光电子材料-第2章固体激光材料及典型固体激光器

第第第第2222章章章章固体激光材料固体激光材料固体激光材料固体激光材料及典型固体激光器及典型固体激光器及典型固体激光器及典型固体激光器
第2章固体激光材料及典型固体激光器
2.1固体激光材料
2.1.1固体激光材料的主要特性
2.1.2激光晶体
2.1.3激光玻璃
2.1.4激光陶瓷
2.1.5固体激光材料热效应研究的实例

2.2固体激光器
2.2.1固体激光器的结构与基本原理
2.2.2固体激光器的能量转换及其工作特性
2.2.3Nd:YAG激光器
2.2.4Nd:GdVO4激光器
2.2.5钛宝石激光器2.1固体激光材料2.1.1固体激光材料的主要特性
(1)激光材料在泵浦光的辐射区有较大的吸收截面；
(2)掺入的激活离子必须具有有效的激励光谱和较大的受激发射截面；
(3)要求有害杂质、气泡、条纹、光学不均匀性等缺陷尽可能少；
(4)具有高的荧光量子效率；
(5)具有良好的物理、化学和机械性能，特别是要求具有良好的热学稳定性；
(6)容易生长出大尺寸材料，且制备工艺简单，易于光学加工，成本低廉。激活剂的特点：1、在光源辐射区有较强的吸收，而在发射波段上无吸收；2、要有较强的荧光辐射，高的量子效率（发射的光子数/吸收的光子数）。一、激活离子一、激活离子1.1.稀土离子稀土离子稀土离子稀土离子稀土离子稀土离子稀土离子稀土离子••钕钕钕钕（（（（钕钕钕钕（（（（NdNd33＋＋＋＋＋＋＋＋））））））））

实现了实现了实现了实现了实现了实现了实现了实现了100100多种基质中获得受激发射多种基质中获得受激发射多种基质中获得受激发射多种基质中获得受激发射多种基质中获得受激发射多种基质中获得受激发射多种基质中获得受激发射多种基质中获得受激发射

以以以以以以以以0.9um0.9um，，，，，，，，1.06um1.06um，，，，，，，，1.35um1.35um为中心为中心为中心为中心，，，，可实现若干频率的受可实现若干频率的受可实现若干频率的受可实现若干频率的受为中心为中心为中心为中心，，，，可实现若干频率的受可实现若干频率的受可实现若干频率的受可实现若干频率的受激发射激发射激发射激发射激发射激发射激发射激发射••铒铒铒铒（（（（铒铒铒铒（（（（ErEr33＋＋＋＋＋＋＋＋））））））））

实现了实现了实现了实现了实现了实现了实现了实现了YAGYAG，，，，，，，，YLFYLF，，，，，，，，YAPYAP，，，，，，，，LaFLaF33，，，，，，，，CaWOCaWO44，，，，，，，，CaFCaF22，，，，玻璃基玻璃基玻璃基玻璃基，，，，玻璃基玻璃基玻璃基玻璃基质中的受激发射质中的受激发射质中的受激发射质中的受激发射。。。。质中的受激发射质中的受激发射质中的受激发射质中的受激发射。。。。

1.53~1.66um1.53~1.66um内实现激光发射内实现激光发射内实现激光发射内实现激光发射，，，，属人眼安全波长属人眼安全波长属人眼安全波长属人眼安全波长。。。。内实现激光发射内实现激光发射内实现激光发射内实现激光发射，，，，属人眼安全波长属人眼安全波长属人眼安全波长属人眼安全波长。。。。

常用的常用的常用的常用的常用的常用的常用的常用的ErEr33＋＋＋＋＋＋＋＋:YAG:YAG经敏化经敏化经敏化经敏化，，，，最易其振最易其振最易其振最易其振，，，，输出波长为输出波长为输出波长为输出波长为经敏化经敏化经敏化经敏化，，，，最易其振最易其振最易其振最易其振，，，，输出波长为输出波长为输出波长为输出波长为2.9um2.9um。。。。。。。。••钬钬钬钬（（（（钬钬钬钬（（（（HoHo33＋＋＋＋＋＋＋＋））））））））

掺掺掺掺掺掺掺掺ErEr：：：：：：：：TmTm：：：：：：：：HoHo的的的的的的的的YAGYAG和和和和和和和和YLFYLF，，，，输出波长输出波长输出波长输出波长，，，，输出波长输出波长输出波长输出波长2um2um

掺掺掺掺掺掺掺掺CrCr代替代替代替代替代替代替代替代替ErEr敏化敏化敏化敏化，，，，敏化敏化敏化敏化，，，，CrCr：：：：：：：：TmTm：：：：：：：：YAGYAG激光器可有效吸收闪光灯激光器可有效吸收闪光灯激光器可有效吸收闪光灯激光器可有效吸收闪光灯激光器可有效吸收闪光灯激光器可有效吸收闪光灯激光器可有效吸收闪光灯激光器可有效吸收闪光灯泵浦能量泵浦能量泵浦能量泵浦能量。。。。输出波长输出波长输出波长输出波长泵浦能量泵浦能量泵浦能量泵浦能量。。。。输出波长输出波长输出波长输出波长2.1um2.1um。。。。。。。。§1.3固体工作物质1.稀土离子••铥铥铥铥（（（（铥铥铥铥（（（（TmTm33＋＋＋＋＋＋＋＋））））））））

与与与与与与与与CrCr或或或或或或或或HoHo一起实现一起实现一起实现一起实现一起实现一起实现一起实现一起实现YAGYAG，，，，，，，，YLFYLF的高效闪光灯及二极管泵浦的高效闪光灯及二极管泵浦的高效闪光灯及二极管泵浦的高效闪光灯及二极管泵浦的高效闪光灯及二极管泵浦的高效闪光灯及二极管泵浦的高效闪光灯及二极管泵浦的高效闪光灯及二极管泵浦激光输出激光输出激光输出激光输出。。。。激光输出激光输出激光输出激光输出。。。。

二极管泵浦二极管泵浦二极管泵浦二极管泵浦二极管泵浦二极管泵浦二极管泵浦二极管泵浦TmTm：：：：：：：：YAGYAG实现实现实现实现实现实现实现实现2.01um2.01um输出输出输出输出输出输出输出输出

二极管泵浦二极管泵浦二极管泵浦二极管泵浦二极管泵浦二极管泵浦二极管泵浦二极管泵浦TmTm：：：：：：：：HoHo：：：：：：：：YAGYAG实现实现实现实现实现实现实现实现2.09um2.09um输出输出输出输出输出输出输出输出

高效闪光灯泵浦高效闪光灯泵浦高效闪光灯泵浦高效闪光灯泵浦高效闪光灯泵浦高效闪光灯泵浦高效闪光灯泵浦高效闪光灯泵浦CrCr：：：：：：：：TmTm：：：：：：：：YAGYAG实现实现实现实现实现实现实现实现1.945um1.945um和和和和和和和和1.965um1.965um的可调输出的可调输出的可调输出的可调输出的可调输出的可调输出的可调输出的可调输出••镨镨镨镨镨镨镨镨PrPr33＋＋＋＋＋＋＋＋，，，，钆钆钆钆，，，，钆钆钆钆GdGd33＋＋＋＋＋＋＋＋，，，，铕铕铕铕，，，，铕铕铕铕EuEu33＋＋＋＋＋＋＋＋，，，，镱镱镱镱，，，，镱镱镱镱YbYb33＋＋＋＋＋＋＋＋，，，，铈铈铈铈，，，，铈铈铈铈CeCe33＋＋＋＋＋＋＋＋

二极管泵浦的二极管泵浦的二极管泵浦的二极管泵浦的二极管泵浦的二极管泵浦的二极管泵浦的二极管泵浦的YbYb：：：：：：：：YAGYAG激光器激光器激光器激光器激光器激光器激光器激光器

二极管泵浦的掺二极管泵浦的掺二极管泵浦的掺二极管泵浦的掺二极管泵浦的掺二极管泵浦的掺二极管泵浦的掺二极管泵浦的掺YbYb的光纤激光器的光纤激光器的光纤激光器的光纤激光器的光纤激光器的光纤激光器的光纤激光器的光纤激光器••钐钐钐钐钐钐钐钐SmSm22＋＋＋＋＋＋＋＋，，，，镝镝镝镝，，，，镝镝镝镝diDydiDy22＋＋＋＋＋＋＋＋，，，，铥铥铥铥，，，，铥铥铥铥TmTm22＋＋＋＋＋＋＋＋

液氮冷却的作用下液氮冷却的作用下液氮冷却的作用下液氮冷却的作用下，，，，液氮冷却的作用下液氮冷却的作用下液氮冷却的作用下液氮冷却的作用下，，，，CaFCaF22中产生过激光作用中产生过激光作用中产生过激光作用中产生过激光作用。。。。中产生过激光作用中产生过激光作用中产生过激光作用中产生过激光作用。。。。§1.3固体工作物质2.2.锕系离子锕系离子锕系离子锕系离子锕系离子锕系离子锕系离子锕系离子掺掺掺掺掺掺掺掺0.05%0.05%铀铀铀铀（（（（铀铀铀铀（（（（UU））））的的的的））））的的的的CaFCaF22成功用于激光器成功用于激光器成功用于激光器成功用于激光器，，，，输出输出输出输出成功用于激光器成功用于激光器成功用于激光器成功用于激光器，，，，输出输出输出输出2.6um2.6um。。。。。。。。3.3.过渡金属过渡金属过渡金属过渡金属过渡金属过渡金属过渡金属过渡金属铬铬铬铬（（（（铬铬铬铬（（（（CrCr3+3+))

红宝石红宝石红宝石红宝石（（（（红宝石红宝石红宝石红宝石（（（（CrCr3+3+：：：：：：：：ALAL22OO33），），），），紫翠宝石紫翠宝石紫翠宝石紫翠宝石（（（（绿宝石绿宝石绿宝石绿宝石，，，，金金金金），），），），紫翠宝石紫翠宝石紫翠宝石紫翠宝石（（（（绿宝石绿宝石绿宝石绿宝石，，，，金金金金绿宝石绿宝石绿宝石绿宝石，，，，翠绿宝石翠绿宝石翠绿宝石翠绿宝石，，，，绿宝石绿宝石绿宝石绿宝石，，，，翠绿宝石翠绿宝石翠绿宝石翠绿宝石，，，，CrCr33＋＋＋＋＋＋＋＋：：：：：：：：BeAlBeAl22OO44））））））））

钛蓝宝石钛蓝宝石钛蓝宝石钛蓝宝石（（（（钛宝石钛宝石钛宝石钛宝石，，，，钛蓝宝石钛蓝宝石钛蓝宝石钛蓝宝石（（（（钛宝石钛宝石钛宝石钛宝石，，，，TiTi33＋＋＋＋＋＋＋＋：：：：：：：：AlAl22OO33））））））））

Nd:YAGNd:YAG泵浦的泵浦的泵浦的泵浦的泵浦的泵浦的泵浦的泵浦的CoCo2+2+:MgF:MgF22激光器激光器激光器激光器。。。。激光器激光器激光器激光器。。。。二、基质材料为激活离子提供合适的配位场：
适合作为激光离子的基质晶体的选择原则：①①①①①①①①掺杂后晶体必须具有均匀的折射率掺杂后晶体必须具有均匀的折射率掺杂后晶体必须具有均匀的折射率掺杂后晶体必须具有均匀的折射率掺杂后晶体必须具有均匀的折射率掺杂后晶体必须具有均匀的折射率掺杂后晶体必须具有均匀的折射率掺杂后晶体必须具有均匀的折射率②②②②②②②②晶体的机械晶体的机械晶体的机械晶体的机械、、、、热性能容许高功率工作热性能容许高功率工作热性能容许高功率工作热性能容许高功率工作（（（（热导率热导率热导率热导率，，，，硬度和抗裂硬度和抗裂硬度和抗裂硬度和抗裂晶体的机械晶体的机械晶体的机械晶体的机械、、、、热性能容许高功率工作热性能容许高功率工作热性能容许高功率工作热性能容许高功率工作（（（（热导率热导率热导率热导率，，，，硬度和抗裂硬度和抗裂硬度和抗裂硬度和抗裂强度强度强度强度））））强度强度强度强度））））③③③③③③③③晶体的晶格能够接收掺杂离子晶体的晶格能够接收掺杂离子晶体的晶格能够接收掺杂离子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局部晶体场感应出期望光谱局部晶体场感应出期望光谱局部晶体场感应出期望光谱晶体的晶格能够接收掺杂离子晶体的晶格能够接收掺杂离子晶体的晶格能够接收掺杂离子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局部晶体场感应出期望光谱局部晶体场感应出期望光谱局部晶体场感应出期望光谱特性所需的强度特性所需的强度特性所需的强度特性所需的强度。。。。一般一般一般一般，，，，截面接近截面接近截面接近截面接近特性所需的强度特性所需的强度特性所需的强度特性所需的强度。。。。一般一般一般一般，，，，截面接近截面接近截面接近截面接近1010－－－－－－－－2020cmcm22。。。。。。。。④④④④④④④④生长出足够尺寸的高质量晶体生长出足够尺寸的高质量晶体生长出足够尺寸的高质量晶体生长出足够尺寸的高质量晶体。。。。对于对于对于对于生长出足够尺寸的高质量晶体生长出足够尺寸的高质量晶体生长出足够尺寸的高质量晶体生长出足够尺寸的高质量晶体。。。。对于对于对于对于13001300℃℃℃℃℃℃℃℃下可均匀熔化的下可均匀熔化的下可均匀熔化的下可均匀熔化的下可均匀熔化的下可均匀熔化的下可均匀熔化的下可均匀熔化的晶体晶体晶体晶体，，，，容易采用合适的生长技术容易采用合适的生长技术容易采用合适的生长技术容易采用合适的生长技术。。。。晶体晶体晶体晶体，，，，容易采用合适的生长技术容易采用合适的生长技术容易采用合适的