雷射晶體

雷射晶體（laser crystal），可將外界提供的能量通過光學諧振腔轉化為在空間和時間上相干的具有高度平行性和單色性雷射的晶體材料。是晶體雷射器的工作物質。

基本介紹

• 中文名：雷射晶體
• 外文名：laser crystal
• 性質：晶體材料
• 用途：是晶體雷射器的工作物質

組成

雷射晶體由發光中心和基質晶體兩部分組成。大部分雷射晶體的發光中心由激活離子構成，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。激活離子成為基質晶體組分的一部分時，則構成自激活雷射晶體。

主要元素

雷射晶體所用的激活離子主要為過渡族金屬離子和三價稀土離子。過渡族金屬離子的光學電子是處於外層的3d電子，在晶體中這種光學電子易受到周圍晶場的直接作用，所以在不同結構類型的晶體中，其光譜特性有很大差異。三價稀土離子的4f電子受到5s和5p外層電子的禁止作用，使晶場對其作用減弱，但晶場的微擾作用使本來禁戒的4f電子躍遷成為可能，產生窄帶的吸收和螢光譜線。所以三價稀土離子在不同晶體中的光譜不像過渡族金屬離子變化那么大。雷射晶體所用的基質晶體主要有氧化物和氟化物。作為基質晶體除要求其物理化學性能穩定，易生長出光學均勻性好的大尺寸晶體，且價格便宜，但要考慮它與激活離子間的適應性，如基質陽離子與激活離子的半徑、電負性和價態應儘可能接近。此外，還要考慮基質晶場對激活離子光譜的影響。對於某些具有特殊功能的基質晶體，摻入激活離子後能直接產生具有某種特性的雷射，如在某些非線性晶體中，激活離子產生雷射後通過基質晶體能直接轉換成諧波輸出。使用較多的是：Nd:YAG, Nd:YVO4。

性能

一般的雷射晶體都是YAG材料，叫釔鋁石榴石。

作為工業上使用較多的都是高摻釔鋁石榴石，也就是說摻入不同的元素來達到不同的效果；作為工業雷射，關注以下性能：

1、在相同的輸入功率下，生熱量底

2、棒體打磨，特別是端面精度要高

3、摻雜濃度高(比如YD，可達30at.%以上)，有較長的螢光壽命

4、晶體光譜簡單，無激發態吸收和上轉換，且無螢光濃度猝滅

套用

一、Nd:YAG晶體是目前綜合性能最好的固體雷射材料，具有高增益、低閾值、高效率、低損耗、熱導率和抗熱衝擊性好的特性，適合多種雷射工作模式（連續、脈衝、Q開關、鎖模、倍頻等），廣泛套用於工業、醫療、軍事和科研領域。

Nd:YAG的特性

1、高增益

2、低閾值

3、高效率

4、低損耗

5、熱導率高

6、抗熱衝擊性好

二、Nd,Ce:YAG摻釹和鈰釔鋁石榴石)雷射棒是重複頻率風冷雷射器最理想的工作物質，廣泛用於小型雷射測距機和雷射醫療儀

Nd,Ce：YAG的優勢

1、高效率，低閾值

2、高光學質量

3、良好的抗紫外輻射特性

4、良好的熱穩定性

5、重複頻率特性好

三、YCr4+:YAG晶體是一種優秀的雷射晶體。它適用於Q開關、二極體泵浦、Nd:YAG、Nd:YLF、Nd:YVO4泵浦燈及其他摻雜Nd或Yb的波長0.8-1.2um的雷射器。它具有極高的穩定性與可靠性、壽命長、抗損傷的特性，它將是一種理想的被動Q開關材料。

YCr4+:YAG的優勢

1、壽命長

2、抗損傷

3、高穩定性

4、高可靠性

四、Er:YAG是一種優良的2.94μm雷射晶體，廣泛套用於雷射醫療系統及其它領域。Er:YAG晶體是3mm雷射的最重要工作物質,並且具有斜率效率高、可在室溫下雷射工作、雷射波長處在人眼安全波段範圍內等特點。2.94mm Er:YAG雷射已經大量用於醫學領域中外科手術、皮膚科美容、牙科等治療。

Er:YAG的優勢

1、高斜率效率

2、室溫工作

3、雷射工作波長對人眼相對安全

五、Yb:YAG是一種很有前途的雷射材料，它比傳統的摻Nd雷射材料更適合二極體泵浦。與常用的Nd：YAG晶體相比，Yb:YAG的二極體泵浦吸收帶頻寬，能有效降低雷射二極體熱管理要求。它具有較長的高雷射能級壽命，每單位泵浦功率的熱負荷低3－4倍。摻鐿YAG晶體被期望替代摻釹YAG晶體用於高功率的二極體雷射器，以及其它相關的套用中。

Yb:YAG的優勢

1、高斜率效率

2、高光學質量

3、熱導率高，機械強度高

4、無激發態吸收和上轉換

5、單位泵浦功率產生的熱負荷比Nd:YAG晶體低

6、二極體泵浦吸收頻寬約8nm@940nm

7、適合常用的高功率InGaAs雷射二極體（波長940nm或970nm）泵浦

六、CTH:YAG（Cr,Tm,Ho:YAG）為近年來固體雷射研究的熱點領域之一,其產生2.1μm波長雷射的優良晶體，以其為工作物質的2.1μm雷射在醫學、光通訊、遙感和雷射雷達、雷射化學、雷射光譜、材料加工等方面顯出重要的套用前景。

CTH:YAG的主要優點

1、脈衝輸出能量高

2、適合重複頻率工作

3、可於室溫高效率工作

4、適合燈泵浦，也可以適用二極體泵浦

5、雷射工作的波長對人眼相對較為安全

七、Nd:YLF晶體是連續雷射、鎖模雷射的理想雷射晶體材料，它的熱透鏡效應非常小，螢光線寬寬，輸出線偏振光。Nd:YLF能夠產生1047nm和1053nm波長雷射，在慣性約束雷射聚變科研項目中獲得重要套用。　 Nd:YLF晶體的主要優點

1、相對小的受激發射截面

2、超大螢光線寬,連續雷射套用等有較低的激發光閾值

3、有效地單模工作，輸出高功率和低光束髮散角

4、輸出線偏振雷射有利於獲得高效率Q開關和倍頻輸出

5、大直徑圓棒或大尺寸板條同樣獲得均勻模式雷射輸出

6、適合作為高功率釹玻璃雷射系統振盪器和預放器。

八、Nd:YVO: 與Nd:YAG相比Nd:YVO4對泵浦光有更大的受激發射截面和較高的吸收係數。它是一種性能優良的雷射晶體，適合製造雷射二極體泵浦，特別是中低功率的雷射器。可以製成輸出近紅外、綠色、藍色到紫外線等類型的全固態雷射器。現在Nd:YVO4雷射器已經在材料加工、機械、晶片檢驗、醫學檢驗等多個領域得到廣泛套用，而且Nd:YVO4二極體泵浦固態雷射器正在迅速取代傳統的水冷離子雷射器和燈泵浦雷射器的市場。　 Nd:YVO4的主要優點

1、光損傷閾值低，高斜率效率

2、為雙軸晶體輸出為線偏振

3、低頻泵浦波長，易於單模輸出

4、受激發射截面大，泵浦波長線寬的吸收高

5、在808nm的泵浦寬頻為Nd:YAG的5倍

6、在1064nm處的受激發射截面是Nd:YAG的3倍