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固体激光器“涅磐重生”:中国技术打破禁运用于激光武器

  :固体激光器用固体激光材料作为工作物质的激光器。1960年,T.H.梅曼发明的红宝石激光器就是固体激光器,也是世界上第一台激光器。固体激光器一般由激光工作物质、激励源、聚光腔、谐振腔反射镜和电源等部分构成。

  这类激光器所采用的固体工作物质,是把具有能产生受激发射作用的金属离子掺入晶体而制成的。在固体中能产生受激发射作用的金属离子主要有三类:(1)过渡金属离子(如Cr3+);(2)大多数镧系金属离子(如Nd3+、Sm2+、Dy2+等);(3)锕系金属离子(如U3+)。

         这些掺杂到固体基质中的金属离子的主要特点是:具有比较宽的有效吸收光谱带,比较高的荧光效率,比较长的荧光寿命和比较窄的荧光谱线,因而易于产生粒子数反转和受激发射。用作晶体类基质的人工晶体主要有:刚玉(NaAlSi2O6)、钇铝石榴石(Y3Al5,O12)、钨酸钙(CaWO4)、氟化钙(CaF2)等,以及铝酸钇(YAlO3)、铍酸镧(La2Be2O5)等。

        用作玻璃类基质的主要是优质硅酸盐光学玻璃,例如常用的钡冕玻璃和钙冕玻璃。与晶体基质相比,玻璃基质的主要特点是制备方便和易于获得大尺寸优质材料。对于晶体和玻璃基质的主要要求是:易于掺入起激活作用的发光金属离子;具有良好的光谱特性、光学透射率特性和高度的光学(折射率)均匀性;具有适于长期激光运转的物理和化学特性(如热学特性、抗劣化特性、化学稳定性等)。晶体激光器以红宝石(Al2O3:Cr3+)和掺钕钇铝石榴石(简写为YAG:Nd3+)为典型代表。玻璃激光器则是以钕玻璃激光器为典型代表。

  一、固体激光器技术简介

  1、工作物质

  固体激光器的工作物质,由光学透明的晶体或玻璃作为基质材料,掺以激活离子或其他激活物质构成。这种工作物质一般应具有良好的物理-化学性质、窄的荧光谱线、强而宽的吸收带和高的荧光量子效率。

  玻璃激光工作物质容易制成均匀的大尺寸材料,可用于高能量或高峰值功率激光器。但其荧光谱线较宽,热性能较差,不适于高平均功率下工作。常见的钕玻璃有硅酸盐、磷酸盐和氟磷酸盐玻璃。80年代初期,研制成功折射率温度系数为负值的钕玻璃,可用于高重复频率的中、小能量激光器。

  晶体激光工作物质一般具有良好的热性能和机械性能,窄的荧光谱线,但获得优质大尺寸材料的晶体生长技术复杂。60年代以来已有 300种以上掺入各种稀土金属或过渡金属离子氧化物和氟化物晶体实现了激光振荡。常用的激光晶体有红宝石(Cr:Al2O3,波长6943埃)、掺钕钇铝石榴石(Nd:Y3Al5O12,简称Nd:YAG,波长1.064微米)、氟化钇锂(LiYF4,简称YLF;Nd:YLF,波长1.047或1.05微米;Ho:Er:Tm:YLF,波长2.06微米)等。

  1973年以来又有一类自激活激光晶体。它的激活离子是晶体的一个化学组分,因而激活离子浓度高,不致产生荧光猝灭。这种晶体的激光增益高,抽远阈值低。主要品种有五磷酸钕(NdP5O14)、四磷酸锂钕(NdLiP4O12)和硼酸铝钕(NdAl3(BO4)3)等。它们多用熔盐法生长,晶体尺寸小,可用于小型固体激光器。

  已研制成的还有多种具有宽带荧光特性的可调谐激光晶体,如终端声子跃迁的金绿宝石(Cr:BeAl2O4,波长0.701~0.815微米,室温工作)、掺镍氟化镁(Ni:MgF2,波长1.6~1.8微米,低温工作)、5d→4f 跃迁的掺铈氟化钇锂(Ce:YLF,波长0.306~0.315微米,用准分子激光器激励,室温工作)和碱卤化物的色心激光晶体(不掺杂或掺杂的氯化钾、氟化锂等,波长0.8~3.9微米,大多在低温下工作)。

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