金属材料百科

激光材料

2023-07-01

英文

laser material

简介

藉外来能源激励实现粒子数反转,达到高能级粒子数大于低能级粒子数的状态,从而产生受激辐射放大的材料。这种一般由基质和激活离子形成的材料即所谓工作物质与激发源和共振腔共同构成能产生高强度相干辐射的新型光源——激光器。

此外,利用半导体p-n结区附近大量非平衡载流子在正偏压下的注入,也能产生粒子数反转,实现激光振荡,从而形成半导体激光材料。

简史 激光材料是伴随激光技术的发展而发展起来的。激光材料的出现为若干有色金属特别是稀有金属的应用开辟了崭新的途径。

激光材料的发展最早可追溯到1960年。当时美国的T.H.梅曼(T.H Maiman)利用掺铬红宝石制成了世界第一台固体激光器。随后于1961年又出现了氦-氖气体激光器,1962年有人采用砷化镓晶片作工作物质发明了半导体激光器。到60年代末对这些激光器的可靠性、耐用性进行了改进,激光器和相应的激光材料才进入科研与工业领域。以后,随着激光技术的发展,出现了数百种能实现光放大或激光振荡的工作物质,其中尤以固体激光材料和半导体激光材料发展最快,现在已有290种利用稀土元素作激活离子的固体激光材料。

分类 以基质为基础并参照激光器的类别,可将激光材料分为如下数类:

性质及质量要求 在激光材料中以固体激光材料最引人注目。由于激光辐射具有高度的准直性、单色性和相干性,因此,对固体激光器最常用的激光晶体而言,晶体质量、晶体抗光学损伤、抗热冲击及机械损伤的能力、激活离子的半径、价态、掺入量等因素至关重要。为获得优异的光学性质,在生长激光晶体时,要求所用氧化物的纯度为5~6个“9”,总杂质含量<10-5,晶体必须无应变和夹杂,折射指数无变化,辐照后不产生色心且易于制造色心。

制备方法 主要有焰熔法、直拉法和热交换法。(1)焰熔法。亦称维尔纳叶法,该法利用氢和氧燃烧产生的高温使料粉通过火焰撒下熔融,熔滴落在籽晶上,使籽晶杆下降进入炉子的较冷部分随即结晶。这种方法设备较简单、不使用坩埚,适于生长熔点大于1800℃(可达2500℃)的晶体,如红宝石、Y2O3等基质晶体,缺点是晶体内应力大、位错密度高及存在化学成分的不均匀性。

(2)直拉法。是生长大而完美单晶常用的方法,在通常充以保护气氛的单晶炉内将5个“9”以上相关金属氧化物原料放入坩埚中用高频感应加热熔化,用固定在拉杆上的籽晶与熔融氧化物相接,然后垂直向上提拉,晶体便在籽晶端不断生长。工业上最常用的掺钕钇铝石榴石(Nd3+: YAG)就是用该法生长的。YAG中Nd3+的掺入浓度约为2%。YAG具有高的热导率、易于散热,故可在高平均输出功率下工作,亦可在高脉冲重复率如n·10kHz下工作。目前用直拉法拉出的Nd3+:YAG已制成2~3kW的激光系统。除YAG外,用直拉法还能生长其他掺钕激光晶体(见表)。

各种掺钕晶体及生长条件

材 料 晶体
结构
熔点
/℃
熔体内Nd3+
的浓度/%
熔体内Nd3+
的浓度/at·cm-3
生长方向和
气氛
分配系
数k
YAG
Y3Al5O12
石榴石
(立方)
≈1950℃ 1.1 1.52×1020 Crismatec
的样品
≈0.18
YVO4 四方 ≈1850 2 2×1020 NEC
的样品
 

续表

材 料 晶体结构 熔点
/℃
熔体内Nd3+
的浓度/%
熔体内Nd3+
的浓度/at·cm-3
生长方向和
气氛
分配系
数k
YSO
Y2SiO5
单斜 1930 1 1.87×1020