(完整版)YAG结构

钇铝石榴石(polycrystalline aluminum-yttrium garnet，YAG)的化学式为Y3Al5O12，或写为3Y2O3·5Al2O3，其中Y2O3为57.06wt%，Al2O3为42.94wt%，是一种综合性能（包括：光学、力学和热学）优良的激光基质。因为Nd:YAG 具有较高的热导率和抗光伤阈值，同时三价钕离子取代YAG中的钇离子无需电荷补偿而提高激光输出效率[9]，使它成为用量最多、最成熟的激光材料。此外，为了寻找新的激光波长，对YAG基质进行了E r、H o、T m、C r等的单独或组合掺杂，获得了数种波长的激光振荡。

YAG属于立方晶系，它的晶格常数为1.2002nm，它的分子式可以写成：L3B2（AO4）3，其中：L，A，B分别代表3种格位。在单位晶胞中有8个Y3Al5O12分子，一共有24个钇离子，40个铝离子，96个氧离子。每个钇离子各处于由8个氧离子配位的十二面体的L格位，16个铝离子各处于6个氧离子配位的八面体的B格位，另外24个铝离子各处于由4个氧离子配位的四面体的A格位。八面体的铝离子形成体心立方结构，四面体的铝离子和十二面体的钇离子处于立方体的面等分线上，八面体和十二面体都是变形的，其结构模型见图2.5。石榴石的晶胞可看作是十二面体、八面体和四面体的连接网[31]。

图2.5 石榴石晶体单胞的1/8结构模型[31]

石榴石系列的一个突出特点是在晶体结构中可以有较大范围的阳离子取代，进入石榴石晶体结构的阳离子取代何种离子，主要取决相互取代离子间的相对离子半径大小，较大的阳离子常优先占据八配位十二面体空隙位置；较小的阳离子则往往占据四配位四面体空隙位置。如La系稀土元素三价离子因离子半径与Y3+相近，部分取代Y3+而形成Nd (Yb，Tb，Er……):YAG。

Nd:YAG称为掺钕钇铝石榴石，它是理想的四能级激光器。图2.6是稀土元素Nd3+的能级结构图[32]，Nd3+是一种非常好的四能级系统的激活离子，当基态Nd3+

吸收不同波长的泵浦光后，被激发至4F3/2，4F5/2，4F7/2等激发态能级，如图2.7所示[33]，这些能级上的Nd3+以非辐射跃迁的形式跃迁至亚稳态4F3/2能级(寿命约为0.2ms)；从4F3/2可辐射跃迁至4I9/2，4I11/2，4I13/2能级上，分别发出914nm，1064nm，1340nm的激光。Nd3+的辐射跃迁通道有三条，所以在激光产生过程中，将发生竞争。由于4F3/2→4I11/2通道的荧光分支比最大，即产生荧光的几率最大，所以一般以1064nm波长的激光为主，次之为1340nm的激光。而当掺Tb3+、Yb3+等其它稀土离子时，由于电子和能级结构不同，同样可以通过跃迁和辐射而产生其它不同波长的激光或荧光。