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激光晶体的现状及发展趋势分析

导读: 激光材料是激光技术发展的核心和基础,具有里程碑的意义和作用:20世纪60年代第一台红宝石晶体激光器问世,激光诞生。

  1 引言

  激光材料激光技术发展的核心和基础,具有里程碑的意义和作用: 20世纪60年代第一台红宝石晶体激光器问世,激光诞生;70年代掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)[引,固体激光开始大力发展;80年代钛宝石晶体(Ti:A1203)E引,超短、超快和超强激光已成为可能,飞秒(fs)激光科学技术蓬勃发展、并渗透到各个基础研究和应用学科领域;90年代矾酸钇晶体(Nd:YV04) ,固体激光的发展进入新时期一全固态激光科学技术(SSDPL,Solid-state LD Pumped Laser);进入新世纪,上世纪60年代初出现的激光和激光科学技术,正以其强大的生命力推动着光电子技术和产业的发展,激光材料也在单晶、玻璃、光纤和陶瓷等四方面全方位迅猛展开,如微一纳米级晶界,完整性好、制作工艺简单的微晶激光陶瓷和结构紧凑、散热好、成本低的激光光纤,正在向占据激光晶体首席达40年之久的Nd:YAG发出强有力的挑战,激光材料也已从最初的几种基质材料发展到数十种,受到各国政府、科学界乃至企业界的高度重视。

  2 国内外现状和研究进展

  2.1高功率激光晶体

  Nd:YAG的出现使得固体激光器真正开始大力发展,并实现商业化,因其增益高、热性能和机械性能良好而成为当前科研、工业、医学和军事应用中最重要的固体激光器。特别是在高功率连续和高平均功率固态激光器方面,20世纪90年代前,闪光灯泵浦的Nd:YAG激光晶体独占熬头,单根棒的输出功率可达kW量级.随着激光二极管(LD)的迅速发展,大功率激光器的泵浦方式也有重大发展.LD泵浦激光器的高效率、高质量、长寿命、高可靠性、小型化以及全固化等优越性是灯泵无法相比的. 1993年,LD泵浦的Nd:YAG板条已获得1.05kW的平均输出功率。

  通过基质晶体中阳离子置换形成的Nd:GGG激光晶体,与Nd:YAG比较具有如下优点:(1)Nd3+在GGG中的分凝系数为0.5,是YAG(0.18)的近三倍;(2)Nd:GGG的平界面生长较Nd:YAG的凸界面更容易获得大尺寸、高质量的单晶体.而且,由于Nd:GGG具有好的热机械性能、化学稳定性、高的热导率,是新一代战略武器级高功率固体热容激光器的优选工作物质.2003年,美国利弗莫尔国家实验室LD泵浦的Nd:GGG激光器的平均输出功率已经达到10kW,在2004年又突破30kW,预期到2007达到一个脉冲100kW,每秒200个脉冲。作为战略武器级的Nd:GGG热容激光器,其功率必须达到100kW以上。目前所生长的晶体尺寸还没有达到战略武器级的需要.按照美国利弗莫尔国家实验室Nd:GGG热容激光武器方案,晶体的直径至少在160mm以上。所以,大直径优质激光晶体是发展固体强激光的前提和基础。

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