.212 0.10.2 109:3 3:160 9:33: 16Oct ober 21, 2020
百度文库
踏实肯干，努力奋斗。2020年10月2 1日上 午9时3 3分20. 10.21 20.10 .21
追求至善凭技术开拓市场，凭管理增 创效益 ，凭服 务树立 形象。 2020年 10月2 1日星 期三上 午9时3 3分16 秒09:3 3:162 0.10. 21
相信相信得力量。20.10.212020年 10月21 日星期 三9时 33分1 6秒20. 10.21
三、稀土固体激光材料 激光材料应是最早而最为普遍的是固态激光
材料，1960年---红宝石激光器，至今在各种 各样的激光器中固体激光器仍占据主导地位。
固体激光器中核心是固体激光材料，它们多 是采用光泵方式的稀土离子为激活中心的电介质 材料。这类材料又可分为晶体激光材料、玻璃激 光材料、化学计量激光材料和光纤激光材料等。
一、概述
激光产生的过程：
用电学、光学及其他方法对工作物质进行激励，使
其中一部分粒子激发到能量较高的状态上，当这种状态
的粒子数大于能量较低状态的粒子数时，由于受激辐射
作用，也就是当这种波长的光辐射通过工作物质时，就
会射出强度放大而又与入射光波位相一致、频率一致、
方向一致的光辐射，称为“光放大”。
若把激光工作物质置于谐振腔内，则光辐射 在间歇腔内沿轴线方向往复反射传播，多次 通过工作介质，使光辐射被放大很多倍，从 而形成一束强大很大，方向集中的光束—激 光。
激光涂敷：在航空航天、模具及机电行业应 用广泛。目前使用的激光器多以大功率金运 YAG激光器、金运CO2激光器为主。
激光的应用领域很广，尤其是制导、测距、 焊接、钻孔、切割、育种、外科手术、计量 和分析等方面，成为一门蓬勃发展的新技术 。
对于激光氢弹引爆、激光受控热核反应、激 光通讯、激光计算等都已成为当代国际上引 人注目的高新技术领域。
提高光泵利用率方面：通常采用敏化方式。对 Nd3+的敏化通常用Cr3+离子, Cr3+的光谱和Nd3+的 光谱匹配， Cr3+的吸收也很强。
2.稀土玻璃激光材料
由于基质玻璃配位场的作用，使绝大多数3d 过渡族金属离子在玻璃中实现激光的可能性很少 ，而稀土离子由于5s和6p外层电子对4f电子的屏 蔽作用，使它们在玻璃中仍保持与自由电子相似 的光谱特性，容易活的较窄的荧光。
激光是一种新型光源，它具有很好的单色性、 方向性和相干性，并且可以达到很高的亮度。 上述特征促使激光在工业、农业、医学及国防 等领域得到了广泛的应用。
激光历史
世界上第一台激光器诞生于1960年，同年就发现 CaF2：Sm3+。我国于1961年研制出第一台激光器 ，40多年来，激光技术与应用发展迅猛，已与多个 学科相结合形成多个应用技术领域，比如光电技术， 激光医疗与光子生物学，激光加工技术，激光检测与 计量技术，激光全息技术，激光光谱分析技术，非线 性光学，超快激光学，激光化学，量子光学，激光雷 达，激光制导，激光分离同位素，激光可控核聚变， 激光武器等等。这些交叉技术与新的学科的出现，大 大地推动了传统产业和新兴产业的发展。
因此不少的稀土离子（Nd、Sm、Gd、Tb、 Ho、Er、Tm和Yb）可以在玻璃中发生激光。 基质可以是硅酸盐、磷酸盐、氟磷酸盐、富铍酸 盐、富锆酸盐、锗酸盐、碲酸盐和硼酸盐的无机 玻璃。
重点是掺钕的硅酸盐、硼酸盐和磷酸盐玻璃。 各种掺钕的玻璃的7F3/2-4I11/2跃迁的光谱为特征
性激光跃迁。 用掺钕的硅酸盐玻璃制成的固体激光器已在激
二、稀土激光机理 Mechanism of rare earth laser
在已发现的激光工作物质中，稀土都已 成为一族极其重要的元素。这都与它具有 特殊的电子组态、众多可利用的能级和光 谱特性有关。
利用一些稀土离子的三能级和四能级系 统产生激光的原理图。
产生激 光的必 要条件 是在能 级3上实 现粒子 的反转
基质改进方面：首先用钆镓石榴石（GGG）（ gadolinium gallium garnet）， Nd3+的掺入量可提 高一倍，后来用钆嫁钪石榴石（GSGG） （ gadolinium gallium Scandium garnet），的掺入量 提高到4倍，激光效率达到4％以上。最近又出现了 一种铝酸镁镧基质（LaMgAl11O19）,它的Nd3+掺入 量可提高到6倍。
YAG:Nd3+激光晶体虽然各方面性能比较优良 ，但有些方面仍满足不了高功率、高效率的 要求。
原因是Nd3+离子在YAG中的分凝系数小，掺 入量最多约1％左右，这样限制了激光效率的 提高。另外，稀土离子的吸收较弱，不能充 分利用光泵的能量。
改进方案：
一是改进基质增强Nd3+离子的掺入量，另一 个是加入可以对Nd3+离子敏化的离子。
即累积在能级3上的反转粒子数必须多于在能级1或能级2上的 粒子数。
在三能级系统中，在能级1上必须有50％以上被激发至能 级3上才能实现的粒子数的反转，故产生激光的阈值比较高。
而在四能级系统中，只要求能级2的能量大于1000T，因此 ，在能级2上由于温度而产生热反转的粒子数很少。如果从能 级3跃迁至2上的粒子又可以很快的驰豫至基态1而不积累在2 上，则在能级2上的粒子数很少，其实，相对于能级2，在能 级3上比较容易实现粒子数的反转。故在四能级系统中，产生 激光的阈值很低。
目前使用的激光器多以YAG激光 器、金运CO2激光器为主，也有一 些准分子激光器、同位素激光器和 半导体泵浦激光器。
激光热处理：在汽车工业中应用广泛，如缸套 、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处 理，同时在航空航天、机床行业和其它机械行
业也应用广泛。我国的激光热处理应用远比国外 广泛得多。目前使用的激光器多以YAG激光器， CO2激光器为主。 激光快速成型：将激光加工技术和计算机数控 技术及柔性制造技术相结合而形成。多用于模具 和模型行业。目前使用的激光器多以YAG激光器 、CO2激光器为主。
3.6 稀土激光材料
一、概述 二、稀土激光原理 三、稀土固体激光材料
Laser
激光（light amplification by stimulated emission of radiation）简写”laser”.
定义：激光是指能把各种泵浦（电、光、射线 ）能量转换成激光的材料。激光是由激光工 作物质受激发后产生的。
1.稀土晶体激光材料
在激光晶体中，激活离子处于有序结构的晶 体中。由于激活离子所处的环境和基质材料的物 理化学性质的不同，使得激活离子的光谱特性和 激光性能也不同。
绝大部分的激光晶体是含有激活离子的荧光 晶体，包括掺杂性激光晶体和自激活激光晶体。
在众多的激光材料中，现在公认较好和广泛 应用的激光晶体只有几种，而且它们都是掺Nd 的稀土化合物。
一马当先，全员举绩，梅开二度，业 绩保底 。20.1 0.212 0.10.2 109:3 309:3 3:160 9:33: 16Oct -20
牢记安全之责，善谋安全之策，力务 安全之 实。20 20年1 0月21 日星期 三9时3 3分16 秒Wed nesda y, October 21, 2020
包括激光器、导光系统、加工机床、控 制系统及检测系统。 加工工艺
包括切割、焊接、表面处理、打孔、打 标、划线、微调等各种加工工艺。
激光焊接：汽车车身厚薄板、汽车零件、锂电池、 心脏起搏器、密封继电器等密封器件以及各种不允 许焊接污染和变形的器件。目前使用的激光器有金 运YAG激光器，金运CO2激光器和半导体泵浦激光 器。
光打孔、焊接、测距、育种、医疗和仪器制造等 方面得到了广泛应用。
3. 稀土光纤激光材料
随着集成光学和光纤通讯的发展，需要有微 型的激光器和放大器，从而在近年来发展了 稀土光纤激光材料。
早在1973年实现了用脉冲染料激发器或氩离 子激光器输出的590nm或514.5nm激光从一 侧的端面泵浦掺钕和Al2O3的适应玻璃纤维 ，获得波长为1.06μm的连续激光输出。
激光切割：汽车行业、计算机、电气机壳、木刀模 业、各种金属零件和特殊材料的切割、圆形锯片、 压克力、弹簧垫片、2mm以下的电子机件用铜板 、一些金属网板、钢管、镀锡铁板、镀亚铅钢板、 磷青铜、电木板、薄铝合金、石英玻璃、硅橡胶、 1mm以下氧化铝陶瓷片、航天工业使用的钛合金 等等。使用激光器有YAG激光器和CO2激光器。
由于稀土元素所具有的特殊的电子组态，众 多可利用的能及和光谱特性，稀土已成为激 光工作物质中最重要的元素。
迄今为止，已获得激光输出的稀土离子有 14种，涉及170多种化合物。
在现有的激光材料中，90%以上都是掺入 稀土离子作为激活剂。
激光应用
传统上看，它的研究范围一般可分为： 加工系统
人生得意须尽欢，莫使金樽空对月。 09:33: 1609: 33:16 09:33 10/21 /2020 9:33:16 AM
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激光打标：在各种材料和几乎所有行业均得到广 泛应用，目前使用的激光器有YAG激光器、CO2 激光器和半导体泵浦激光器。
激光打孔：激光打孔主要应用在航空航天、汽 车制造、电子仪表、化工等行业。激光打孔的迅速发 展，主要体现在打孔用YAG激光器的平均输出功率已 由5年前的400w提高到了800w至1000w。国内目前比 较成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石和天然金刚 石拉丝模的生产及钟表和仪表的宝石轴承、飞机叶片 、多层印刷线路板等行业的生产中。
掺钕的钇铝石榴石激光材料
Yttrium aluminum garnet laser materials doped with Neodymium
Y3Al5O12:Nd3+,即YAG:Nd3+，是目前国内外 应用最为广泛的稀土固体材料之一。在现有激光 晶体中，YAG:Nd3+的激光、热学和力学等综合 性能最佳，成为目前最好最实用的搞功率材料， 占使用器件的90％以上，已广泛应用到科研、工 业、国防和医疗各个方面。
Nd3+在石英玻璃中的溶解度很低，只有万分 之几，为改善其折射率和热学性质，常在其 中加入少量的Al2O3、GeO2和P2O5。
Nd3+在1.33 μm和Er3+的1.55 μm激发波长与 光纤通讯最佳的窗口相匹配。
树立质量法制观念、提高全员质量意 识。20 .10.21 20.10 .21W ednes day, October 21, 2020
几乎所有的镧系元素和锕系元素激光材料都已实现了光泵浦。 在不同介质中镧系元素激发光发射波长分布范围不同。 在14种稀土离子中，激光发射波长最短的是Gd3+，最长的是 Dy3+。在可见光区有Pr3+，Tb3+，Ho3+，Eu3+，Sm3+； 在红外光区有Nd3+，Yb3+，Er3+，Tm3+，Tm2+，Dy3+。
在稀土激光材料的两端装有两面对激光波长 （laser wavelength）具有不同反射率（ reflectivity）的反射镜，放在内衬银或铝等反 射材料的聚光器内，用脉冲Xe灯、Kr灯、发 光二极管或激光灯作为激发光源（或称光泵 optical pump）.
内衬 Ag/Al 激发光源
产生激光的必要条件:
严格把控质量关，让生产更加有保障 。2020 年10 月上午9 时33 分20.10 .2109 :33Oc tober 21, 2020
作业标准记得牢，驾轻就熟除烦恼。 2020年 10月2 1日星 期三9 时33分1 6秒09 :33:1 621 October 2020
好的事情马上就会到来，一切都是最 好的安 排。上 午9时3 3分16 秒上午 9时33 分09:3 3:162 0.10. 21
安全在于心细，事故出在麻痹。20.1 0.212 0.10.2 109:3 3:160 9:33: 16Oct ober 21, 2020
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踏实肯干，努力奋斗。2020年10月2 1日上 午9时3 3分20. 10.21 20.10 .21
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三、稀土固体激光材料 激光材料应是最早而最为普遍的是固态激光
材料，1960年---红宝石激光器，至今在各种 各样的激光器中固体激光器仍占据主导地位。
固体激光器中核心是固体激光材料，它们多 是采用光泵方式的稀土离子为激活中心的电介质 材料。这类材料又可分为晶体激光材料、玻璃激 光材料、化学计量激光材料和光纤激光材料等。
一、概述
激光产生的过程：
用电学、光学及其他方法对工作物质进行激励，使
其中一部分粒子激发到能量较高的状态上，当这种状态
的粒子数大于能量较低状态的粒子数时，由于受激辐射
作用，也就是当这种波长的光辐射通过工作物质时，就
会射出强度放大而又与入射光波位相一致、频率一致、
方向一致的光辐射，称为“光放大”。
若把激光工作物质置于谐振腔内，则光辐射 在间歇腔内沿轴线方向往复反射传播，多次 通过工作介质，使光辐射被放大很多倍，从 而形成一束强大很大，方向集中的光束—激 光。
激光涂敷：在航空航天、模具及机电行业应 用广泛。目前使用的激光器多以大功率金运 YAG激光器、金运CO2激光器为主。
激光的应用领域很广，尤其是制导、测距、 焊接、钻孔、切割、育种、外科手术、计量 和分析等方面，成为一门蓬勃发展的新技术 。
对于激光氢弹引爆、激光受控热核反应、激 光通讯、激光计算等都已成为当代国际上引 人注目的高新技术领域。
提高光泵利用率方面：通常采用敏化方式。对 Nd3+的敏化通常用Cr3+离子, Cr3+的光谱和Nd3+的 光谱匹配， Cr3+的吸收也很强。
2.稀土玻璃激光材料
由于基质玻璃配位场的作用，使绝大多数3d 过渡族金属离子在玻璃中实现激光的可能性很少 ，而稀土离子由于5s和6p外层电子对4f电子的屏 蔽作用，使它们在玻璃中仍保持与自由电子相似 的光谱特性，容易活的较窄的荧光。
激光是一种新型光源，它具有很好的单色性、 方向性和相干性，并且可以达到很高的亮度。 上述特征促使激光在工业、农业、医学及国防 等领域得到了广泛的应用。
激光历史
世界上第一台激光器诞生于1960年，同年就发现 CaF2：Sm3+。我国于1961年研制出第一台激光器 ，40多年来，激光技术与应用发展迅猛，已与多个 学科相结合形成多个应用技术领域，比如光电技术， 激光医疗与光子生物学，激光加工技术，激光检测与 计量技术，激光全息技术，激光光谱分析技术，非线 性光学，超快激光学，激光化学，量子光学，激光雷 达，激光制导，激光分离同位素，激光可控核聚变， 激光武器等等。这些交叉技术与新的学科的出现，大 大地推动了传统产业和新兴产业的发展。
因此不少的稀土离子（Nd、Sm、Gd、Tb、 Ho、Er、Tm和Yb）可以在玻璃中发生激光。 基质可以是硅酸盐、磷酸盐、氟磷酸盐、富铍酸 盐、富锆酸盐、锗酸盐、碲酸盐和硼酸盐的无机 玻璃。
重点是掺钕的硅酸盐、硼酸盐和磷酸盐玻璃。 各种掺钕的玻璃的7F3/2-4I11/2跃迁的光谱为特征
性激光跃迁。 用掺钕的硅酸盐玻璃制成的固体激光器已在激
二、稀土激光机理 Mechanism of rare earth laser
在已发现的激光工作物质中，稀土都已 成为一族极其重要的元素。这都与它具有 特殊的电子组态、众多可利用的能级和光 谱特性有关。
利用一些稀土离子的三能级和四能级系 统产生激光的原理图。
产生激 光的必 要条件 是在能 级3上实 现粒子 的反转
基质改进方面：首先用钆镓石榴石（GGG）（ gadolinium gallium garnet）， Nd3+的掺入量可提 高一倍，后来用钆嫁钪石榴石（GSGG） （ gadolinium gallium Scandium garnet），的掺入量 提高到4倍，激光效率达到4％以上。最近又出现了 一种铝酸镁镧基质（LaMgAl11O19）,它的Nd3+掺入 量可提高到6倍。
YAG:Nd3+激光晶体虽然各方面性能比较优良 ，但有些方面仍满足不了高功率、高效率的 要求。
原因是Nd3+离子在YAG中的分凝系数小，掺 入量最多约1％左右，这样限制了激光效率的 提高。另外，稀土离子的吸收较弱，不能充 分利用光泵的能量。
改进方案：
一是改进基质增强Nd3+离子的掺入量，另一 个是加入可以对Nd3+离子敏化的离子。