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激光器材料

激光器材料介绍

江默语

（昆明理工大学材料科学与工程学院云南昆明650093）

摘要：

激光器诞生于20世纪60年代，伴随着激光晶体，激光玻璃，透明陶瓷等激光材料的发展，人们对激光技术的认识越来越广，利用也越来越多。

本文从激光器、激光材料、三能级系统、四能级系统，以及调谐/调Q激光器等几方面对激光技术进行了简单介绍。

关键词：

激光器，激光材料，三能级系统，四能级系统，调Q激光器

绪论

激光技术是当时最重要的科技成就之一，它的发展和应用前景非常诱人，对整个科技领域的发展都起了重大的改革和推动作用。

从激光基础理论的提出到美国人梅曼制造出第一台激光器，经历了近半个世纪，其发展历史也是一个非常曲折的过程。

今天，人们对激光并不陌生，如激光开刀，可自动止血；全息激光照片还可以假乱真；还有激光照相，激光美容等。

激光还广泛地应用在军事方面。

随着科技的不断进步，在许多科学家的共同努力下，半导体激光器终于问世。

这类激光器已经成为光电子技术领域中研究最活跃、应用最广泛的器件。

以其优越的性能，在光通信和光存储中得到广泛应用，并且，不断出现新概念、新器件、新技术和新应用，继续以欣欣向荣的态势向前发展。

（一）

所有的激光技术都必须有一个发射激光的载体，那就是激光器，由各种自然、人工合成的材料制备而成。

激光器按照工作物质的不同，可分为固体激光器、气体激光器和半导体激光器。

其中，固体激光器是以掺入某些稀土元素的固体介质材料为工作介质的激光器，分为玻璃激光器和晶体激光器。

后来，又出现了一种新的激光基质——透明陶瓷。

目前，固体激光器中常见的激光材料有：

红宝石、钕玻璃、掺钕的钇铝石榴石，掺钕的的铝酸钇，掺钕的氟化锂钇和掺钕的钒酸钇等，其中掺钕的钇铝石榴石（Nd：

YAG）和钕玻璃是目前应用最广的两种。

激光器激发出激光之后，就可以发挥激光的作用了。

激光之所以得到广泛应用，得益于激光自身所具有的几个主要特性，即单色、相干、准直、高亮度。

单色性：

激光光束除了在空间和时间上高度集中外，在频谱上也是高度集中的，也就是说，它的的谱线宽度很窄，单色性好，或者说它的时间相干性很高。

如图1所示，光谱线的频率宽度∆ν=│ν2-ν1│与这个频率宽度对应的波长宽度范围为∆λ=λ•∆ν/ν。

图1线性函数曲线

谱线宽度是衡量光源单色性好坏的标志。

宽度∆ν越窄，光谱线的单色性就越好。

例如，在普通光源中，λ=6057Å的光谱线，在低温条件下，其宽度∆λ=0.0047Å。

而单模稳频氦-氖激光器λ=6328Å，其∆λ＜10-7Å。

相干性：

激光相干性包括两方面的内容，一个是时间相干性，还有一个是空间相干性。

时间相干性用相干长度和相干时间来度量。

以迈克尔逊干涉仪的原理图为例来加以说明，如图2所示，激光s发出的光经半反射镜M后，被分成两部分，

图2激光干涉测长原理

一部分被反射镜M反射到M1，再经M1，反射到观,察屏A;另一部分则透过半反射镜M，到达平面反射镜M2，然后反射向观察屏A。

这两部分光在A上能产生干涉条纹的最大光程差L称为光源的相干长度。

L与△λ有如下关系:

L=λ2/△λ

可见，光谱线的波长λ一定时，其波长宽度越窄，相干长度也就越长。

如氦一氖激光器X=6328Å，∆λ<10-7Å，其相干长度可达几十公里。

我们通常把光通过相干长度所需的时间称为相干时间τC。

由同一光源在相干时间τC内不同时间发出的光，经过不同的路程到干涉场将产生干涉。

因为τC=h/c,c•τC=λ2/△λ，又因为λ/△λ=△v/v,λv=c，所以

τC△v=1

上式表示，光谱线的频率宽度△v越窄，则τC越长。

光的时间相干性就越好，所以激光时间相干性比普通光源所发出的光要好得多的。

准直性和高亮度：

现将激光器发出的光，与普通光源发出的光繁荣方向性加以对照比较。

如图3所示，图中表示日光灯发出的光的发射角2θ约180°，而一般的氦氖激光器的发射角2θ约0.18°。

图3（a）日光灯管的发光，（b）激光器定向发光

激光束是在空间传播的的圆锥光束，如图4所示。

可用立体角表示激光束的发射情况。

图4圆锥光束

面积为s的一块球面对o点所张的立体角ω，等于这块面积s与球半径R的平方之比。

即

ω=s/R2

当θ角很小时，其立体角为

ω=π（θR）2/R2=πθ2

当θ=10-3rad时，

ω=π•10-6

这就是说，一般激光器只向着数量级约为10-6的立体角范围内输出激光光束。

这与普通光源不同。

由此可见，激光的方向性比普通光源发出的光要好。

一般激光光束的立体角要比普通光源光束小百万倍。

因此，即使两者在单位面积上的辐射功率相差不大，激光的辐射亮度也比普通光源高上百万倍。

所谓方向性好、辐射亮度高、照度大三者是同一性质的不同表现。

他们可归纳为一点，即激光光束的能量在空间高度集中。

（二）

激光材料是激光技术的核心和基础，具有里程碑的意义和作用，特别是激光晶体在激光技术发展的各个关键阶段均起了举足轻重的作用。

常见的激光材料主要有以下三类：

（１）激光晶体

①色心晶体：

色心晶体主要由碱金属卤化物的离子缺位捕获电子形成色心。

与一般激光晶体不同，色心晶体是由束缚在基质晶体晶格周围的电子或其他元素的离子与晶格相互作用形成发光中心。

由于束缚在缺位中的电子与周围晶格间存在强的耦合，因此电子能级显著被加宽，使吸收光谱和荧光光谱呈连续谱的特征，所以色心激光晶体可实现调谐激光输出。

色心晶体主要有：

LiF，KF，NaCl，KCl∶Na，KCl∶Li，KI∶Li等。

近年来氧化物色心晶体已引起人们的重视，目前已研制出CaO色心激光器，输出功率已超过100MW，调谐范围为357～420nm，表明其有很好的发展前景。

②掺杂型激光晶体：

除色心激光晶体以外，绝大部分的激光晶体都是含有激活离子的荧光晶体。

在这些掺杂型激光晶体中，晶体所起的作用就是提供一个合适的晶体场，使之产生所需要的受激辐射。

因此对基质晶体的要求就是其阳离子与激活离子的半径、电负性要接近，而价态则尽可能相同，同时该基质晶体的物理化学性能必须稳定，并能较易生长出光学性好的大尺寸晶体。

人们在这些原则指导下找到的基质晶体主要有氧化物、氟化物和复合氟化物三类。

③自激活激光晶体：

提高激活离子的浓度是提高效率的一种有效途径，当激活离子成为基质的一种组分时，就形成所谓的自激活晶体。

通常情况下，激活离子在掺杂型晶体中增加到一定程度时就会产生猝灭效应，是荧光寿命下降。

但是以NdP5O14为代表的一类晶体，其含Nd3+浓度比通常Nd:

YAG晶体高30倍，但荧光效应未发生明显下降。

由于激活离子浓度高（高于1021cm-3），很薄的晶体就能得到足够大的增益而使之成为高效、小型激光器的晶体材料。

（2）激光玻璃

尽管在玻璃中激活离子的发光性不及激光晶体那样好（包括荧光谱线较宽，受激发载面较低等），但是激光玻璃具有储能大，制造工艺技术成熟，基质玻璃的性质可按要求在很大的范围内变化，容易获得光学均匀，价格便宜等特点。

在过去40年中，激光玻璃与激光晶体成为固体激光材料中的两大类型，并得到飞速发展，分为硅酸盐激光玻璃、磷酸盐激光玻璃、氟磷酸盐激光玻璃、氟化物激光玻璃。

（3）激光陶瓷

激光陶瓷是在研究十几年刚刚发展起来的。

研究的体系还比较少，主要集中在YAG、Y2O3、Sc2O3、Lu2O3和YSAG等立方相的体系中。

激活离子的研究相对来说多一点，包括Nd、Yb、Pr、Eu、Ce、Cr和Sm等。

三类激光材料，在性能与应用上差异较大，见表1：

表1三大类激光器的性能、特点、种类及应用

种类

主要波长

特征

输出功率

应用

开发中的应用

固

体

激

光

器

红宝石激光器

0.69（红外）

（1）高能脉冲

（2）高功率脉冲输出（Q开关控制）

1-100J

1MW-1GW

测距，激光雷达，打孔，焊接

等离子测定，高速全息照相

玻璃激光器

1.06（红外）

（1）高功率脉冲

（2）高功率脉冲（Q开关控制）

约1000J

1TW

加工

物性研究，引发等离子体

钇铝石榴石激光器

1.06（红外）

（1）连续高功率输出

（2）高速反复操作的Q开关

（3）第二调制波输出

1W-1kW

交变（~5kHz）

~10kW

（1）集成电路，划线，修整红宝石

（2）激光雷达

染料激光器光源，拉曼分光计光源程序

半导体激光器

GaAs

0.9（红外）

功率高

效率高

脉冲约10W，连续约几MW

游戏用光源

通信情报处理，测距

气体激光器

He-Ne

633nm

转换效率较低

输出功率一般为毫瓦级

定位、全息照相、测量、精密计量等

Ar

488nm

功率高

10MW

眼疾治疗、血细胞计数、平版印刷及作为染料激光器的泵浦源

CO2

10.6nm

转换效率很高，输出功率大，

可达几十到上万瓦

打孔、焊接、退火、熔合、改性、涂覆

CO2（TEA）

10.6nm

转换效率很高，输出功率大，

可达几十到上万瓦

打孔、焊接

（三）

在激光技术中，有几个重要的概念：

（1）三能级系统

假定工作物质是一个兰能级的粒子体系，并假定此系统中三个能级间所有跃迁都能进行，用频率为v=（E3-E1i）/h的泵浦光照射此系统，一部分粒子便从能级E1上跃迁到能级E3上去。

同时，由于受激发射作用，处于能级E1上的一部分粒子跃迁到能级E3上。

如果能级E3的寿命较长，则称此能级为亚稳态能级，因而自发辐射几率很小，当泵浦光足够强时，可忽略自发辐射，使能级E3上的粒子数接近能级E1上的粒子数，即N3=N1。

若能级E2接近E3，按玻耳兹曼分布，能级E2上的粒子数接近热平衡状态下能级E3上粒子数。

当泵浦光照射后，就能使能E3上的粒子数大于能级E2上的粒子数，即在E3与E2之间达到了粒子数反转。

此时，该系统可把频率为、v32=（E3-E2）/h的光放大。

如果能级E2是较长的亚稳态能级，而能级E2接近能级E1那么在热平衡状态时，能级E2上的粒子数，即能级E2上已有较多的粒子。

当泵浦光很强时，便有大量粒子从能级E1跃迁到能级E3上，使能级E1上的粒子数大量减少，此时便能在能级子数大量减少，此时便能在能级E2与E1之间达到粒子数反转。

这个系统可把频率为v21=（E2-E1）/h的光放大。

三能级系统如图5所示。

图5三能级系统示意图

属于三能级系统，有代表性的工作物质就是红宝石，红宝石能级结构可以简单的用图6表示。

在外界光不断激励的情况下，使粒子在能级E2上不断积累，达到一定程度后，便出现E2与E1间的粒子数反转，光可放大。

图6红宝石能级结构示意图

（2）四能级系统

三能级系统多数是在能级E2与E1间建立粒子数反转，如红宝石中的铬离子体系便如此。

这样激光的下能级就是基态。

在热平衡时，铬离子几乎全部处于基态。

因此要实现粒子数反转分布，氨灯必须把半数以上的铬离子激发到能级E3上去。

这样对光泵要求很高，效率就比较低。

四能级系统克服了这一缺点。

四能级系统跃迁的低能级不是基态能级，在热平衡时粒子数很少。

当泵浦光把粒子从基态能级E1激励到能级E4上，再从能级E4上无辐射跃迁到能级E3上。

如果能级E3是寿命较长的亚稳态能级，便积累起较多的粒亚稳态能级，便积累起较多的粒子，而超过能级E2上的粒子数。

因此，在能级E3与E2之间较容易达到粒子数反转。

如图7所示。

图7四能级系统示意图

例如，在钕玻璃和掺钕钇铝石榴石激光器中，钕离子的能级E2与基态能级E1的能量差大约是0.4x10-19J，T=300K时，在热平衡状态下，两能间的粒子分布，由玻耳兹曼分布有:

N2=N1e-（E2-E1）/hT=N1•e-0.41•（10-12）/1.38•（10-16）•300=N1/15700

可见N2只是N1的万分之几，可近似的把能级E2看成是空能级。

而能级E3的寿命较长，因此，钕玻璃和掺钕钇铝石榴石比红宝石容易实现粒子数反转，而形成所需要的泵浦光强亦比红宝石低很多。

大多数气体工作物质也是是能级系统。

可知，要获得激光，首先要有激光工作物质，并在外界能源的激励下实现反转分布，这是产生激光的内因。

从如何实现粒子反转分布的讨论中看出，四能级系统的激光工作物质较易实现粒子反转。

（3）调谐/调Q激光器

调谐激光器：

是指在一定范围内可以连续改变激光输出波长的激光器（见激光）。

这种激光器的用途广泛，可用于光谱学、光化学、医学、生物学、集成光学、污染监测、半导体材料加工、信息处理和通信等。

调Q激光器：

调Q技术又叫Q开关技术，是将一般输出的连续激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中发射，从而使光源的峰值功率可提高几个数量级的一种技术。

使用调Q技术的激光器即为调Q激光器。

（4）激活剂/敏化剂

激活剂：

凡是能提高酶活性的物质都被称为激活剂。

敏化剂：

把某种离子掺杂到基质中，此离子可以吸收激发辐射然后把能量传给激活剂，这种离子称为敏化剂。

以上就是关于激光以及激光材料的一些基本介绍。

目前，对于激光的应用正处在蓬勃发展阶段，我们有理由相信，随着科学技术的发展，激光的作用将会更大。

参考文献：

[1]张明山，徐明才.激光技术在飞机制造中的应用.国防工业出版社，1991.

[2]徐军.激光材料科学与技术前言.上海交通大学出版社，2007.

[3]施剑林，冯涛.无机化学透明材料：

透明陶瓷.上海科学普及出版社，2008.