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固体激光工作物质是由基质材料和掺杂离子(激活离子)两部分组成。工作物质的物理性能主要取决于基质材料,而它的光谱特性主要由激活离子内的能级结构来决定。激光工作物质中的发光中心是激活离子,在这些离子的电子组态中,未满内壳层的电子可以处于不同轨道运动状态,形成一系列的能级,激光工作能级是这些离子的未满内壳层电子能级。由于受到外层电子的屏蔽作用,所以电子发生能级跃迁不会受到晶体场太大的影响,因而在不同基质中的这类离子光谱与自由状态的离子光谱相似。固体激光器对工作物质的要求如下:
(Ⅰ)光学和光谱特性;
(a) 具有三能级或四能级系统,从降低阈值和提高效率的角度来衡量能级结构,四能级优于三能级;
(b) 具有宽的吸收带、大的吸收系数和吸收截面,以利于储能;
(c) 掺入的激活离子具有有效的发射光谱和大的发射截面;
(d) 在泵浦光的光谱区和振荡波长处高度透明;
(e) 在激光波长范围内的吸收、散射等损耗小,损伤阈值高;
(f) 激活离子能够实现高浓度掺杂,且荧光寿命长;
(g) 不因泵浦光激发产生色心而导致对光的有害吸收;
(h) 足够大的尺寸和良好的光学均匀性。
(Ⅱ)物化特性:弹性模量大,热导率高,热膨胀系数小;组分、结构及离子价态稳定;对水、溶剂和环境气氛等的化学稳定性好,具有良好的光照稳定性。
(Ⅲ)热光稳定性好,热光系数最好接近于零;热光畸变(包括热透镜效应,热应力感生的双轴聚焦,热应力双折射和退偏效应)要小。
(Ⅳ)机械性能:硬度高,自破坏阈值高,抗破坏强度大,易于加工研磨。
目前,用作激光工作物质的材料主要有晶体、玻璃和陶瓷。激光晶体材料包括氟化物、氧化物、溴化物、硫化物、氧氟化物、氧氯化物和氧硫化物等。激活离子覆盖了镧系、过渡元素和锕系的一些元素。激光玻璃主要有氧化物玻璃系统(硅酸盐、锗酸盐和磷酸盐玻璃等)和非氧化物玻璃系统(卤化物和硫化物玻璃等),迄今为止只有稀土离子在玻璃基质中实现了激光发射。激光陶瓷的研究体系比较少,主要集中在YAG、Y2O3、Sc2O3、Lu2O3和YSAG等立方相体系中,激活离子包括Nd、Yb、Pr、Sm、Cr等稀土离子。
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