6.2 固体激光材料幻灯片.ppt

在光泵浦下，Nd3+由基态跃迁到各吸收能级后，很快通过无辐射驰豫跃迁到亚稳态4F3/2，由4F3/2向下能级自发辐射产生荧光 Nd:YAG的吸收光谱图 (300K) 掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG） 室温下Nd:YAG在近红外区有三条明显的荧光谱线，其中心波长和所对应的能级跃迁为 : Nd:YAG的吸收光谱图 (300K) ~0.946μm4F3/2→4I9/2 ~1.06μm4F3/2→4I11/2 ~1.35μm4F3/2→4I13/2 掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG） 其中以1.06μm处的荧光谱线最强 4F3/2→4I9/2的跃迁属三能级系统，阈值高，只有低温下才能实现激光振荡 4F3/2向4I11/2和4I13/2的跃迁都属四能级系统，阈值低，易于实现激光振荡 Nd:YAG的吸收光谱图 (300K) 掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG） 1.06μm的荧光强度较1.35μm的约强四倍，1.06μm的谱线首先起振，并抑制1.35μm的谱线起振，在Nd:YAG激光器中通常只观察到1.06μm的激光。 Nd:YAG的吸收光谱图 (300K) 掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG） 只有采用专门选频措施后，才能实现1.35μm的激光振荡。 用选频的方法可使Nd:YAG产生20种以上的激光跃迁。 掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG） Nd:YAG的特点 很高的荧光量子效率（大于99.5%），室温下为因晶格热振动引起的均匀加宽 迄今为止实用化程度最高的激光晶体，既可连续、准连续又可脉冲工作 既能做成中小功率和微片激光器，又能做成千瓦级高功率固体激光加工机。 掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG） Nd:YAG制备 将一定比例的Al2O3，Y2O3和Nd2O3熔化结晶而成 制备Nd:YAG晶体的主要方法是提拉法，按加热方法的不同分为电阻加热和高频感应加热两种 Nd3+在YAG中的分凝系数为0.2，限制了Nd:YAG的生长速度。对Φ40mm以上的晶体，生长速度为0.5~0.7mm·h-1 掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG） 钕玻璃 钕玻璃的组成 钕玻璃是在某种成分的光学玻璃（硅酸盐、磷酸盐、氟磷酸盐、硼酸盐等）中掺入矢量的Nd2O3制成的。 Nd2O3掺入量为1wt%~5wt%，Nd3+浓度为3?1020cm-3左右。 目前用的最多的是硅酸盐和磷酸盐钕玻璃 钕玻璃的能级和吸收谱 Nd3+在玻璃中和晶体中的能级结构基本上相同，仅能级的高度和宽度略有差异 钕玻璃 硅酸盐钕玻璃的吸收光谱与Nd:YAG的吸收光谱相似，但吸收带较宽，对应与4F3/2向4I9/2，4I11/2和4I13/2的跃迁出现三条荧光谱线 钕玻璃的吸收光谱 ED-2，厚度6.3mm 钕玻璃 与Nd:YAG相似，通常硅酸盐钕玻璃只产生1.06?m的激光振荡，只能用选频方法，才能得到1.37 ?m的激光 钕玻璃 Nd3+在玻璃中与1.06?m跃迁有关的能级结构 Nd3+在玻璃中的部分能级图 1.06?m荧光线宽约为250cm-1 荧光量子效率为0.3~0.7 荧光寿命为0.6~0.9ms 受激发射截面3?10-20cm-3 室温下，钕玻璃中配位场不均匀性引起的非均匀加宽是主要加宽机制 钕玻璃 钕玻璃性能特点 钕玻璃荧光寿命长，有高储能特点，可用于高功能激光器中 钕玻璃的荧光线宽很宽，适于制作超短冲锁模器件 制备工艺成熟，易获得光学均匀性好的材料 形状与尺寸可在大的范围内变化 钕玻璃 与硅酸盐钕玻璃相比，磷酸盐主要特点是较大的受激发射截面(?=3.7~4.5?10-20cm-3)和较小的非线性折射率(n2=0.91~1.15 ?10-13esu-3 )，4F3/2?4I11/2中心波长为1.054?m。 磷酸盐钕玻璃是目前核聚变固体激光驱动器中的主要激光工作物质 钕玻璃 热导率低（约为Nd:YAG的十分之一） 热膨胀系数大 不适于连续和高重复频率工作 钕玻璃主要缺点 钕玻璃 其他掺钕激光工作物质(一) Nd:YAP(掺钕铝酸钇) 化学表示式Nd3+:YAlO3，简记为Nd:YAP 属 斜六方晶系，负单轴晶体，各向异性，能获得线偏振光输出 Nd:YAP的结构 Nd:YAP光谱 非偏振吸收强度随不同结晶方向而变化 Nd:YAP在室温下的吸收光谱(Nd3+含量0.8%) 其他掺钕激光工作物质(一) YAP晶体的两个光轴A1，A2在晶轴a，c组成的平面内互成70?角，晶轴c沿70 ?角平分线 按Nd:YAP棒轴相对于晶轴取向的不同分为b轴棒和c轴棒 Nd:YAP棒的相对轴线对于晶轴的取向 其他掺钕激光工作物质(一) b轴棒，激光的电矢量与A1平行，1.0795?m谱线的增益最大 c轴棒，Nd:YAP棒轴沿晶轴c方向， 1.0645?m谱线的增益最大 Nd:YAP棒的相对轴线对于晶轴的取向