激光玻璃现状及发展前景

激光玻璃现状及发展前景

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摘要：1960年第一台激光器问世，次年就出现了激光玻璃。它具有良好性能和广泛用途。

关键词：激光玻璃；硅酸盐激光玻璃；磷酸盐玻璃；高功率激光装置；

正文：

前言：激光玻璃是一种以玻璃为基质的固体激光材料,由基质玻璃和激活离子两部分组成。它广泛应用于各类型固体激光光器中,并成为高功率和高能量激光器的主要激光材料。

激光玻璃与其它工作物质相比，有一些独特的优点：易制备，容易获得高度透明、光学均匀、大尺寸的激光棒或圆盘；利用热成型及冷加工工艺，可制成不同形状，以适应激光器需要。本文就激光玻璃的种类、机理、制备方法及应用予以简单介绍。

主要内容：现在的激光玻璃主要有硅酸盐激光玻璃、磷酸盐激光玻璃、氟磷酸盐和氟化物激光玻璃、硅磷酸盐激光玻璃、高钕浓度激光玻璃等若干种，我们主要介绍一下硅酸盐激光玻璃和磷酸盐、氟化物激光玻璃以及高钕浓度激光玻璃这三种。

硅酸盐激光玻璃最早的激光玻璃都属于这类，如我国N03、N10，美国的NS0835，日本的LCG13，英国的LN6等。这些玻璃大致成分（mol%）基本为：SiO260—75，Na2O30—15，K2O0—5，CaO+BaO10—15，Al2O30—3。它们的主要优点是熔制工艺成熟、光学质量好、物化性能稳定、激光效率高。

磷酸盐激光玻璃六十年代初在广泛探索基质玻璃系统时，在磷酸盐玻璃中产生了激光，但由于磷酸盐玻璃物化性能性能较差，不易制备，当时没有深入研究。到了七十年代，随着激光核聚变技术的发展，具有受激发截面大、非线性折射率低、热光系数小等优点的磷酸盐玻璃显示了其独特的优点，被选为激光核聚变装置的激光玻璃。日本、美国和我国先后定型了适合于不同要求的磷酸盐激光玻璃。但与此同时，此类玻璃的缺点是化学稳定性差、玻璃表面易潮解。

高钕浓度激光玻璃为了满足微型固体激光器发展的需要，研制了玻璃态的高钕浓度激光玻璃材料（如NdP5O14、LiNdP4O12、KNdP4O12等），并在小型脉冲激光器中得到了应用。

激光玻璃由基质玻璃和激活离子两部分组成。激光玻璃各种物理性质和化学性质主要由基质玻璃决定，而它的光谱性质则主要由激活离子决定。

激光玻璃中由于基质玻璃与激活离子彼此间互相作用，所以激活离子对激光玻璃的物理化学性质有一定的影响，而基质玻璃对它的光谱性质的影响有时还是相当重要的。作为激光玻璃的基质玻璃，大多采用光学玻璃，然而并不是任何一种光学玻璃接入任何一种激活离子都适合作激光玻璃。

制备方法：

硅酸盐：目前制备激光玻璃主要采用熔体冷却成型方法，包括以铂金坩埚、陶瓷坩埚为熔器的间隙式熔体冷却成形方法及铂金池炉为熔器的连续熔融，进行高温加热形成均匀无气泡并符合成型要求的玻璃。

氟磷酸盐：氟磷酸盐的化学组成以氟化物为主，再加入一定量的磷酸盐。氟化物玻璃有氟化铍玻璃、氟锆酸盐玻璃和氟铝酸盐玻璃等。这类玻璃一般用铂坩埚熔制，因易析晶和组分在熔制过程中亦挥发，引起化学成分不均匀，产生条纹，熔制工艺较困难，需采用特殊的工艺制备。目前，这类玻璃的抗激光破坏能力还不够强，破坏阀值大约只有硅酸盐玻璃的一半左右

应用：

激光玻璃具有光学质量高、体积大、发射谱线宽、抗激光破坏能力强、易加工、价格便宜等优点，作为固体激光器材料可获得高亮度、高方向性、高单色性和高相干性的激光输出。从而，在工业、农业、自然科学和军事方面得到了广泛的应用。

激光玻璃用于高功率激光装置：

钕玻璃高功率激光装置是研究激光核聚变的主要工具，对于新能源的开发研究和等离子体物理研究都有重大作用。

我国是在激光核聚变研究中最采用钕玻璃作为工作物质的国家之一。1970年以来，我所用的N03和N07型硅酸盐激光玻璃建成万兆单位和十万兆瓦六路钕玻璃激光等离子体物理实验装置，在1973年和1977年成功地打出了中子和实现了初步的激光对玻壳靶的压缩。继之，采用磷酸盐玻璃作激光器工作物质，建成“神光”高功率装置，使大功率激光器输出啊功率达到10^12W以上。现在该装置已成为我国等离子体基础研究、强激光与靶的相互作用研究和X光激光的基础研究的实验工具。世界上最大的高功率激光系统是美国的NOV A装置使用的玻璃圆盘直径达46cm，输出功率达200~300TW。

激光玻璃在钕玻璃激光器研制中的应用：

国内外用激光玻璃开展了激光谐振腔、多级放大器、热畸变、弥散、自聚焦及其补偿，激光与材料的相互作用、激光参量测量等基本实验工作，取得了一批科研成果，推动了激光技术的发展。

激光玻璃用于中小型固体激光器：

用于测距和大地测量的钕玻璃激光测距仪已经批量生产，测程为500~1000m，精度为5m 左右，重复频率为2~6次/min。磷酸盐玻璃激光打孔机使用的N21型玻璃棒，以长期运转，广泛用于钻石、金属、玛瑙、玻璃材料的打孔。中小型玻璃激光器在不锈钢、人造金刚石、超硬质合金材料、特种陶瓷、叠成云母片及碲镉汞晶体片等切割和打孔方面也已广泛使用。

结束语：

自1961年激光玻璃发明以来,激光玻璃无论品种还是在制备工艺方面都得到了很大的发展,激光玻璃不仅以大块体的形式在惯性约束聚变装置中发挥了核心作用,还将以光纤的形式在通信和测量等领域得到越来越广的应用。相信随着掺铋离子石英光纤的出现,激光玻璃的研究和发展将进入一个新纪元。