自1958年肖洛（A. Schalow）和湯斯（C. Townes）首先描述光頻下產生雷射作用條件的論文，到1960年美國物理學家梅曼（Maiman）研製成功世界上第一台以紅寶石（Cr：Al2O3）為工作物質的固體雷射器，宣告了雷射器的誕生。隨後，各種類型的雷射器，如氣體雷射器、半導體雷射器、光纖雷射器等相繼問世，極大地推動了雷射科學和技術的蓬勃發展。進入20世紀80年代後期，隨著半導體雷射器等技術的重大突破，使半導體雷射器泵浦的固體雷射器（LDPSSL、DPL）取得了重大進展。這是一種結構緊湊、效率高、壽命長、光束質量高的新型雷射器件，在空間通信、材料加工、醫療、光纖通信、光纖特性檢測、光學圖像處理、雷射列印、大氣研究、軍事和國防等領域有著廣泛的套用，且已成為目前固體雷射器的主要研究與發展方向。
基本介紹
- 中文名：固體雷射材料
- 外文名：Solid laser material
- 時間：1958年
- 人物：肖洛和湯斯
- 套用：固體雷射器
- 特點：結構緊湊、效率高、壽命長
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國際環境
固體雷射材料是固體雷射器的核心。雷射材料有時也包括透明視窗的紅外晶體，它們是氣體雷射器和化學雷射器的關鍵材料。特別在發展強雷射時，固體雷射材料有明顯的軍用背景，所以這些材料的研究和製造帶有壟斷性。特別在美、蘇兩個超級大國爭霸時，競爭激烈。所以，雷射材料的原創性的研究工作主要在美國和蘇聯，特別與強雷射有關的材料製造如雷射玻璃，基本上控制在美國和蘇聯的政府部門。歷年來美國的大尺寸、高質量的摻釹雷射玻璃是由H本保谷(Hoya)玻璃公司和德國肖特(Schott)玻璃公司製造和供貨的．但是它們的開發和生產部分皆在美國，由美國能源部控制，至今對中國還是實行禁運的。保谷和肖特公司分別位於日本東京和德國梅茨(Mainz)的總部和研究室。蘇聯的雷射玻璃研究、開發和生產都在蘇聯國家光學研究所控制下，一般不接待外賓。
主要特性
固體雷射材料由基質材料和激活離子兩部分組成，其中基質材料決定了工作物質的各種物理化學性質，而激活離子主要決定了工作物質的光譜性質。因此，對固體雷射材料的要求主要歸結為以下幾點：
(1)為充分利用泵浦光能量，要求雷射材料在泵浦光的輻射區有較大的吸收截面。
(2)為獲得較低的閾值和儘可能高的雷射輸出功率，摻入的激活離子必須具有有效的激勵光譜和較大的受激發射截面。
(3)要求有害雜質氣泡、條紋、光學不均勻性等缺陷儘可能少，內應力小，在材料中不產生人射光的波面畸變和偏振態的變化。
(4)具有高的螢光量子效率。
(5)具有良好的物理、化學和力學性能，特別是要求具有良好的熱學穩定性，熱導率高，熱膨脹係數小，熱效應不顯著。
(6)容易生長出大尺寸材料，且製備工藝簡單，易於光學加工，成本低廉。
分類
雷射材料是把各種激發能量(電、光、射線)或泵浦能量轉換成雷射的材料，即雷射器的工作物質。雷射材料主要是凝聚態物質，又以固體物質為最主要，其具有激活離子濃度高，振盪頻頻寬並能產生譜線窄的光脈衝，而且具有良好的力學性能和穩定的化學性能。
固體雷射材料分為兩類。一類是以電激勵為主的半導體雷射材料，一般採用異質結構，由半導體薄膜組成，用外延方法和氣相沉積方法製得。另一類是通過分立發光中心吸收光泵能量後轉換成雷射輸出的發光材料。這類材料以固體電介質為基質，分為單晶體、玻璃以及近些年發展起來的透明多晶陶瓷三種。
晶體雷射材料
雷射晶體由發光中心和基質晶體(即有序結構的固體)組成。基質晶體是組成晶格的主組分，其作用主要是為激活離子提供一個適當的晶格場。發光中心實際上少量摻雜離子，稱為激活離子。激活離子部分取代基質晶體中的陽離子形成摻雜型雷射晶體。當激活離子是基質組分的一部分時，則構成自激活雷射晶體。雷射的波長主要取決於激活離子的內部能級結構，但基質晶體、激活離子濃度和溫度等因素均對雷射波長有影響。這是因為雷射活離子受到不同晶格場的作用，其光譜性質便發生變化，雷射波長也有差別。離子在晶格場中，其能級中的大部分簡併態將發生分裂，這便影響了激活離子的能級結構，出現精細光譜。另一方面，材料的物理化學性質主要決定於基質晶體，但摻入激活離子亦將影響其結構穩定性和晶體熱學性質等。
