[科普中国]-激光晶体

激光晶体（laser crystal），可将外界提供的能量通过光学谐振腔转化为在空间和时间上相干的具有高度平行性和单色性激光的晶体材料。是晶体激光器的工作物质。

组成激光晶体由发光中心和基质晶体两部分组成。大部分激光晶体的发光中心由激活离子构成，激活离子部分取代基质晶体中的阳离子形成掺杂型激光晶体。激活离子成为基质晶体组分的一部分时，则构成自激活激光晶体。

主要元素激光晶体所用的激活离子主要为过渡族金属离子和三价稀土离子。过渡族金属离子的光学电子是处于外层的3d电子，在晶体中这种光学电子易受到周围晶场的直接作用，所以在不同结构类型的晶体中，其光谱特性有很大差异。三价稀土离子的4f电子受到5s和5p外层电子的屏蔽作用，使晶场对其作用减弱，但晶场的微扰作用使本来禁戒的4f电子跃迁成为可能，产生窄带的吸收和荧光谱线。所以三价稀土离子在不同晶体中的光谱不像过渡族金属离子变化那么大。激光晶体所用的基质晶体主要有氧化物和氟化物。作为基质晶体除要求其物理化学性能稳定，易生长出光学均匀性好的大尺寸晶体，且价格便宜，但要考虑它与激活离子间的适应性，如基质阳离子与激活离子的半径、电负性和价态应尽可能接近。此外，还要考虑基质晶场对激活离子光谱的影响。对于某些具有特殊功能的基质晶体，掺入激活离子后能直接产生具有某种特性的激光，如在某些非线性晶体中，激活离子产生激光后通过基质晶体能直接转换成谐波输出。使用较多的是：Nd:YAG, Nd:YVO4。1

性能一般的激光晶体都是YAG材料，叫钇铝石榴石。

作为工业上使用较多的都是高掺钇铝石榴石，也就是说掺入不同的元素来达到不同的效果；作为工业激光，关注以下性能：

1、在相同的输入功率下，生热量底

2、棒体打磨，特别是端面精度要高

3、掺杂浓度高(比如YD，可达30at.%以上)，有较长的荧光寿命

4、晶体光谱简单，无激发态吸收和上转换，且无荧光浓度猝灭

应用

一、Nd:YAG晶体是目前综合性能最好的固体激光材料，具有高增益、低阈值、高效率、低损耗、热导率和抗热冲击性好的特性，适合多种激光工作模式（连续、脉冲、Q开关、锁模、倍频等），广泛应用于工业、医疗、军事和科研领域。

Nd:YAG的特性

1、高增益

2、低阈值

3、高效率

4、低损耗

5、热导率高

6、抗热冲击性好

二、Nd,Ce:YAG掺钕和铈钇铝石榴石)激光棒是重复频率风冷激光器最理想的工作物质，广泛用于小型激光测距机和激光医疗仪

Nd,Ce：YAG的优势

1、高效率，低阈值

2、高光学质量

3、良好的抗紫外辐射特性

4、良好的热稳定性

5、重复频率特性好

三、YCr4+:YAG晶体是一种优秀的激光晶体。它适用于Q开关、二极管泵浦、Nd:YAG、Nd:YLF、Nd:YVO4泵浦灯及其他掺杂Nd或Yb的波长0.8-1.2um的激光器。它具有极高的稳定性与可靠性、寿命长、抗损伤的特性，它将是一种理想的被动Q开关材料。

YCr4+:YAG的优势

1、寿命长

2、抗损伤

3、高稳定性

4、高可靠性

四、Er:YAG是一种优良的2.94μm激光晶体，广泛应用于激光医疗系统及其它领域。Er:YAG晶体是3mm激光的最重要工作物质,并且具有斜率效率高、可在室温下激光工作、激光波长处在人眼安全波段范围内等特点。2.94mm Er:YAG激光已经大量用于医学领域中外科手术、皮肤科美容、牙科等治疗。

Er:YAG的优势

1、高斜率效率

2、室温工作

3、激光工作波长对人眼相对安全

五、Yb:YAG是一种很有前途的激光材料，它比传统的掺Nd激光材料更适合二极管泵浦。与常用的Nd：YAG晶体相比，Yb:YAG的二极管泵浦吸收带带宽，能有效降低激光二极管热管理要求。它具有较长的高激光能级寿命，每单位泵浦功率的热负荷低3－4倍。掺镱YAG晶体被期望替代掺钕YAG晶体用于高功率的二极管激光器，以及其它相关的应用中。

Yb:YAG的优势

1、高斜率效率

2、高光学质量

3、热导率高，机械强度高

4、无激发态吸收和上转换

5、单位泵浦功率产生的热负荷比Nd:YAG晶体低

6、二极管泵浦吸收带宽约8nm@940nm

7、适合常用的高功率InGaAs激光二极管（波长940nm或970nm）泵浦

六、CTH:YAG（Cr,Tm,Ho:YAG）为近年来固体激光研究的热点领域之一,其产生2.1μm波长激光的优良晶体，以其为工作物质的2.1μm激光在医学、光通讯、遥感和激光雷达、激光化学、激光光谱、材料加工等方面显出重要的应用前景。

CTH:YAG的主要优点

1、脉冲输出能量高

2、适合重复频率工作

3、可于室温高效率工作

4、适合灯泵浦，也可以适用二极管泵浦

5、激光工作的波长对人眼相对较为安全

七、Nd:YLF晶体是连续激光、锁模激光的理想激光晶体材料，它的热透镜效应非常小，荧光线宽宽，输出线偏振光。Nd:YLF能够产生1047nm和1053nm波长激光，在惯性约束激光聚变科研项目中获得重要应用。 Nd:YLF晶体的主要优点

1、相对小的受激发射截面

2、超大荧光线宽,连续激光应用等有较低的激发光阈值

3、有效地单模工作，输出高功率和低光束发散角

4、输出线偏振激光有利于获得高效率Q开关和倍频输出

5、大直径圆棒或大尺寸板条同样获得均匀模式激光输出

6、适合作为高功率钕玻璃激光系统振荡器和预放器。

八、Nd:YVO: 与Nd:YAG相比Nd:YVO4对泵浦光有更大的受激发射截面和较高的吸收系数。它是一种性能优良的激光晶体，适合制造激光二极管泵浦，特别是中低功率的激光器。可以制成输出近红外、绿色、蓝色到紫外线等类型的全固态激光器。现在Nd:YVO4激光器已经在材料加工、机械、晶片检验、医学检验等多个领域得到广泛应用，而且Nd:YVO4二极管泵浦固态激光器正在迅速取代传统的水冷离子激光器和灯泵浦激光器的市场。 Nd:YVO4的主要优点

1、光损伤阈值低，高斜率效率

2、为双轴晶体输出为线偏振

3、低频泵浦波长，易于单模输出

4、受激发射截面大，泵浦波长线宽的吸收高

5、在808nm的泵浦宽带为Nd:YAG的5倍

6、在1064nm处的受激发射截面是Nd:YAG的3倍

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学