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常用激光晶体的特点介绍以及应用项目

2022-03-29 14:39:49 来源：维尔克斯光电

自从1960年第1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*为广泛的。

Nd:YVO₄与Nd:YAG比较的优点：

与Nd：YAG相比，Nd：YVO₄在1064 nm处的受激发射截面大几倍，在1342 nm处的受激发射截面是Nd：YAG的十二倍以上。如果要构造脉冲或连续波激光器， Nd：YVO ₄代替Nd：YAG的良好介质。

吸收系数Nd：YVO⁴大于Nd：YAG，并且在使用相同的808 nm二极管的情况下，如果使用Nd：YVO₄，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:YVO₄与Nd:YAG比较的缺点：

Nd：YVO ₄的上态寿命比Nd：YAG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Nd：YAG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

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。1982年6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Nd：YAG和YLF，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0用激光系统，激光雷达，激光光谱学

Nd:YAG晶体
Nd：YAG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。Nd：YAG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。Nd：YAG晶体吸收808nm，通常在1064nm的峰值附近发光，但在940nm，1120nm，1320nm和1440nm附近也有跃迁。

在高功率连续激光器和固态激光器，以及jun用激光器方面，Nd：YAG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914nm，1064nm和1342nm。

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Ti：Sapphire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Nd：YAG更柔软，更脆；激光光学谐振器内部使用的Nd：YLF（a形）晶体是自偏振的	连续波和1047nm和1053nm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 m）带内泵浦激光器；连续波和调Q开关3 m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VUV到10 m区域）；负热光系数	CW和Q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+至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LIDAR和LIBS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Yb到Er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，LIDAR和LIBS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 m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 nm至3300 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*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Cr：YAG晶体可以实现自锁模（KML）。	适用于工作于1 m的激光器的无源Q开关-掺钕（Yd）和掺（（Yb）的YAG，YAP，YLF和YVO 4；Cr：YAG也可以用作可在1340 – 1600 nm调谐的激光晶体