几种高能激光常用晶体

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几种高能激光的常用晶体

激光晶体就是你能够产生激光的晶体，激光晶体受到泵浦后，晶体内的原子的外层电子受激激发到激发态，处于激发态的电子自发辐射，一部分能量转化成荧光，荧光被提取后就形成激光。除激光晶体外，在激光器中也经常用到非线性倍频和频晶体（LBO、BBO、KTP、RTP等）、调Q晶体（KDP、LN等），现主要对高能激光晶体做简单的介绍，主要包括Nd:YAG、Nd:GGG、Yb:YAG、Nd:YLF，是高能激光系统中使用较为广泛的激光晶体。

1、Nd:YAG是应用最普遍的激光晶体，它具有极其优秀的光学、导热、机械和化学性能，其激光器广泛应用于工业、医疗、军事、科研领域，其重要性位居固体激光材料之首。其主要特点：高增益、低阈值、高效率、在1.06μm损耗低、高热导性和耐热冲击、机械强度大、高光学质量、适合各种模式工作（连续、脉冲、调Q、锁模、倍频）。美国诺格公司及国内科研单位均使用此种材料的板条，实现单链路大于10kW的激光输出。

Nd:YAG晶体物理化学特性：

化学式	NdxY3-xAl5O12
晶体结构	立方
空间	141/a
晶格常数	12.01A
熔点	1970℃
密度	4.56±0.04g/cm3
莫氏硬度	8.5
比热	(0-20℃): 0.59J/g/k
弹性模量	45×106 psi
杨氏模量	3.17×104Kg/mm2
泊松比	0.3(est.)
抗张强度	25-30×106 psi
热导率	20℃ 0.0320cal/sec/℃/cm
	40℃ 0.0290cal/sec/℃/cm
	200℃ 0.0225cal/sec/℃/cm
	100℃ 0.0250cal/sec/℃/cm
热冲击阻力	90W/m
溶解度	水 不溶解 ，普通酸 微溶
热导率	0.063W/cm/K
热胀系数	[100]方向 8.2×10-6/℃(0-250安溪八中℃)
	[110]方向 7.7×10-6/℃(0-250℃)
	[111]方向 7.8×10-6/℃(0-250℃)

2、Nd:GGG杨州大学是热容激光器的晶体材料,其特点是容易生长大尺寸的晶体、光学均匀性好、高掺杂、机械强度高、热导率高，快速冷却、转换效率高。使用Nd:GGG作用工作介质的热容激光器已实现数十kW的激光输出。

Nd:GGG物理性质：

化学式	Nd: Gd3Ga5O12
晶体结构	Cubic
莫氏硬度	8
热光系数  (x10-6/K)	17
泊松比	0.28
熔点	1725°C
密度	7.1 g/cm3
晶格常数	12.383 Å
热导率 人机工程学论文(x 10-6 °C-1)	8
折射率	1.94

3、Yb:YAG是一种发展前景巨大的固体激光工作物质，由于Yb4+离子具有4f13电子结构，它的吸收和发射谱带简单，激光上能级无激发态自吸收和上转换，辐射量子效率高，峰值位于940nm的吸收线宽宽，吸收系数大，与InGaAs二极管发光波长很好配，非常适合LD泵浦，加上YAG晶体基质的优异光学和导热性能，因而是高效率高平均功率LD 泵浦激光器的理想工作物质，德国通快公司研制出LD泵浦薄片激光器单片输出4kW以上激光输出，美国波音公司利用德国通快公司激光模块实现27kW激光输出。

Yb:YAG晶体光学和光谱特性：

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激光波长:	1.030μm
激光跃迁	0.003 cm-1
激光跃迁	2F5/2-2F7/2
热光系数  (x10-6/K)	莫西沙星肺部感染的效果 9×10-5
荧光寿命	1.2 ms
发射截面	2.2×10-20cm2
折射率	1.82

4、Nd:YLF晶体是一种产生1047nm和1053nm波长激光的晶体. Nd:YLF晶体的主要优点是：超大荧光线宽，低热透镜效应,连续激光应用较低的激发光阈值,自然偏振等。因此，Nd:YLF晶体,掺钕氟化锂钇是连续激光，锁模激光的理想激光晶体材料。通用原子公司的液冷固体激光器的激光晶体材料就是Nd:YLF，由于其折射率为1.46，较容易到相匹配的液体冷却材料，可现实几十上百片的堆叠，通用原子公司已实现150kW的激光输出。

Nd:YAG晶体物理特性：

分子式	Nd: LiYF4
晶体结构	立方
生长方向	沿a轴[100]
莫氏硬度	4-5
熔点	825°C
密度	3.95 g/cm3
导热系数	0.06 W /cm°C
热容量	0.79 J g-1 K-1
热膨胀系数 (x 10-6 °C-1)	余粮收集制13 (沿a轴) 8 (沿c轴)
633 nm处的折射率	1.453 (e光) 1.476 (o光)
1064 nm处的折射率	1.448 (e光) 1.470 (o 光)
杨氏模量	7.65x108  g/cm2
泊松比	0.33

几种高能激光器使用激光介质对比：

名称	Nd:YAG	Nd:GGG	Yb:YAG	Nd:YLF
激光器生产公司或研究机构	诺格公司	利弗莫尔	通快&波音公司	通用原子公司
体制	连续	热容	连续	连续
最高输出功率	单链路15kW	大于10kW	27kW	150kW
介质构型	板条	块状	薄片	薄片
波长	1064nm	1064nm	1030nm	1047nm&1053nm

5总结

从上表及实际情况看，Nd:GGG晶体的大尺寸、高掺杂、机械强度高、热导率高、快速冷却等特点，容易做成较大的块体且成为热容激光的激光介质；Nd:YAG是目前普遍使用的晶体，其高光学质量、热导率高、高增益、低吸收适合各种模式工作（连续、脉冲、调Q、锁模、倍频），国内已有直径大于150mm晶体毛胚；Nd:YLF由于荧光寿命长，具有储能

高、输出光为偏振光、折射率低等优点，但由于其增益系数低，实际使用时需要增加晶体长度；Yb:YAG泵浦光940nm，荧光波长1030nm，与Nd:YAG相比其具有了更小的量子亏损和热损耗，可产生更高光束质量和高功率的激光输出。

本文发布于:2023-07-08 02:15:49，感谢您对本站的认可！

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