固體工作物質(zhì)

固體激光工作物質(zhì)光電子技術(shù)（激光器件部分）September200412.固體工作物質(zhì)2.1概述2.2紅寶石2.3摻釹釔鋁石榴石2.4釹玻璃2.5其它摻釹工作物質(zhì)2.6其它固體激光工作物質(zhì)September200422.1概述對(duì)固體激光工作物質(zhì)的一般要求基質(zhì)與激活離子正分高濃度激光晶體多摻和敏化工作物質(zhì)的劣化與破壞工作物質(zhì)幾何尺寸和加工要求September20043對(duì)固體激光工作物質(zhì)的一般要求較高的熒光量子效率針對(duì)某一泵源有較強(qiáng)的光譜吸收A21,Δν連續(xù)和小型脈沖器件——A21↑，Δν↓大能量和大功率器件——A21↓，Δν↑光學(xué)質(zhì)量好：雜質(zhì)，氣泡，條紋，內(nèi)應(yīng)力，光學(xué)不均勻少。良好的物理、化學(xué)性能：導(dǎo)熱率高，熱膨脹系數(shù)小，熔點(diǎn)高，機(jī)械強(qiáng)度高，可承受高功率密度，化學(xué)穩(wěn)定性好。制備簡(jiǎn)單，加工容易，成本低，足夠尺寸September20044基質(zhì)材料固體基質(zhì)材料分為晶體和玻璃兩類基質(zhì)與離子之間的相互作用，事實(shí)上限制了材料組合的數(shù)量。September20045晶體適合作為激光離子的基質(zhì)晶體的選擇原則：摻雜后晶體必須具有均勻的折射率晶體的機(jī)械、熱性能容許高功率工作（熱導(dǎo)率，硬度和抗裂強(qiáng)度）晶體的晶格能夠接收摻雜離子，局部晶體場(chǎng)感應(yīng)出期望光譜特性所需的強(qiáng)度。一般，截面接近10－20cm2。生長(zhǎng)出足夠尺寸的高質(zhì)量晶體。對(duì)于1300℃下可均勻熔化的晶體，容易采用合適的生長(zhǎng)技術(shù)。September20046晶體氧化物磷酸鹽，硅酸鹽鎢酸鹽，鉬酸鹽，釩酸鹽和鈹酸鹽氟化物September20047氧化物晶體藍(lán)寶石（Al2O3）質(zhì)硬，導(dǎo)熱率高Al容易被過(guò)渡金屬離子取代，Al相對(duì)稀土離子較小，不可能得到高摻雜濃度。以紅寶石（Cr:Al2O3)，和鈦寶石(Ti:Al2O3)為代表。石榴石性能穩(wěn)定，質(zhì)硬，熱導(dǎo)率高光學(xué)各向同性有釔鋁石榴石Y3Al5O12(YAG)，釓鎵石榴石Gd3Ga5O12(GGG)和釓鈧鋁石榴石Gd3Sc2Al3O12(GSGG)。Nd3＋:YAG，閾值低，增益高，處于固體激光材料壟斷地位，YAG中也可摻鉺Er3＋，銩Tm3＋，鈥Ho3＋和鐿Yb3＋。同時(shí)摻Cr3＋的Nd:GSGG，可顯著提高對(duì)閃光燈的輻射。September20048氧化物晶體3.鋁酸釔YAlO3(YAP)Y2O3和Al2O3，1:1混合物，負(fù)單軸晶體可線偏振光輸出生長(zhǎng)快速物理和機(jī)械性質(zhì)與YAG類似可選擇不同的結(jié)晶方向，得到不同的光譜特性，實(shí)現(xiàn)高增益，低閾值或者調(diào)Q所需的低增益，大儲(chǔ)能。Fe3＋雜質(zhì)增加1.06um的吸收損耗，造成熒光猝滅?？蓳诫sNd3＋，Er3＋，Tm3＋，Ho3＋。September20049晶體氧化物4.硫氧化物稀土硫氧化物，如硫氧化鑭，硫氧化镥，硫氧化釔，均有相同晶體結(jié)構(gòu)，為單軸晶體。稀土激活離子在稀土硫化物基質(zhì)中可形成任意濃度的固體溶液硫氧化鑭，硫氧化镥，硫氧化釔，硫氧化釓可透過(guò)0.35um~7um波長(zhǎng)。Nd:LOS(La2O2S)的1.075um波長(zhǎng)處激光躍遷截面約為Nd:YAG的1/3。September200410磷酸鹽和硅酸鹽晶體摻Nd3+氟磷酸鈣Ga5（PO4）F3，閾值低，斜率效率高，硬度低，易形成色心，熱導(dǎo)率低，易造成熱畸變。硅酸氧磷灰石CaLaSOAP，質(zhì)硬，熱導(dǎo)率低，為YAG的1/9。儲(chǔ)能為YAG的5倍，晶體生長(zhǎng)速度3mm/h。光學(xué)質(zhì)量好。抗激光損傷閾值低。五磷酸釹鹽類，YNdP5O14,LaNdP5O14和ScNdP5O14，高增益。例如：ScNdP5O14在mW氬離子激光器泵浦下可實(shí)現(xiàn)閾值輸出。September200411鎢酸鹽，鉬酸鹽，釩酸鹽和鈹酸鹽摻Nd的CaWO4，YAG之前常用的基質(zhì)材料。加入Na+，補(bǔ)充電荷。質(zhì)脆。鈉稀土鎢酸鹽和鉬酸鹽NaLa(MoO4)2,NaGd(WO4)2,NaNd(WO4)2，摻雜Nd，曾觀測(cè)到激光作用。摻Nd的YVO4，閾值很低，晶體生長(zhǎng)困難。受激輻射截面大，對(duì)二極管泵浦波長(zhǎng)的吸收高。鈹酸鹽La2Be2O5(BEL)，容易生長(zhǎng)，截面和熱導(dǎo)率遠(yuǎn)小于YAG，因此沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用，Nd：BEL為雙軸晶體，折射率系數(shù)有正有負(fù)，可通過(guò)設(shè)計(jì)光路消除熱透鏡效應(yīng)。September200412氟化物晶體摻Nd，氟化釔鋰YLiF4（YLF）單軸晶體偏振輸出，消除熱致雙折射熒光壽命是YAG的兩倍，儲(chǔ)能高，熱機(jī)械性能不如YAGSeptember200413玻璃大體積?？梢陨a(chǎn)長(zhǎng)1m，直徑10cm的棒；直徑90cm，厚幾厘米的疊片。優(yōu)越的光學(xué)質(zhì)量，接近衍射極限的光束角易于制造容易進(jìn)行光學(xué)拋光熒光線寬寬，閾值高熱導(dǎo)率低，熱致雙折射引起的光學(xué)畸變嚴(yán)重?？梢該絅d3+，Yb3+，Er3+，Tm3+和Ho3+。September200414激活離子稀土離子釹（Nd3＋）實(shí)現(xiàn)了100多種基質(zhì)中獲得受激發(fā)射以0.9um，1.06um，1.35um為中心，可實(shí)現(xiàn)若干頻率的受激發(fā)射鉺（Er3＋）實(shí)現(xiàn)了YAG，YLF，YAP，LaF3，CaWO4，CaF2，玻璃基質(zhì)中的受激發(fā)射。1.53~1.66um內(nèi)實(shí)現(xiàn)激光發(fā)射，屬人眼安全波長(zhǎng)。常用的Er3＋:YAG經(jīng)敏化，最易其振，輸出波長(zhǎng)為2.9um。鈥（Ho3＋）摻Er：Tm：Ho的YAG和YLF，輸出波長(zhǎng)2um摻Cr代替Er敏化，Cr：Tm：YAG激光器可有效吸收閃光燈泵浦能量。輸出波長(zhǎng)2.1um。September200415激活離子稀土離子銩（Tm3＋）與Cr或Ho一起實(shí)現(xiàn)YAG，YLF的高效閃光燈及二極管泵浦激光輸出。二極管泵浦Tm：YAG實(shí)現(xiàn)2.01um輸出二極管泵浦Tm：Ho：YAG實(shí)現(xiàn)2.09um輸出高效閃光燈泵浦Cr：Tm：YAG實(shí)現(xiàn)1.945um和1.965um的可調(diào)輸出鐠Pr3＋，釓Gd3＋，銪Eu3＋，鐿Yb3＋，鈰Ce3＋二極管泵浦的Yb：YAG激光器二極管泵浦的摻Y(jié)b的光纖激光器釤Sm2＋，鏑Dy2＋，銩Tm2＋液氮冷卻的作用下，CaF2中產(chǎn)生過(guò)激光作用。September200416激活離子2.錒系離子摻0.05%鈾（U）的CaF2成功用于激光器，輸出2.6um。3.過(guò)渡金屬 鉻（Cr3+)紅寶石（Cr3+：AL2O3），紫翠寶石（綠寶石，金綠寶石，翠綠寶石，Cr3＋：BeAl2O4）鈦藍(lán)寶石（鈦寶石，Ti3＋：AL2O3）Nd:YAG泵浦的Co2+:MgF2激光器。September200417正分高濃度激光晶體激活離子本身是晶體組成部分的激光工作物質(zhì)稱為正分高濃度晶體?？梢詫?shí)現(xiàn)高摻雜而無(wú)明顯的濃度猝滅效應(yīng)高效率、低閾值過(guò)磷酸鹽，CeP5O14,PrP5O14,NdP5O14,偏磷酸鹽,LiNdP4O12,NaNdP4O12,KNdP4O12,正磷酸鹽,Na3Nd(PO4)2,K3Nd(PO4)2硼酸鹽,NdAl(BO3)4,NdCr(BO3)4,鎢酸鹽、鉬酸鹽,Na5Nd(WO4)4,R5Nd(MoO4)4September200418多摻與敏化敏化指在晶體中除了發(fā)光中心的激活離子外，再摻入一種或多種稱為敏化劑的施主離子。敏化劑主要作用是吸收激活離子不吸收的光譜能量，并將吸收到的能量轉(zhuǎn)移給激活離子。雙摻或多摻雜晶體生長(zhǎng)困難，工藝復(fù)雜。September200419工作物質(zhì)的劣化與破壞劣化效率降低50％以上色心吸收紅寶石，粉紅－>橙紅－>棕紅YAG，淡紫－>棕紅釹玻璃，紫紅－>棕紅雜質(zhì)離子變價(jià)破壞現(xiàn)象：端面，內(nèi)部原因：能量密度，表面污染，冷卻September200420工作物質(zhì)的劣化與破壞破壞閾值影響因素工作物質(zhì)本身：內(nèi)部，表面脈寬諧振腔是否有聚焦點(diǎn)September200421工作物質(zhì)幾何尺寸和加工要求形狀：圓柱棒，矩形柱，圓片圓柱棒長(zhǎng)徑能量大，體積大散熱，表面積大，散熱好閾值，棒細(xì)長(zhǎng)，閾值低經(jīng)驗(yàn)：10:1~20:1端面平行度，5‘’～10‘’垂直度，<1‘粗糙度PⅢ級(jí)，平整度小于半個(gè)光圈側(cè)面磨毛September200422September2004232.2紅寶石September200424紅寶石晶體結(jié)構(gòu)Cr3+:Al2O3六方晶系，負(fù)單軸晶體粉紅色提拉法生長(zhǎng)可以獲得大尺寸晶體0°，60°，90°紅寶石紅寶石物理，化學(xué)特性September200425紅寶石的基本物理化學(xué)特性莫氏硬度9熔點(diǎn)2050（攝氏度）熱導(dǎo)率0.42W/cmK(300K)10W/cmK(77K)熱膨脹系數(shù)6.7E-6K-1(平行于c）5.0E-6K-1(垂直于c）化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，抗腐蝕September200426紅寶石激光性能——能級(jí)結(jié)構(gòu)September200427紅寶石激光性能——吸收光譜September200428紅寶石激光性能——吸收系數(shù)和吸收截面September200429紅寶石激光性能——主要參數(shù)摻雜濃度1.58E19(cm-3)受激輻射截面2.5E-20(cm2)波長(zhǎng)694.3nm熒光壽命3.0ms量子效率0.7譜線線寬11(cm-1)5.3(埃)September200430紅寶石激光性能——參數(shù)隨溫度的變化September200431紅寶石在激光器中應(yīng)用偏振輸出閃光燈泵浦脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)液氮冷卻可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)輸出相干性好，可用于全息高速攝影調(diào)Q輸出可用于醫(yī)學(xué)September2004322.3摻釹釔鋁石榴石物理化學(xué)特性Nd3＋:Y3Al5O12，簡(jiǎn)寫為Nd:YAG淡紫色立方晶系，光學(xué)各向同性提拉法生長(zhǎng)，速度較慢September200433Nd:YAG的物理化學(xué)特性克氏硬度1215熔點(diǎn)1970（攝氏度）熱導(dǎo)率0.11W/cmK熱膨脹系數(shù)[100][110][111]8.2E-6K-17.7E-6K-17.8E-6K-1化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定September200434Nd:YAG激光性能——能級(jí)結(jié)構(gòu)September200435Nd:YAG激光性能——吸收光譜September200436Nd:YAG激光性能——發(fā)射光譜September200437Nd:YAG激光性能——主要參數(shù)摻雜濃度1.38E20(cm-3)受激輻射截面88E-20(cm2)波長(zhǎng)1064nm熒光壽命230us量子效率1譜線線寬4.5(埃)September200438Nd:YAG在激光器中運(yùn)用連續(xù)，脈沖，調(diào)Q，鎖?？砷W光燈泵浦也可二極管泵浦功率可大可小廣泛應(yīng)用于各行業(yè)September2004392.4釹玻璃September200440Nd:Glass的物理化學(xué)特性硅酸鹽，磷酸鹽，氟酸鹽，硼酸鹽摻雜濃度高，1wt％～5wt％光學(xué)均勻性好各向同性可以獲得各種形狀和尺寸September200441硅酸鹽Nd:Glass的物理化學(xué)特性玻璃牌號(hào)ED-2LG-630LCG-11克氏硬度543.6365380應(yīng)變點(diǎn)435（攝氏度）465（攝氏度）613（攝氏度）熱導(dǎo)率0.0135W/cmK0.0099W/cmK0.0088W/cmK熱膨脹系數(shù)7.5E-6K-19.7E-6K-110.6E-6K-1化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定穩(wěn)定穩(wěn)定September200442Nd:Glass激光性能——能級(jí)結(jié)構(gòu)中心波長(zhǎng)：0.92um，1.06um，1.37um吸收帶寬和熒光線寬均增加September200443Nd:Glass激光性能——吸收光譜September200444硅酸鹽Nd:Glass激光性能——主要參數(shù)摻雜濃度2.8~3.8E20(cm-3)受激輻射截面2.0~3.03E-20(cm2)熒光峰值波長(zhǎng)1062.3~1062.4nm熒光壽命300~640us量子效率0.3~0.7譜線線寬250cm-1September200445Nd:Glass在激光器中運(yùn)用脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)調(diào)Q超短脈沖板條激光器實(shí)現(xiàn)高重復(fù)率高功率輸出September200446紅寶石，Nd:YAG和Nd:Glass比較紅寶石Nd:YAGNd:Glass摻雜濃度1.58E19(cm-3)1.38E20(cm-3)~3E20(cm-3)受激輻射截面2.5E-20(cm2)88E-20(cm2)~3.0E-20(cm2)熒光峰值波長(zhǎng)694.3nm1064nm1062.3~1062.4nm熒光壽命3.0ms230us0.6~0.9ms量子效率0.710.3~0.7譜線線寬11(cm-1)5.3(埃)4.5(埃)250cm-1280.9(埃）September2004472.5其它摻釹工作物質(zhì)一、Nd:YAP二、Nd:YLF三、Nd:GGG四、Nd:LMASeptember200448一、Nd:YAP摻釹鋁酸釔晶體Nd3＋：YAlO3正交晶系，雙軸晶體線偏振光輸出物理機(jī)械性質(zhì)與YAG相似September200449Nd:YAP的物理與化學(xué)特性莫氏硬度8~8.5熔點(diǎn)1870±10（攝氏度）熱導(dǎo)率0.11W/cmK熱膨脹系數(shù)a4.2E-6K-1b11.7E-6K-1c5.1E-6K-1化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定September200450Nd:YAP的激光性能——吸收光譜September200451Nd:YAP的激光性能——晶軸取向1.064um的譜線增益最大1.0795um的譜線增益最大September200452Nd:YAP在激光器中應(yīng)用與Nd:YAG類似可以高功率輸出偏振輸出可以1.079um和1.37um雙色輸出破壞閾值低，熱效應(yīng)較Nd:YAG嚴(yán)重September200453二、Nd:YLF摻釹氟化釔鋰Nd:YLiF4四方晶系，單軸晶體偏振輸出機(jī)械和熱性能比YAG差損傷閾值高September200454Nd:YLF的物理化學(xué)特性莫氏硬度4～5熔點(diǎn)825（攝氏度）熱導(dǎo)率0.06W/cmK熱膨脹系數(shù)a13E-6K-1c8E-6K-1化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定September200455Nd:YLF的激光性能——能級(jí)結(jié)構(gòu)September200456Nd:YLF的激光性能——主要參數(shù)受激輻射截面18E-20(cm2)π12E-20(cm2)σ波長(zhǎng)1047nmπ1053nmσ熒光壽命480usSeptember200457Nd:YLF在激光器中應(yīng)用大儲(chǔ)能有利于二極管泵浦中等能量Q開關(guān)輸出Q開關(guān)振蕩器－放大器結(jié)構(gòu)September200458三、Nd:GGG石榴石晶體：Gd3Ga5O12(GGG)Gd3Sc2Al3O12(GSAG)Gd3ScGa3O12(GSGG)立方晶系生長(zhǎng)速度快，可以獲得大尺寸熱聚焦比YAG大5倍板條Nd:GGG可以獲得千瓦輸出September200459四、Nd:LMA摻釹鋁酸鎂鑭Nd3+:LaMgAl11O19六方晶系，單軸晶體摻雜濃度高：1.2E21cm-3提拉法生長(zhǎng)，可以得到大尺寸晶體物化性能穩(wěn)定，熱導(dǎo)率高，可高功率輸出波長(zhǎng)：1.054um和1.083umSeptember200460Nd:LMA的吸收光譜