第二讲 固体激光材料PPT课件

1、.,1,第2讲 固体激光材料,.,2,一代材料，一代器件 激光技术的发展离不开激光材料的发现 钛宝石晶体-超快激光技术,.,3,激光材料发展趋势,.,4,激光材料主要参数及其含义,.,5,固体工作物质,2.1 概述 2.2 红宝石 2.3 掺钕钇铝石榴石 2.4 钕玻璃 2.5 其它掺钕工作物质 2.6 其它固体激光工作物质,.,6,2.1概述,对固体激光工作物质的一般要求 基质与激活离子 正分高浓度激光晶体 多掺和敏化 工作物质的劣化与破坏 工作物质几何尺寸和加工要求,.,7,具有高的荧光量子效率； 光学质量高,缺陷少,内应力小.在材料中不产生入射光的波面畸变； 在激光工作频率范围透明； 掺

2、入的激活离子具有有效的激励光谱和较大的受激发射截面； 能掺入较高浓度的激活离子,浓度猝灭效应小,荧光寿命足够长； 具有良好的物理、化学和机械性能.热导率高,热膨胀系数小,化学稳定性好,机械强度高,耐水性好,熔点高,能承受高功率密度等； 制备工艺简单,加工容易,成本低,并可获得足够大的尺寸.,对固体激光材料的基本要求,.,8,固体激光工作物质,固体激光工作物质由基质材料和激活离子两部分组成。 基质材料：其作用主要是为激活离子提供一个适当的晶格场。决定工作物质的各种物理化学性质； 激活离子：发光中心，实际上是少量掺杂离子，称为激活离子。激光的波长主要取决于激活离子的能级结构。,.,9,基质材料,固

3、体基质材料分为晶体和玻璃、陶瓷 基质与激活离子之间的匹配，事实上限制了激光材料组合的数量。,.,10,晶体,适合作为激光离子的基质晶体的选择原则： 掺杂后晶体必须具有均匀的折射率 晶体的机械、热性能容许高功率工作（热导率，硬度和抗裂强度） 晶体的晶格能够接收掺杂离子，局部晶体场感应出期望光谱特性所需的强度。 生长出足够尺寸的高质量晶体。对于1300下可均匀熔化的晶体，容易采用合适的生长技术。,.,11,晶体,氧化物 磷酸盐，硅酸盐 钨酸盐，钼酸盐，钒酸盐和铍酸盐 氟化物,.,12,氧化物晶体,蓝宝石（Al2O3） 质硬，导热率高 Al容易被过渡金属离子取代，Al相对稀土离子较小，不可能得到高掺

4、杂浓度。 以红宝石（Cr:Al2O3)，和钛宝石(Ti:Al2O3)为代表。 石榴石 性能稳定，质硬，热导率高 光学各向同性 有钇铝石榴石Y3Al5O12(YAG)，钆镓石榴石Gd3Ga5O12(GGG)和钆钪铝石榴石Gd3Sc2Al3O12(GSGG)。 Nd3:YAG，阈值低，增益高，处于固体激光材料垄断地位， YAG中也可掺铒Er3，铥Tm3，钬Ho3和镱Yb3。 同时掺Cr3的Nd:GSGG，可显著提高对闪光灯的吸收。,.,13,氧化物晶体,3. 铝酸钇YAlO3(YAP) Y2O3和Al2O3，1:1混合物，负单轴晶体 可线偏振光输出 生长快速 物理和机械性质与YAG类似 可选择不同

5、的结晶方向，得到不同的光谱特性，实现高增益，低阈值或者调Q所需的低增益，大储能。 可掺杂Nd3，Er3，Tm3，Ho3。,.,14,晶体氧化物,4. 硫氧化物 稀土硫氧化物，如硫氧化镧，硫氧化镥，硫氧化钇，均有相同晶体结构，为单轴晶体。 稀土激活离子在稀土硫化物基质中可形成任意浓度的固体 硫氧化镧，硫氧化镥，硫氧化钇，硫氧化钆可透过0.35um7um波长。 Nd:LOS(La2O2S)的1.075um波长处激光跃迁截面约为Nd:YAG的1/3。,.,15,磷酸盐和硅酸盐晶体,掺Nd3+氟磷酸钙Ga5（PO4）F3，阈值低，斜率效率高，硬度低，易形成色心，热导率低，易造成热畸变。 硅酸氧磷灰石C

6、aLaSOAP，质硬，热导率低，为YAG的1/9。储能为YAG的5倍，晶体生长速度3mm/h。光学质量好。抗激光损伤阈值低。 五磷酸钕盐类，YNdP5O14,LaNdP5O14和ScNdP5O14，高增益。例如： ScNdP5O14在mW氩离子激光器泵浦下可实现阈值输出。,.,16,钨酸盐，钼酸盐，钒酸盐和铍酸盐,掺Nd的CaWO4，YAG之前常用的基质材料。加入Na+，补充电荷。质脆。 钠稀土钨酸盐和钼酸盐NaLa(MoO4)2, NaGd(WO4)2, NaNd(WO4)2，掺杂Nd，曾观测到激光作用。 掺Nd的YVO4，阈值很低，晶体生长困难。受激辐射截面大，对二极管泵浦波长的吸收高。

7、铍酸盐La2Be2O5(BEL)，容易生长，截面和热导率远小于YAG，因此没有实际应用，Nd：BEL为双轴晶体，折射率系数有正有负，可通过设计光路消除热透镜效应。,.,17,氟化物晶体,掺Nd，氟化钇锂YLiF4（YLF） 单轴晶体 偏振输出 荧光寿命是YAG的两倍，储能高， 热机械性能不如YAG,.,18,玻璃,大尺寸。可以生产长1m，直径10cm的棒；直径90cm，厚几厘米的叠片。 优越的光学质量，波前畸变小 易于制造 容易进行光学抛光 荧光线宽宽，阈值高 热导率低，热致双折射引起的光学畸变严重。 可以掺Nd3+，Yb3+，Er3+，Tm3+和Ho3+。,.,19,2.1.3 固体工作物质

8、,美国国家点火装置用磷酸盐玻璃,.,20,多晶陶瓷,Nd:YAG陶瓷微结构,Ann. Rev. Mater. Res 36, 397 (2006),陶瓷: 有精细的、方向随机的晶粒组成 (晶粒尺寸亚微米-数十微米),.,21,陶瓷特性,制造周期短, 潜在低成本 大尺寸，高浓度掺杂 优良的光学性能 优良的热性能,.,22,激活离子,稀土离子 钕（Nd3） 实现了100多种基质中获得受激发射 以0.9um，1.06um，1.35um为中心，可实现若干频率的受激发射 铒（Er3） 实现了YAG，YLF，YAP，LaF3，CaWO4，CaF2，玻璃基质中的受激发射。 1.531.66um内实现激光发射

9、，属人眼安全波长。 常用的Er3:YAG经敏化，最易其振，输出波长为2.9um。 钬（Ho3） 掺Er：Tm：Ho的YAG和YLF，输出波长2um 掺Cr代替Er敏化，Cr：Tm：YAG激光器可有效吸收闪光灯泵浦能量。输出波长2.1um。,.,23,激活离子,稀土离子 铥（Tm3） 与Cr或Ho一起实现YAG，YLF的高效闪光灯及二极管泵浦激光输出。 二极管泵浦Tm：YAG实现2.01um输出 二极管泵浦Tm：Ho：YAG实现2.09um输出 高效闪光灯泵浦Cr：Tm：YAG实现1.945um和1.965um的可调输出 镨Pr3，钆Gd3，铕Eu3，镱Yb3，铈Ce3 二极管泵浦的Yb：YAG

10、激光器 二极管泵浦的掺Yb的光纤激光器 钐Sm2，镝Dy2，铥Tm2 液氮冷却的作用下，CaF2中产生过激光作用。,.,24,激活离子,2. 锕系离子 掺0.05%铀（U）的CaF2成功用于激光器，输出2.6um。 3. 过渡金属 铬（Cr3+) 红宝石（Cr3+：AL2O3），紫翠宝石（绿宝石，金绿宝石，翠绿宝石，Cr3：BeAl2O4） 钛 （ Ti3) 钛蓝宝石（钛宝石，：AL2O3） Co2+:MgF2激光器。,.,25,正分高浓度激光晶体,激活离子本身是晶体组成部分的激光工作物质称为正分高浓度晶体。 可以实现高掺杂而无明显的浓度猝灭效应 高效率、低阈值 过磷酸盐，NdP5O14, C

11、eP5O14, PrP5O14 偏磷酸盐, LiNdP4O12, NaNdP4O12, KNdP4O12, 正磷酸盐, Na3Nd(PO4)2, K3Nd(PO4)2 硼酸盐, NdAl(BO3)4, NdCr(BO3)4, 钨酸盐、钼酸盐, Na5Nd(WO4)4, R5Nd(MoO4)4,.,26,多掺与敏化,敏化指在晶体中除了发光中心的激活离子外，再掺入一种或多种称为敏化剂的施主离子。 敏化剂主要作用是吸收激活离子不吸收的光谱能量，并将吸收到的能量转移给激活离子。 双掺或多掺杂晶体生长困难，工艺复杂。,.,27,工作物质的劣化与破坏,若输出效率下降过大，达50%以上，称为工作物质的劣化。

12、造成劣化原因主要为： (1) 色心吸收 光泵中紫外光的作用，工作物质的颜色会产生部分或全部变化，如红宝石由粉红变成橙色或棕色，Nd3+：YAG由淡紫色变为棕红色，钕玻璃由紫红色变成棕红色等，此现象称为色心。 (2) 杂质离子变价 杂质离子变价，可能产生对激光辐射的自吸收，使激光衰减。,1. 劣化,.,28,工作物质的劣化与破坏,破坏阈值 影响因素 工作物质本身：内部，表面 脉宽 谐振腔是否有聚焦点,.,29,3.破坏如何避免,注意表面加工质量,如划痕、疵点 注意激光光强，特别是超短脉冲 (3) 与光学谐振腔的腔型有关 为防止工作物质的自身破坏，主要措施是：提高工作物质的质量；尽量加长脉宽；防止

13、工作物质内部或附近有会聚中心，尽量采用发散光束或光强均匀且宽粗的光束通过工作物质；提高表面加工质量，并注意防止灰尘及其它物污染工作物质端面。,.,30,工作物质几何尺寸和加工要求,形状：圆柱棒，矩形片，圆片 圆柱棒 长径 散热，表面积大，散热好 阈值，棒细长，阈值低 经验：10:120:1 端面 平行度，510 粗糙度 60-40 scratch/dig 平整度:1/4波长 侧面 磨毛,.,31,2.2 红宝石,.,32,红宝石晶体结构,Cr3+:Al2O3 六方晶系，负单轴晶体(none) 粉红色 提拉法生长 可以获得大尺寸晶体,红宝石物理，化学特性,.,33,红宝石的基本物理化学特性,.,

14、34,红宝石激光性能能级结构,.,35,红宝石激光性能吸收光谱,.,36,红宝石激光性能主要参数,.,37,红宝石激光器特点,输出694.3nm波长的可见激光。光谱线宽0.010.1nm。易于接收和检测； 晶体升温时(大于50）时，荧光量子效率显著下降，谱线宽度增大，使激光输出水平下降甚至停振，故一般应采取冷却措施； 激发效率较低，不适合连续工作； 输出发散角较大，一般约为310mrad,.,38,中国第一台激光器(1961)-“小球照明红宝石”激光器在当时激发方式上，比国外激光器具有更好的激光效率,.,39,红宝石激光器的应用,眼科：用于视网膜的焊接，治疗青光眼，虹膜的切除等；,激光的首次在

15、医学上的成功应用是进行眼内手术，无需要切开眼球。早在1962年，一台红宝石激光器将病人脱落的视网膜与眼球重新连接，使他恢复了视力。,.,40,红宝石激光器医学应用,皮肤科：用于照射治疗； 激光去痣和激光美白：红宝石激光器波长为694.3nm的可见红光，这种波长的激光最不易被氧合血红蛋白吸收，而黑色素对其吸收率较高。 激光脱毛：临床常用其长脉冲模式，深入皮肤真皮层，破坏毛囊，永久性去除身体多余毛发；,.,41,全息术实验,用红宝石脉冲激光器拍摄的刚出壳的小鸡的反射全息图。,.,42,2.4钕玻璃,.,43,Nd:Glass的物理化学特性,硅酸盐，磷酸盐，氟酸盐，硼酸盐 掺杂浓度高，1wt5wt

16、光学均匀性好 各向同性 可以获得各种形状和尺寸,.,44,各种Nd:Glass的特性,.,45,国内具有自主知识产权的N31玻璃,激光波长：1054 nm 受激发射截面：4.010-20 cm2 上能态寿命：340 us 荧光线宽：20 nm 动态损耗：0.5% /cm,.,46,Nd:Glass激光性能能级结构,中心波长： 0.92um，1.06um，1.37um 吸收带宽和荧光线宽均增加,.,47,Nd:Glass激光性能吸收光谱,.,48,Nd:Glass激光性能主要参数,.,49,Nd:Glass在激光器中运用,脉冲运转 调Q 超短脉冲 板条激光器实现高重复率高功率输出,.,50,红宝

17、石，Nd:YAG和Nd:Glass比较,.,51,2.5其它掺钕工作物质,一、Nd:YAP 二、Nd:YLF 三、Nd:GGG 四、Nd:LMA,.,52,一、Nd:YAP,掺钕铝酸钇晶体Nd3：YAlO3 正交晶系，双轴晶体 线偏振光输出 物理机械性质与YAG相似,.,53,Nd:YAP的物理与化学特性,.,54,Nd:YAP的激光性能吸收光谱,.,55,Nd:YAP在激光器中应用,与Nd:YAG类似可以高功率输出 偏振输出 可以1.079um和1.37um双色输出 破坏阈值低，热效应较Nd:YAG严重,.,56,二、Nd:YLF,掺钕氟化钇锂Nd:YLiF4 单轴晶体 偏振输出 机械和热性

18、能比YAG差 损伤阈值高,.,57,Nd:YLF的物理化学特性,.,58,Nd:YLF的激光性能能级结构,.,59,Nd:YLF的激光性能主要参数,.,60,Nd:YLF在激光器中应用,大储能有利于二极管泵浦 中等能量Q开关输出 Q开关振荡器放大器结构,.,61,三、Nd:GGG,石榴石晶体： Gd3Ga5O12(GGG) Gd3Sc2Al3O12(GSAG) Gd3ScGa3O12(GSGG) 立方晶系 生长速度快，可以获得大尺寸 板条Nd:GGG可以获得千瓦输出,.,62,四、Nd:LMA,掺钕铝酸镁镧Nd3+:LaMgAl11O19 六方晶系，单轴晶体 掺杂浓度高：1.2E21cm-3 提拉法生长，可以得到大尺寸晶体 物化性能稳定，热导率高，可高功率输出 波长：1.054um和1.083um,.,63,Nd:LMA的吸收光谱,.,64,Nd:LMA的荧光光谱,.,65,2.6 其它固体激光工作物质,Er:YAG和铒玻璃 掺钴氟化镁和掺铬氟化锂锶铝 掺钛蓝宝石（