固体激光材料

自1958年肖洛（A. Schalow）和汤斯（C. Townes）首先描述光频下产生激光作用条件的论文，到1960年美国物理学家梅曼（Maiman）研制成功世界上第一台以红宝石（Cr：Al2O3）为工作物质的固体激光器，宣告了激光器的诞生。随后，各种类型的激光器，如气体激光器、半导体激光器、光纤激光器等相继问世，极大地推动了激光科学和技术的蓬勃发展。进入20世纪80年代后期，随着半导体激光器等技术的重大突破，使半导体激光器泵浦的固体激光器（LDPSSL、DPL）取得了重大进展。这是一种结构紧凑、效率高、寿命长、光束质量高的新型激光器件，在空间通信、材料加工、医疗、光纤通信、光纤特性检测、光学图像处理、激光打印、大气研究、军事和国防等领域有着广泛的应用，且已成为目前固体激光器的主要研究与发展方向。

国际环境固体激光材料是固体激光器的核心。激光材料有时也包括透明窗口的红外晶体，它们是气体激光器和化学激光器的关键材料。特别在发展强激光时，固体激光材料有明显的军用背景，所以这些材料的研究和制造带有垄断性。特别在美、苏两个超级大国争霸时，竞争激烈。所以，激光材料的原创性的研究工作主要在美国和苏联，特别与强激光有关的材料制造如激光玻璃，基本上控制在美国和苏联的政府部门。历年来美国的大尺寸、高质量的掺钕激光玻璃是由H本保谷(Hoya)玻璃公司和德国肖特(Schott)玻璃公司制造和供货的．但是它们的开发和生产部分皆在美国，由美国能源部控制，至今对中国还是实行禁运的。保谷和肖特公司分别位于日本东京和德国梅茨(Mainz)的总部和研究室。苏联的激光玻璃研究、开发和生产都在苏联国家光学研究所控制下，一般不接待外宾。

主要特性固体激光材料由基质材料和激活离子两部分组成，其中基质材料决定了工作物质的各种物理化学性质，而激活离子主要决定了工作物质的光谱性质。因此，对固体激光材料的要求主要归结为以下几点：

(1)为充分利用泵浦光能量，要求激光材料在泵浦光的辐射区有较大的吸收截面。

(2)为获得较低的阈值和尽可能高的激光输出功率，掺入的激活离子必须具有有效的激励光谱和较大的受激发射截面。

(3)要求有害杂质气泡、条纹、光学不均匀性等缺陷尽可能少，内应力小，在材料中不产生人射光的波面畸变和偏振态的变化。

(4)具有高的荧光量子效率。

(5)具有良好的物理、化学和力学性能，特别是要求具有良好的热学稳定性，热导率高，热膨胀系数小，热效应不显著。

(6)容易生长出大尺寸材料，且制备工艺简单，易于光学加工，成本低廉。1

分类激光材料是把各种激发能量(电、光、射线)或泵浦能量转换成激光的材料，即激光器的工作物质。激光材料主要是凝聚态物质，又以固体物质为最主要，其具有激活离子浓度高，振荡频带宽并能产生谱线窄的光脉冲，而且具有良好的力学性能和稳定的化学性能。

固体激光材料分为两类。一类是以电激励为主的半导体激光材料，一般采用异质结构，由半导体薄膜组成，用外延方法和气相沉积方法制得。另一类是通过分立发光中心吸收光泵能量后转换成激光输出的发光材料。这类材料以固体电介质为基质，分为单晶体、玻璃以及近些年发展起来的透明多晶陶瓷三种。2

晶体激光材料激光晶体由发光中心和基质晶体(即有序结构的固体)组成。基质晶体是组成晶格的主组分，其作用主要是为激活离子提供一个适当的晶格场。发光中心实际上少量掺杂离子，称为激活离子。激活离子部分取代基质晶体中的阳离子形成掺杂型激光晶体。当激活离子是基质组分的一部分时，则构成自激活激光晶体。激光的波长主要取决于激活离子的内部能级结构，但基质晶体、激活离子浓度和温度等因素均对激光波长有影响。这是因为激光活离子受到不同晶格场的作用，其光谱性质便发生变化，激光波长也有差别。离子在晶格场中，其能级中的大部分简并态将发生分裂，这便影响了激活离子的能级结构，出现精细光谱。另一方面，材料的物理化学性质主要决定于基质晶体，但掺入激活离子亦将影响其结构稳定性和晶体热学性质等。2

本词条内容贡献者为:

黎明 - 副教授 - 西南大学