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常用激光晶体

作者:维尔克斯  时间:2021-4-30 9:01:00

自从1960年第一台红宝石晶体激光器问世以来,激光技术已经渗透到了各个基础研究和应用学科领域。激光晶体是光学晶体,通常是单晶(单晶硅光学材料),用作固体激光器的增益介质。在大多数情况下,它们被掺杂三价稀土离子或过渡金属离子。当通过吸收泵浦光向晶体提供能量时,这些离子使晶体能够通过受激发射来放大激光波长的光。

与其他激光介质(如掺杂玻璃)相比,晶体通常具有更小的吸收和发射带宽、更高的热导率和更高的跃迁截面。激光的跃迁截面预测了由于辐射引起跃迁的可能性。高的跃迁截面则与更高的吸收或受激发射概率有关。激光晶体有许多不同的形状。这些晶体的常见几何形状包括长方体、圆柱形和薄圆盘。晶体的形状及掺杂浓度对输出光束有很大的影响。

随着这几十年的发展,激光晶体种类已经大大增加。在数量众多的晶体中,掺钕钇铝石榴石晶体(Nd:YAG)、掺钕矾酸钇晶体(Nd:YVO4)、掺钛蓝宝石晶体(Ti:Al2O3)等是应用最为广泛的。

 

Nd:YAG晶体

NdYAG晶体具有机械性能良好、增益高、热性能和光学均匀性好的特点,在科研、工业、军事等领域中大量应用。NdYAG晶体相对较小的增益带宽,可以实现较高的增益效率和相对较低的激光阈值。 其出色的热性能和机械性能,可以生长具有高光学质量和大直径的晶体。它的出现使得固体激光器大力发展,成功实现了商业化。NdYAG晶体吸收808nm,通常在1064nm的峰值附近发光,但在940nm1120nm1320nm1440nm附近也有跃迁。

在高功率连续激光器和固态激光器,以及军用激光器方面,NdYAG晶体是主要的应用材料之一。目前主要的应用如下:

-用于雕刻和蚀刻各种金属,塑料的制造;

-医疗–如内窥镜,泌尿外科,神经外科,妇科,皮肤科,牙科外科和普通外科,以治疗各种疾病,例如癌症和肝病等;

-测距仪和照明设备;

-用于电阻,修整,钻孔等工程应用;

-用于流程可视化技术;

-用于光谱分析。

 

Nd:YVO4晶体

Nd:YVO4晶体为单轴,只发射线性偏振光,避免了不必要的双折射对倍频的影响。作为高重复频率调Q激光器和低阈值连续激光器的介质是非常适合的。

Nd:YVO4晶体吸收峰波长为808nm,发射914nm1064nm1342nm


Nd:YVO4Nd:YAG比较的优点:

NdYAG相比,NdYVO 41064 nm处的受激发射截面大几倍,在1342 nm处的受激发射截面是NdYAG的十二倍以上。如果要构造脉冲或连续波激光器, NdYVO 4代替NdYAG的良好介质。

吸收系数NdYVO 4大于NdYAG,并且在使用相同的808 nm二极管的情况下,如果使用NdYVO 4,则可以以较低的功率使用这些二极管,从而增加了二极管的寿命。


Nd:YVO4Nd:YAG比较的缺点:

NdYVO 4的上态寿命比NdYAG的上态寿命短约2.5-3倍。这意味着在Q开关期间很难获得与NdYAG一样高的脉冲能量(有时甚至是不可能的)

应用:中低功率激光器,机器视觉,光谱学,医用激光

 

Ti:Al2O3晶体

钛宝石(Ti:Al2O3)晶体具有很高的稳定性和非常长的使用寿命,可应用在波段为600-1050 nm的激光系统中,实现飞秒激光脉冲。19826月,彼得·莫顿(Peter Moulton)在麻省理工学院林肯实验室(MIT Lincoln Laboratory)首次构造和发明了基于钛:蓝宝石的激光器。

钛:蓝宝石的吸收带中心位于490 nm,使其适用于各种激光泵浦光源-氩离子,倍频NdYAGYLF,铜蒸气激光器。由于荧光寿命为3.2μm,因此在功能强大的激光系统中,短脉冲闪光灯可以有效地泵浦钛:蓝宝石晶体。

应用:医用激光系统,激光雷达,激光光谱学

 

其他常用激光晶体

种类

特点

应用

Pr:YLF晶体

具有在可见光谱范围内实现激光发射所需的特性

二极管泵浦固体激光器,用于铜或金等金属的精密高效加工、娱乐业和科学

Ho:YLF晶体

5I7能级的使用寿命长,因此在Q开关操作中具有很强性能

遥感和污染物检测

军事

Tm,Ho: KYW晶体

大而宽的偏振吸收和发射带,有效能量传递TM3+→Ho3+,高掺杂浓度低浓度淬火

2μm激光,用于遥感(雷达技术),计量学和医疗应用;中红外光学参量振荡器(OPO)的泵浦源

Cr:LiSAF晶体

宽广的吸收和发射谱带,在近红外波段具有较宽的发射带,可通过锁模技术广泛地调节激光操作并产生约10 fs的光脉冲;非线性折射率大约是TiSapphire的四倍

飞秒激光和CPA激光系统

Nd:KGW晶体

适用于产生皮秒光脉冲,非常适用于二极管泵浦激光器;高存储密度和低激光阈值;高效拉曼转换器

二极管泵浦调Q开关激光器,在激光测距仪的人眼安全光谱范围内发射;拉曼转换器

Nd:YLF晶体

4F3 / 2钕能级寿命长;比NdYAG更柔软,更脆;激光光学谐振器内部使用的NdYLFa形)晶体是自偏振的

连续波和1047nm1053nm的脉冲操作材料加工,焊接,切割

Yb:YAG晶体

简单的电子结构排除了激发态吸收,还排除了各种有害的淬灭过程;940 nm处的宽吸收带;2 F 5/2 energy能级的使用寿命长;低量子缺陷

材料加工,微加工,焊接,切割;高效的高功率薄盘激光器

Yb:CaF2晶体

各向同性晶体(立方对称);低量子缺陷;2 F 5/2 energy能级的使用寿命长;宽广的光传输;低分散行为;强激光照射下有限的非线性效应

二极管泵浦飞秒固态激光器,旨在产生高能脉冲;具有超高平均功率的超短脉冲

Yb:YVO4晶体

简单的电子结构排除了激发态吸收,还排除了各种有害的淬灭过程;宽广且平滑的发射光谱;低量子缺陷

大功率连续波,调Q和锁模激光器;薄盘激光器

Yb:YAB晶体

自倍频激光晶体;高导热性;976 nm附近的宽吸收带宽;高吸收和发射截面;低量子缺陷

大功率连续波激光器;锁模飞秒激光器;连续波和锁模自倍频激光器

Yb:YAP晶体

双轴斜方晶体;高吸收截面取决于晶体取向;高导热性;低量子缺陷

飞秒激光器和再生放大器;连续波和被动锁模薄盘激光器

Yb:YLF晶体

简单的电子结构排除了激发态吸收,还排除了各种有害的淬灭过程;宽广且平滑的发射光谱

调音范围广;吸收光谱与InGaAs激光二极管的发射波长完全匹配;低量子缺陷

二极管泵浦锁模激光器;薄盘激光器

Yb:KYW晶体

大增益带宽;高发射截面;小量子缺陷;高掺杂水平;高导热性

飞秒激光器和再生放大器;连续波和被动锁模薄盘激光器

Yb:KGW晶体

大增益带宽;高发射截面;小量子缺陷;高掺杂水平;高导热性

飞秒激光器和再生放大器;连续波和被动锁模薄盘激光器

Er:YAG晶体

各向同性晶体(立方对称);高导热性;接近1470 nm的强吸收带宽,对应InGaAsP / InP激光二极管发射;1617 nm处的发射光谱在大气中没有吸收

连续波和调Q眼安全(〜1,6μm)带内泵浦激光器;通道波导对人眼安全(〜1.6 µm)带内泵浦激光器;连续波和调Q开关〜3 µm激光器

Er:YLF晶体

声子频率低;激光发射级寿命长;广泛的透明度范围(从VUV10 µm区域);负热光系数

CWQ开关〜3μm激光,用于口腔外科,牙科,种植体牙科和耳鼻喉科;上转换可见光激光器,用于显示技术,医学(诊断和治疗)

Er:KYW晶体

接近1534 nm的强吸收带宽,对应InGaAsP / InP激光二极管发射;1600 nm附近的宽发射带宽

带内泵浦“人眼安全”连续波,调Q和锁模激光器;带内泵浦“人眼安全”波导激光器

Er,Yb:YAB晶体

具有三角结构的单轴晶体;高导热性;976 nm附近的宽吸收带宽;高吸收和发射截面;极高的Yb 3+Er 3+能量转移效率

高功率人眼安全(〜1.5μm)连续波激光器,用于计量;适用于LIDARLIBS系统的高重复频率被动调Q激光器;用于电信系统的超短锁模激光器

Er,Yb:磷酸盐玻璃

4 I 13/2 energy能级的使用寿命长;高YbEr的能量转移效率;高吸收和发射截面;吸收和发射带宽宽

用于激光测距仪,LIDARLIBS系统的无源调Q激光器

Tm:YLF晶体

激光二极管泵浦的强吸收带;弱热透镜;高极化纯度

适用于遥感应用的LIDAR系统;Ho 3+YAG激光器的泵浦源

Tm:KYW晶体

宽荧光带;发射截面大;上层生命周期相对较低

连续波和调Q开关激光器发出近2 µm的光,用于外科手术,测距和环境监测;2μm波长区飞秒激光器

Cr:ZnSe晶体

具有很高的吸收系数,可以在1450-2100 nm的各种光源范围内非常有效地泵浦,或者用作该范围的无源Q开关。可调谐的,并且可以在1900 nm3300 nm的宽波长范围内发射激光。

作为紧凑型激光系统中的增益材料;作为1450-2100 nm激光器的无源Q开关;泵浦中红外(MIR)光学参量振荡器(OPO)的光源;红外(IR)导弹对策系统

Fe:ZnSe晶体

是用于设计中红外激光器的最有效的晶体之一,具有高吸收系数,可以有效泵浦。可以在2.8 – 4.4μm的范围内完成,泵浦峰在〜3μm处。

作为紧凑型激光系统中的增益材料;作为1450-2100 nm激光器的无源Q开关;泵浦中红外(MIR)光学参量振荡器(OPO)的光源;红外(IR)导弹对策系统

Cr:YAG晶体

优异的物理性能–耐紫外线,化学稳定,良好的导热性和较高的破坏阈值;高光学二次谐波生成(SHG)转换;吸收区大,峰值在1060 nm附近;消除了高压电源的必要性;使用CrYAG晶体可以实现自锁模(KML)。

适用于工作于1 µm的激光器的无源Q开关-掺钕(Yd)和掺((Yb)的YAGYAPYLFYVO 4CrYAG也可以用作可在1340 – 1600 nm调谐的激光晶体

 

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