优质大尺寸Nd：YAG激光晶体的生长和物性研究.pdf

用多种形式的球面镜以获得质量更好的光束。泵浦手段(或称激发源)是使处于基态的 激光工作物质激发到高能激发态，实现所谓粒子数反转，从而使该工作物质具有增益， 通过谐振腔的J下反馈，产生受激振荡。 1．1．2 LD泵浦固体激光器 Diode 进入20世纪80年代，半导体激光器(LD：LaserOiode)及其列阵(LDA：Laser Array)研究工作的巨大进展极大地推动着固体激光器件、技术及应用的发展。在此基 Solid—state 础上出现的二极管泵浦的固体激光器(DPSSL：Diode Laser)因具 Pumped 有效率高、热效应小、器件结构紧凑、能获得高功率和高光束质量输出等优点，日益 成熟，成为光电子行业增长最快，最令人瞩目的领域之一。特别是大功率的DPSSL在 军事、医疗、科研等诸多领域有重要的用途，近年来成为国际上竟相研究开发的热点”1。 与传统的闪光灯相比，采用LD／LDA作泵浦源的最主要的优点是效率高。以掺钕(Nd“) 激光器为例，由于泵浦灯很宽的辐射光谱与钕离子吸收带匹配不好，通常灯泵浦的 Nd：YAG激光器总效率低于3％，并且大功率下热效应明显，光束质量和稳定性差。而 LD／LDA的发射谱线要窄许多(仅约1．5nm)，还可以通过温度调谐来改变其发射波长， 使其峰值发射波长与激活粒子的吸收带理想地匹配，因而泵浦效率比灯泵浦高许多。 器的噪声特性好、频率稳定。由于不存在液体或气体工作物质的流动起伏噪声和泵浦 灯的等离子体波动噪声，使得DPSSL的辐射噪声特性比灯泵浦优一阶以上。另外，DPSSL 单、体积小等特点，也是其它类型激光器所不能比拟的。在中小功率范围内，DPSSL 已在逐步取代灯泵浦的固体激光器、可见和紫外Ar+激光器、He-Cd激光器：在大功率 范围内，kw级的DPSSL正在逐步拓展应用领域，向大功率的灯泵固体激光器和横流／ 轴流c02激光器提出挑战”’． 目前，DPSSL的发展方向主要有三个：一是高功率输出。文献51报道了LDA泵浦 以上。根据按比例放大原则，其输出功率可超过5kW达到万瓦量级，并有可能成为激 光核聚变的驱动器能源。二是可见波段输出。经过倍频、混频和参量振荡等技术，DPSSL 都在瓦级以上。三是紫外波段输出。DPSSL经过三倍频、四倍频后已经获得功率数瓦的 紫外激光。例如，日本三棱电子公司最近研制出波长为266nm、平均功率达20．5w、重 没有出现饱和及光损伤现象，提高绿光注入将得到更高的紫外输出。 2 二极管泵浦固体激光器的研制成功，是激光器固体化、小型化的重要突破，其关 键是研制出与Nd：YAG等固体激光器泵浦的波长相匹配的半导体激光光源。这种新型激 光系统取消了泵浦灯，体积小、重量轻、转换效率高、使用寿命大为延长，这些优点 使“全固体化”激光成为研究的新方向。可以肯定，全固体化激光器特别是可调谐固体 激光器会使激光的应用推向许多新的领域。 §1．2固体激光器的工作物质 ；， 固体激光工作物质是由基质材料和少量掺杂离子(激活离子两部分组成。工作 物质的物理性能主要取决于基质材料，而它的光谱特性主要由激活离子内的能级结构 所决定。激光工作物质中的发光中心是激活离子，在这些离子的电子组态中，未满内 壳层的电子可以处于不同轨道运动状态，形成一系列的能级。激光工作能级是这些离 子的未满内壳层电子能级。由于受到外层电子的屏蔽作用，所以电子发生能级跃迁不 会受到晶体场太强的影响，因而在不同基质中的这类离子光谱与自由状态的离子光谱 大体相似。这表示这些激光跃迁线宽较窄(激发截面较大)，而且激光工作能级问无辐 射跃迁较弱(能级问跃迁寿命较长)，因此产生激光作用所需阈值泵浦速率较小。 1、基质材料 固体基质材料主要有晶体和玻璃两大类。基质材料应具有优良的光学、机械和热 性能，以便能承受实际激光器的苛刻工作条件。同时，还需考虑物理、化学稳定性和 易于加工等。理想情况下，掺入离子和它所取代的基质离子的大小和原子价应该匹配。 对于基质材料为晶体的情况，晶体中的微粒(原子、分子或离子)是周期有序地