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激光介绍:科学知识之晶体的应用

发布者:华首光电 时间:2015-09-29 14:02:25

激光网讯:激光是一种很奇妙的“物质”,是人类继原子能、计算机和半导体之后人类的又一伟大发现。

  人们都知道,激光亮度极高,可以达到太阳亮度的10亿倍甚至更高;激光纯净无比,单色性极好;激光具有无比的准直性(直线传播);而且,激光的能量强大,瞬间爆发的能量,即使最坚硬的物体也能够被穿透、熔化。因此,激光在生产、生活和科研中的应用十分广泛,是人们探索自然的强兵利器。

  产生激光的设备称为激光器。激光器按照工作物质,可分为气体激光器、固体激光器、液体激光器和半导体激光器。按工作方式分为连续、脉冲式及超脉冲激光器。常见激光器有氦氖激光器、二氧化碳激光器、红宝石激光器、钕玻璃激光器等,下图是固体激光器的工作原理示意图。

  晶体材料在激光器中的应用是非常广泛的,在激光器中所用的晶体是激光晶体(lasercrystal),它是一种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。例如20世纪60年代问世的第一台激光器用的就是红宝石(Cr:Al2O3)晶体。

  到了20世纪70年代掺钕钇铝石榴石(Nd:ku娱乐官网)晶体诞生使得固体激光开始大力发展;20世纪80年代掺钛蓝宝石(Ti:Al2O3)晶体的出现使超短、超快和超强激光成为可能,并使得飞秒激光科学技术蓬勃发展并渗透到各种基础和应用学科领域;20世纪90年代研制的掺钕矾酸钇(Nd:YVO4)晶体使固体激光器的发展进入新时期——全固态激光科学技术。下图就是特殊设计的激光器,中间部分是激光晶体。

  在当前的各种激光器中,全固态激光器是最有前途的激光器。而激光晶体就是全固态工作的核心部件。

  在微观结构上看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。

  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。

  进入新世纪,激光和激光科学技术正以其强大的生命力推动着光电子技术和产业的发展,激光材料也在单晶、玻璃、光纤、陶瓷等四方面全方位迅猛展开,如微-纳米级晶界、完整性好、制作工艺简单的多晶激光陶瓷和结构紧凑、散热好、成本低的激光光纤,正在向占据激光晶体首席地位达40年之久的Nd:ku娱乐官网发出强有力的挑战,因此,如何提高激光晶体的质量,生产效率,如何优化晶体的生长工艺,已经成为了全世界研究的热门话题。