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| 高平均功率激光晶体 |
laser crystal with high average power |
30010000 |
材料大辞典 |
Materials Comprehensive Dictionary |
能满足连续或平均激光输出功率在几百瓦到几千瓦的激光器需求的晶体工作物质。为了获得较高的输出功率，激光晶体不仅需要有较大的跃迁截面和较长的荧光寿命，而且工作物质应有足够大的尺寸和足够好的均匀性。适用于作高功率激光器的工作物质有Nd：YAG、Nd：GGG和Nd：GSGG等晶体。其中后者掺入Cr3+后，能获得较高的效率，但是，其热效应比Nd：YAG严重得多。激光二极管取得飞跃的发展，用激光二极管作光泵的高功率固体激光器，由于其高效、体积小、寿命长，不久将成为发展高功率固体激光器的主流。已获得了千瓦输出功率的激光二极管泵浦的Nd：YAG激光器。主要用于激光加工、激光医学和科研。 |
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缪友萍 |
张深根 |
| 掺钕钇铝石榴石晶体 |
neodymium doped yttrium aluminate garnet crystal |
30020000 |
材料大辞典 |
Materials Comprehensive Dictionary |
在Y3Al5O12晶体中掺入少量Nd3+离子的激光工作物质。简称Nd：YAG。物理、化学性能稳定，机械性能、激光性能优良，是迄今最优良，使用最普遍的一种激光晶体。熔点高达1950℃。早期采用PbO-PbF2-B2O3为助熔剂把熔点下降。在1300℃左右生长晶体。现用提拉法生长，已生长出直径60～70mm长达200mm的优质激光晶体。Nd3+离子在YAG晶体中受到晶格场的作用分裂成一系列的斯塔克能级。从4I9/2基态到各激发态的跃迁形成主峰在500nm、580nm、760nm、805nm和880nm的吸收峰。F3/2能级在晶场作用下分配成二个子能级,Nd3+在此能级上的荧光寿命为230μs，形成亚稳能级。由此向下的跃迁产生激光，从4F3/2→4I15/2、4I13/2、4I11/2、4I9/2的跃迁，产生波长1.8μm、1.32μm、1.06μm.0.946μm的激光。其中，前面三个跃迁都是四能级系统，最后的跃迁是三能级系统。4F3/2→4I11/2、4I13/2跃迁的截面分别为4.6×10-19cm2和0.92×10-19cm2，二者约差五倍。Nd：YAG能在室温下以极低的阈值实现脉冲和连续运转，平均输出功率已超过2kW。通过调Q和锁模技术能得到毫微秒的高峰值功率巨脉冲和超短光脉冲。利用模选和单频技术已得到衍射极限的基横模激光和光谱宽度在几兆量级的单频激光，而且这种激光器可靠性好、寿命长、器体结构紧凑。 |
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缪友萍 |
张深根 |
| 掺钕钆镓石榴石晶体 |
neodymium doped gadolinium galliium garnet crystal |
30030000 |
材料大辞典 |
Materials Comprehensive Dictionary |
掺钕钆镓石榴石（Nd：Gd3Ga5O12，简称Nd：GGG）与Nd：YAG一样是立方晶系。石榴石结构。空间群Ia3d，单胞参数12.376?比YAG略大。Gd3+离子半径（1.053?）比Y3+离子半径(1.019?)大，因此Nd3+离子在GGG晶体中的分凝系数比在YAG晶体中大，与Nd：YAG晶体相比，能够得到掺钕浓度更高、均匀性优良的大晶体。尤其是纯的GGG晶体是一种有用的磁泡材料，可以生长出光学性能优良的无核心的大晶体。在Nd：GGG晶体中，掺入Cr3+离子，Cr3+离子的4T2与2E能级的能量差△E＜370cm-1。因此，储存在Cr3+离子的能量通过温度作用能从2E能级热激励到4T2能级。而4T2→A2的跃迁是宽带的电子-振动跃迁，存在与Nd3+离子匹配的能级，通过共振的能量转移能有效的提高Nd：Cr：GGG晶体的转换频率。实验证实，在相同的条件下氙灯泵浦下Nd：Cr：GGG的转换效率是Nd：YAG的3.6倍。Nd：GGG可用作高功率和高平均功率激光器的工作物质，用9.5×55×201mm3的板条己得到了830W的激光输出。 |
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缪友萍 |
张深根 |
| 掺铬钆镓钪石榴石晶体 |
Cr-doped gadolinium gallium scandium garnet crystal |
30040000 |
材料大辞典 |
Materials Comprehensive Dictionary |
"化学式：Cr3+：Gd3Sc2Ga3O12，简称Cr3+：GSGG晶体。立方晶系，石榴石结构化合物。根据八面体配位场中Cr3+离子能级图研究了晶场参数Dq/B与荧光光谱的关系，提出了如表所示的分类晶体的标准。在GSGG晶体中，晶胞参数较YAG晶体大，Cr3+离子所处八面体格位空洞较大，周围氧离子对其作用较弱，4T2能级下降，使4T2与2E能级的能量差△≤0，使储存在亚稳能级2E中的能量通过热激发转移到4T2能级。由4T2能级向4A2能级的发光跃迁过程伴随着晶格振动，即发光跃迁终止在电子-振动能级上。发光光谱的宽度与晶格振动能量的分布有关，因而形成宽带的荧光发射。实验表明，Cr3+：GSGG晶体中，在300KCr3+的荧光是峰值处在750nm的宽带荧光。是一种理想的可调谐激光晶体。利用这种晶体已获得波长在745～820nm连续可调的连续和脉冲激光器。由于这种晶体晶胞大，供Nd3+离子占位的十二面体格位较YAG晶体大，所以钕离子在这种晶体中的分凝系数为0.62，将近是Nd：YAG晶体的四倍。因此，可以用比Nd：YAG晶体较快的生长速度生长出浓度更高的优质大晶体。但是目前Sc2O3价格昂贵，热透镜效应也比Nd：YAG晶体严重得多，影响了它的实际应用。" |
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缪友萍 |
张深根 |
| 铬离子作为敏化剂的钕石榴石晶体 |
neodymium doped garnet crystal with chromium ion as a sensitizer |
30050000 |
材料大辞典 |
Materials Comprehensive Dictionary |
用Cr3+离子作为石榴石型结构晶体中Nd3+离子的敏化剂的激光晶体材料。Cr3+离子4A2-4T1和4T2的宽带吸收能有效地将泵浦中400～600nm的辐射能量吸收，并通过2E能级转移给Nd3+离子。在Cr：YAG晶体中，Cr3+离子的寿命为8.4ms，在Nd:YAG晶体中，Nd3+离子的寿命为0.23ms，而在Nd+Cr：YAG晶体中，Cr3+的寿命缩短到3.5ms，Nd3+的寿命除了原来的0.23ms的分量外，增加了一个长寿命的3.5ms分量。从Cr3+离子的2E能级到Nd3+离子的4F3/2能级能量转移时间长达6.2ms，比Nd3+离子4F3/2能级的寿命长了一个量级以上，所以这种能量转移的效率是极低的。Cr：GSGG晶体的可调谐激光作用是由于在这种低晶场的晶体中，4T2能级与2E能级的差△≤0，所以储存在2E能级中的能量通过热激励转移到4T2能级，而从4T2到4A2的跃迁是终止在电子-振动能级上。因此，发光光谱与晶格振动能量分布有关，从而使宽带的荧光发射，成为可调谐激光的基础。将这一机制应用到Cr3+离子到Nd3+离子能量的敏化发光上。由于Cr3+离子的宽带荧光，存在着与Nd3+离子4F3/2能级精确匹配的能级，通过共振的能量交叉弛豫过程，能有效地将Cr3+的能量转移给Nd3+离子，成倍地提高其转移效率。基于上述敏化机制，找到了一批以铬离子为敏化剂的掺钕石榴石晶体，如Cr3+：GGG、Cr3+：GSGG、Cr3+：YGaG、Cr3+：YscGaG、Cr3+：LaLuGaG等。在Cr3+：YGaG晶体荧光中除存在宽带荧光还同时存在锐线，而其余晶体的荧光只存在宽带荧光。这些晶体以钕作激活离子时，都是转换效率高于Nd：YAG晶体的高效激光晶体。 |
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缪友萍 |
张深根 |
| 红宝石激光晶体 |
ruby laser crystal |
30060000 |
材料大辞典 |
Materials Comprehensive Dictionary |
以刚玉(又称蓝宝石)单晶为基质，掺入Cr3+为激活剂所组成的激光晶体材料。化学分子式Cr3+：Al2O3，属六方晶系，熔点2050℃，空间群D3d6-R3-c。人造红宝石激光晶体是首次实现激光输出的材料。可用焰熔法、提拉法或助熔剂法生产单晶。用提拉法容易获得大尺寸优质晶体。拉伸强度408Mpa，莫氏硬度9，密度3.987g/cm3，热膨胀系数6.7×10-6/℃(∥c)，5.0×10-6/℃(⊥c)，热导率33～35W/(m?K)，折射率no=1.763，ne=1.7556，折射率温度系数l2.6×l0-6/K。化学组分和结构稳定，晶体易于生长。它输出的694.3nm激光产生于Cr3+离子的2E→4A2跃迁。室温受激发射截面2.5×10-29cm2。荧光寿命2.9ms。红宝石的激光输出具有偏振特性，对于60°或90°取向的晶体棒，这种激光器发射的激光是线偏振的，其偏振度在80～100%之间。另外红宝石的激光波长随温度的改变有所不同。在-196℃为693.4nm，室温是694.3nm。所以这种器件在工作期间，会因晶体本身发热而发生少量频率漂移。因红宝石为三能级系统，故激光阈值较高，但贮能大，所以目前在激光领域内应用还很普遍。尤其适用于大能量高功率激光器件，作激光探针分析仪，激光对半导体的热处理和长距离测距仪(如地-月测距)等。 |
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缪友萍 |
张深根 |
| 可调谐激光晶体 |
tunable laser crystal |
30070000 |
材料大辞典 |
Materials Comprehensive Dictionary |
构成可调谐激光器的晶体。在改变谐振腔中调谐元件从而改变谐振腔的谐振频率时能连续改变激光的输出波长。该类晶体具有很宽的增益波长范围。按发光中心可分为两种：一种是在各种基质晶体中掺入过渡族金属离子(如Cr3+、Ti3+)或稀土离子作发光中心，如Ti3+：Al2O3、Cr3+：BeA12O4、Cr3+：LiCaA1F6、Cr4+：Mg2SiO4和掺Ni2+或Co2+：MgF2等晶体；另一种是利用束缚在离子晶体缺陷处的电子或空穴作发光中心；如Li：KCl：FA（Ⅱ）心，LiF：F24心等色心晶体。共同特点是有宽带发光并满足光增益(负吸收)的条件。色心晶体可用提拉法、区溶法和下降法生长。色心可调谐激光器能在0.8～4.0μm范围内调谐。激光线宽为10-2～10-3/cm满足许多光谱测量要求。但它的量子效率随温度的升高而不断降低，所以色心晶体要维待在液氮温度下工作。连续输出功率已超过1W。用NaCl：OH-：(F24)H的色心激光器能在室温下脉冲工作。由可调谐激光晶体构成的可调谐激光器比染料调谐激光器的可调谐范围更广，系统结构紧凑牢固，工作寿命长，无流动部分，所以更适用于携空或宇宙环境的遥感、测距、雷达、通讯及在医疗、生物和化学方面也有广泛的应用。 |
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缪友萍 |
张深根 |
| 掺铬铝酸铍激光晶体 |
Cr-doped beryllium aluminate laser crystal;alexandrite laser crystal |
30080000 |
材料大辞典 |
Materials Comprehensive Dictionary |
又名紫翠宝石激光晶体。化学分子式Be（Al1-xCrx)2O4。Cr3+浓度x=0.12～0.40%(at)，晶体呈暗红色，正交晶系，Pmnb空间群。熔点1870℃，晶体密度3.7g/cm3，硬度8.5(莫氏)，2000kg/mm2（威氏)，断裂应力0.457～0.948GPa，热膨胀系数5.9×10-6/K（∥a），6.1×l0-6/K（∥b），6.7×l0-6/K（∥c），热导率23W/(m?K)，抗热冲击系数35～74W/cm，折射率no=1.7367，nb=1.7421，nc=1.7346，折射率温度系数8×10-6/K，非线性折射率系数2×10-20m2/W。比红宝石和YAG的均低。发光带中心波长750nm，带宽达100nm，激发波长范围380～700nm。适合于氙灯、汞氙灯、LD或Ar离子泵浦，能产生波长可调谐的高功率激光。基频可调谐范围720～800nm。室温受激发射截面1×10-20cm2，荧光寿命210μs，均与温度有关。随着温度升高而激光阈值降低，激光效率增高，225℃为最佳温度。高质量大尺寸的激光晶体可用提拉法(Czochralski)方法生长。此晶体为重要的高功率可调谐激光晶体。做成激光器，应用于遥感、气象、大气测污、半导体硅退火处理、同位素分离、医疗、光刻及光谱学等领域。 |
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缪友萍 |
张深根 |
| 紫翠宝石激光晶体 |
Cr-doped beryllium aluminate laser crystal;alexandrite laser crystal |
30090000 |
材料大辞典 |
Materials Comprehensive Dictionary |
见掺铬铝酸铍激光晶体 |
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缪友萍 |
张深根 |
| 掺钛蓝宝石激光晶体 |
Ti-doped sapphire laser crystal |
30100000 |
材料大辞典 |
Materials Comprehensive Dictionary |
在基质晶体中掺入Ti3+而形成的输出激光波长可调谐激光晶体。化学分子式：Ti3+：A12O3六方晶系。熔点2050℃，空间群D63d-R3-C，晶胞常数a=4.762?，c=13.003?。硬度为9，仅次于金刚石。特点是掺杂Ti3+只有一个3d电子，无激发态吸收，激光跃迁能级为2E→2T2。晶体具有宽的吸收带(400～600nm)及宽的发射带(650～1200nm)，大的发射截面(3×10-19cm2)，荧光寿命为3.2μs。上述特点使Ti3+：A12O3既有利于泵浦又有利于宽波段调谐，其调谐范围660～1200nm。由于Ti3+：A12O3有宽的线宽，可形成fs级超短脉冲，已获得l4fs激光脉冲输出。制备技术有：焰熔法(Verneuil)、垂直温梯凝固法(VGF)、垂直固化熔化法(VSOM)、区熔法(FZ)、提拉法（Czochralsk）、热交换法（HEM)。用后两种技术生长出的优质晶体已商品化。军事上用于遥感、雷达、测距、目标指示。工业上用于激光加工。科学研究上如超快光谱学、X射线物理学和时间分辨光学。Ti3+：A12O3晶体的半导体二极管泵浦的成功，对实现全固化可调谐激光器有重大意义。 |
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缪友萍 |
张深根 |
| 掺铬硅酸镁激光晶体 |
Cr-doped magnesium silirate laser crystal |
30110000 |
材料大辞典 |
Materials Comprehensive Dictionary |
在基质晶体Mg2SiO4中掺入Cr4+而形成的输出激光波长可调谐的激光晶体。化学分子式：Cr4+：Mg2SiO2。熔点1890℃，属橄榄石族晶体。正交晶系。空间群D2h16-Pnmb，晶胞常数a0=4.7805?，b0=10.2633?，c0=6.002?。晶体具有良好的物理和化学性能。晶体发光的能级跃迁为3T2→3A2，室温下荧光寿命为45μs，低温下为30μs，受激发射截面为～1.1×10-19cm2。可调谐激光波长在近红外区，从1167～1345nm.激光中心波长为1230nm，是迄今为止可在1.3μm区域宽带调谐的最佳材料。制备技术有四种：助熔剂法、Bridgman下降法、焰熔法（Verneuil）和提拉法(Czochralsk)。后者在O2+N2气氛下可生长出Cr4+含量高的优质单晶。用氙灯、氪灯、Nd：YAG激光器及半导体二极管泵浦，实现了脉冲、连续激光输出。自锁模连续Cr4+：Mg2SiO4激光器已获得48fs的超短脉冲。可应用于光通信、遥感、激光测距及超快光谱研究。特别是因在1.2μm附近可调谐，对人眼安全。其调谐波段正好接在掺钛蓝宝石晶体后面，两者相结合，可实现从660～1350nm全波段连续可调谐的全固化可调谐激光器。 |
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缪友萍 |
张深根 |
| 掺铬氟化铝锂钙激光晶体 |
Cr-doped lithium calcium aluminum fluoride laser crystal |
30120000 |
材料大辞典 |
Materials Comprehensive Dictionary |
将Cr3+掺入Colquiriite结构的氟化物基质晶体LiCaAlF6中形成的波长可调谐激光晶体。化学分子式Cr3+：LiGaAlF6，（简称Cr3+：LiCAF6）。熔点为780℃。三方晶系。空间群P31-C，单轴晶，晶胞常数a=4.996?，c=9.636?，折射率：nD=1.387，密度2.95g/cm3，Li-F、Ca-F和Al-F间距分别为2.01、2.27和1.80?。晶体断面坚硬，热导率比Nd：YAG、Cr：BeA12O4、Ti3+：A12O3小，但折射率温度系数为负值，因此热透镜效应小，为Cr：BeAl2O4的1/7。晶体的发射谱是典型的4T2-4A2跃迁，其吸收带为红光及蓝光区，可调谐波段范围720～840nm，峰值激光波长780nm，发射截面1.2×10-20cm2，莹光寿命170μs。优点是其激发态吸收很小，晶体中铬离子的分凝系数接近1，掺铬浓度高且容易掺杂均匀而具有高激光效率。用氪灯泵浦，已获得斜率效率nf达54～61%的激光输出。用半导体二极管泵浦，其斜率效率n达50%。最初用梯度冷却法和垂直Bridgman法生长出具微米散射中心的晶体，经改进技术用垂直Bridgman法生长出激光单晶并经退火消除其中的散射，使损耗减小。晶体因具有宽增益带宽，长荧光寿命和足够的发射截面而使Cr:CAF固体激光器能投入实用。可应用于激光测距机、照明器、激光雷达、海下通信(可倍频到蓝光)、光谱学研究以及泵浦其它激光器。 |
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缪友萍 |
张深根 |
| 掺铬氟化铝锶锂激光晶体 |
Cr-doped lithium strontium aluminum fluoride laser crystal |
30130000 |
材料大辞典 |
Materials Comprehensive Dictionary |
将Cr3+掺入Colquiriite结构的氟化物基质晶体LiSrA1F6中形成的波长可调谐激光晶体。化学式：Cr：LiSrAF6（简称Cr：LiSAF）。其熔点为750 ℃，晶体结构与Cr：LiCAF相同，为三方晶系，空间群P31-C，单轴晶。其热导率比Nd：YAG、Cr：BeAl2O4、Ti3+：Al2O3小，但折射率温度系数是负值，因此热透镜效应小。晶体的发射谱是4T2?4A2跃迁，可调谐激光波长范围750～950nm，峰值激光波长825nm。荧光带宽220nm ，荧光寿命67μs。由于晶体与Cr：LiCAF相比具有较大的激发态(ESA)吸收，因而激光效率相Cr：LiCAF较低。但该晶体的吸收及发射线宽比Cr：LiCAF宽，且向长波方向移动，发射截面比Cr ： LiCAF大4倍，激光阈值低。用闪光灯泵浦已获斜率效率ns=5%，总效率为3%的激光输出(调谐范围：780～ l010nm )。用氪灯泵浦获斜率效率ns=36%的激光输出；用半导体二极管泵浦获斜率效率ns=45%的激光输出。近期用氩离子激光器(488nm )泵浦的连续被动锁模Cr ：LiSAF激光器获得50fs的超短脉冲激光输出。可用水平区熔法，Bridgman下降法以及提拉法(Czochralski)生长Cr：LiSAF晶体。该晶体的应用与Cr：LiCAF相似，但调谐波段更宽且向长波方向移动。可用于激光测距、照明器、激光雷达、海底通信、光谱学、医学。本晶体可配合飞秒超短脉冲Ti：A12O3激光器作激光放大介质。 |
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缪友萍 |
张深根 |
| 半导体激光材料 |
semiconductor laser materials |
30140000 |
材料大辞典 |
Materials Comprehensive Dictionary |
"用于制作各种半导体激光器的半导体材料。种类很多。最重要的有GaAlAs/GaAs(输出波长0.7～0.9μm)，InGaAsP/InP(1.1～1.6μm)、GaAlAsSb/GaAlAsSb(1.5～1.8μm )、A1GaInP/GaInP(632.7～690μm)、InGaAs/GaAs (0. 98μm) 、InGaAs/InP（1. 45～1. 62μm)、InGaSbAs /GaAlSbAs(1. 8～2.4μm)及PbSnTe、PbSnSe、PbSSe等铅盐材料(3～34μm)。对半导体激光材料的基本要求：(1)直接带隙。因为只有直接带隙材料，在电子-空穴复合产生光子时，才无需声子参加，才能有较高的发光效率；(2)作用层和限制层的晶格匹配。限制层和作用层的晶格常数差Δa同作用层晶格常数a之比Δa/a。应足够小。在室温时，GaAs-AlAs、GaP-AlP、GaSb-A1Sb等Δa/a的最大值分别为0.14%、0.01%、0.65%，都是制作异质结激光器、量子阱激光器的好材料；(3)晶体要完整，位错密度、有害杂质浓度应尽量小。衬底材料一般选用二元系直接带隙半导体材料，如GaAs 、InP等。作用层、限制层则一般选用三元或四元系直接带隙半导体材料，如GaAlAs、InGaAsP等。在室温时，不同三元系材料的禁带宽度Eg同组分x之间的关系如下表所示。四元系材料的禁带宽度同组分之间的关系，可以根据三元系的关系推断，或通过实验确定。In1-xGaxAsyP1-y的禁带宽度Eg可由下式决定：理论和实验表明，用量子阱材料作为作用区比用体材料作为作用区要好得多。如阈值降低、输出功率增大、光谱变窄、调制频率增高等。最近还发现，在量子阱激光器中引入适当的应力构成应力层量子阱激光器，将使性能有明显提高。如用Δa /a＜1%的InGaAs/GaAs材料所构成的应力层量子阱激光器，0. 98μm波长的输出功率已达100mW以上；用InGaAsP/InP材料所构成的应力层量子阱激光器，在1.3μm波长，基模的输出功率已达250mW以上。" |
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| 掺铬石榴石晶体 |
Cr-doped garnet crystal |
30150000 |
材料大辞典 |
Materials Comprehensive Dictionary |
在YAG基质晶体中掺入Cr4+形成Cr4+：YAG可调谐激光晶体。化学式：Cr3+： YAG。YAG晶体属立方晶系，空间群Ia3d，晶格常数12.03?，密度4.55g/cm3，熔点1970℃，莫氏硬度8～8.5 ，折射率(λ= 1060nm ) no=1.81。在YAG晶体中40%Al处于四面体氧包围中，其余Al被八面体氧包围。通常若单掺铬则铬离子替代八面体中的Al3+而以Cr3+存在于晶体中。为获得Cr4+则采取双掺的办法即在晶体中同时掺入Ca2+以取代Y3+而留下一个电子，迫使Cr进行电荷补偿而成为Cr4+，因而Cr4+：YAG晶体实为Cr4+，Ca2+：YAG晶体，呈棕色。晶体的激光跃迁为3A2-3T2，可调谐波段范围从1340 ～1560nm，具有宽吸收带，中心波长在1030nm处，室温荧光寿命为3.5μs，峰值增益截面为4×10-19cm2。Cr4+：YAG晶体正好补充了Ti：Al2O3晶体的光谱区，在激光雷达、空间光学、光纤通信、光开关、人眼安全区、OTDR等领域有重要应用价值。用1064nmNd：YAG激光泵浦已实现1350～1560nm脉冲可调谐激光输出。斜率效率为22%，获得连续激光输出，斜率效率为12%，用半导体激光泵浦，已获得皮秒级可调谐超短脉冲输出。晶体制备：(1)用激光加热基座法(LHPG)可生长纤维状Cr4+：YAG晶体；(2)引上法生长，晶体中Cr4+的形成主要与掺Ca2+有关，而与生长气氛或退火处理无关。已生长并切割出Φ5×25～50mm的Cr4+：YAG激光晶体。 |
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