引言
激光晶体是固态激光器的核心。它们是光放大发生的媒介，产生激光束。在这篇全面指南中，我们深入探讨激光晶体的世界。
图 1. Ho:YAG
激光晶体的结构
激光晶体的核心由固态晶体材料组成，通常掺杂了某些能够通过受激发射产生光放大的离子。这些离子的性质对激光晶体的性能起决定作用。
主体材料
主体材料或基底是一种晶体结构，为活性离子提供物理和光学媒介。它主要决定了晶体的热和机械性能。主体材料的种类繁多，从各种类型的石榴石，如YAG和GGG，到其他晶体结构，如YLF和YAP。
活性离子
活性离子嵌入主体材料中，负责产生激光光束。它们的性质决定了发射波长和激光操作的效率。常用的活性离子包括钕（Nd）、铒（Er）和钛（Ti）。
掺杂浓度
主体材料中活性离子掺杂物的数量是关键因素。它影响了激光的效率和性能。过低的浓度可能导致低输出，过高的浓度可能导致消光效应，降低晶体的效率。
热性能
为了使激光器有效运作，需要有效管理运行过程中产生的热量。具有良好热导率的激光晶体可以更有效地散热，防止热透镜效应或断裂。
图 2. Nd:YAG
光学质量
晶体的光学质量对激光器的有效运行至关重要。晶体中的缺陷或杂质可能导致光散射、吸收甚至损坏晶体。高光学质量确保了稳定和高质量的激光束。
高效激光晶体的特性
激光晶体的效率在很大程度上依赖于某些属性，这些属性不仅限于其基本组成。这些特性决定了产生的激光光束的质量和随后的应用。
激光跃迁
活性离子在激光晶体内发生的能量跃迁对激光操作至关重要。大多数激光操作都是通过四能级系统原理进行的，确保连续操作并防止浪费的非辐射衰变。
线宽
活性离子发射的光谱线宽影响了激光的可调谐性。窄线宽可能限制了可调谐性，但可能导致更单色的输出。另一方面，广泛的线宽，如在Ti:蓝宝石中所见，允许广泛的可调谐性。
亚稳态寿命
亚稳态寿命也起着重要作用。较长的寿命允许更多的储能和实现粒子数反转的更高潜力，这对激光动作至关重要。
图 3. Nd:YVO4
量子效率
量子效率是发射光子数量与吸收光子数量的比率。高量子效率表明更大部分吸收能量被转化为激光光束，有助于提高激光的整体效率。
损伤阈值
激光晶体的损伤阈值与其能承受的最大光强有关，而不会遭受物理或结构损伤。高损伤阈值对于确保高功率激光应用的耐久性和长寿命至关重要。
极化性能
激光晶体的极化性能可能会影响输出激光束的质量和特性。有些激光晶体产生线性偏振光，这对某些应用可能有益。
热膨胀和收缩
热膨胀和收缩系数对确定激光晶体的热透镜特性至关重要。最小化热透镜效应对于在广泛的操作温度范围内保持光束质量至关重要。
图 4. 钛:蓝宝石晶体
常见的激光晶体基底
激光晶体的基础在于其基底。在这里，我们将探讨如YAG、YLF、GGG和YAP等常见的激光晶体基底。
钇铝石榴石 (YAG)
YAG是最广泛使用的激光晶体，因为它具有出色的热、化学和机械性质。它最受欢迎的活性离子是钕（Nd），从而制成Nd:YAG晶体。
钇锂氟化物 (YLF)
YLF晶体因其较大的非线性系数和宽的透射范围而闻名。它们的主要活性离子是钕（Nd）和镨（Pr）。
钆镓石榴石 (GGG)
GGG晶体因其良好的热和化学稳定性而被视为磁性薄膜的优异基底。它们通常与钕（Nd）和铽（Tb）掺杂。
钇铝钙钛矿 (YAP)
YAP晶体因其高的热导率而受到认可，并通常与铈（Ce）掺杂以增强其闪烁性能。
钆钪镓石榴石 (GSGG)
GSGG是另一个重要的激光晶体基底。由于其高的热导率和优异的热和化学稳定性，GSGG是高功率和脉冲激光器的首选基底。与铬（Cr）和钕（Nd）等活性离子掺杂后，它导致了如Cr:GSGG和Nd:GSGG等激光晶体的形成。Cr:GSGG因其广泛的发射光谱而闻名，用于可调谐激光器。另一方面，由于其长的荧光寿命，Nd:GSGG受到高能Q开关激光器的欢迎。
图5. Yb:YAG
关于部分激光晶体的特点
让我们深入探讨几种激光晶体及其显著的特性。
钕掺杂的钇铝石榴石 (Nd:YAG)
Nd:YAG是最受欢迎的激光晶体之一。由于其耐用性、光学清晰度和良好的热导率，它在多种应用中都展现出卓越的性能，包括材料加工和医疗技术。
钛掺杂的蓝宝石 (Ti:Sapphire)
Ti:Sapphire是一种调谐范围非常广的激光晶体，具有宽的增益带宽。它是超快和锁模激光器的首选，并在光谱学和光化学中起到至关重要的作用。
钕掺杂的钒酸钇 (Nd:YVO4)
Nd: YVO4是一种高效的激光晶体，因其高吸收和发射截面而获得了广泛的认可。它常用于二极管泵浦固态激光器，因为它具有高的泵浦量子效率和优良的热导率。此外，它还广泛应用于精密打标、医疗诊断和全息摄影。
镱掺杂的钇铝石榴石 (Yb:YAG)
Yb:YAG以其极高的量子效率和优良的热性能而脱颖而出。它特别适用于高功率的连续波激光器和短脉冲的产生，因此在工业切割和焊接以及医疗激光系统中很受欢迎。
铥-钬-铬掺杂的钇铝石榴石 (Tm,Ho,Cr:YAG)
这种三重掺杂的YAG晶体集合了铥、钬和铬的能力。Tm,Ho,Cr:YAG因其在室温下的高效操作、广泛的发射光谱和多波长使用而著称。主要用于医疗应用和开发安全的眼部激光器。
结论
探索激光晶体的领域，可以让我们看到科学和技术相结合的奇迹，为我们带来了令人难以置信的进步。这些激光晶体，每一种都在组成和特性上独具匠心，是推动现代世界众多应用的动力。
理解它们的基本原理，从YAG、YLF、GGG、YAP和GSGG等基底的角色，到各种活性离子的功能，为我们更深入地了解它们的广泛应用奠定了基础。这些掺有特定离子的基底创造了激光介质，这对于光的放大和激光束的产生至关重要。
更重要的是，了解这些激光晶体的各种固有和外在属性，例如它们的激光跃迁、线宽、元态寿命、量子效率、损伤阈值和偏振特性，能加深我们对它们在各种应用中的有效性和适应性的理解。无论是Nd:YAG在材料加工和医疗技术中的突出表现，还是Ti:Sapphire在光谱学和光化学中的关键作用，每一种激光晶体都有其特定的重要性。
总之，激光晶体以其丰富的种类和独特的能力站在众多技术创新的前沿。对它们的了解不仅对当前的应用至关重要，而且为激光技术的未来可能性敞开了大门。随着这一领域的持续研究和发展，我们可以期待未来将有更多功能更强、效率更高的激光晶体，推动众多行业和科学领域的进步。它们的潜力是巨大的，预示着一个由光的力量照亮的未来。
常见问题
- 激光晶体中活性离子的作用是什么？ 活性离子在激光晶体中负责通过受激发射产生激光光线。
- 为什么YAG是激光晶体的热门选择？ YAG受欢迎是因为它具有出色的热、化学和机械性质。
- 激光晶体中是如何产生激光束的？ 激光束是通过向激光晶体泵入能量产生的，这使得电子移动到一个更高的能级。当它们返回到原始状态时，它们会发出光，这些光在激光晶体中得到放大，形成激光束。
- 激光晶体有哪些应用？ 激光晶体用于材料加工、医疗技术、通信和LIDAR应用等众多领域。
- Ti:Sapphire激光晶体的优点是什么？ Ti:Sapphire激光晶体调谐范围广，增益带宽宽，非常适合超快和锁模激光器。
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