1 什么是YAG固體激光器

固體激光器是最重要的一種激光器，不但激活離子密度大，振蕩頻帶寬，能產生譜線窄的光脈沖，而且具有良好的機械性能和穩(wěn)定的化學性能。其體積小、效率高、性能穩(wěn)定等特點使其成為當前光電子技術領域的一個研究熱點。對于固體激光器來說有3種重要的激光介質：單晶、玻璃和陶瓷。 

單晶工作物質的激光器體積小，性能可靠、穩(wěn)定，并適用于各種連續(xù)和脈沖激光器件。但提拉法生長單晶由于其生長周期長、價格昂貴、尺寸小及摻雜濃度低，使其性能和應用范圍受到限制。 

多年來材料科學工作者一直試圖用玻璃、微晶玻璃、多晶陶瓷作為激光工作物質來替代單晶。激光玻璃的突出優(yōu)點是制備成本低，易實現(xiàn)大尺寸以及高的光學均勻性，但是，玻璃的熱導率[一般低于1 W/(m·K)]遠低于絕大多數(shù)激光晶體的，導致激光玻璃在以高平均功率工作時，材料內部產生大的熱致雙折射和光學畸變；這一點在強激光領域應用時表現(xiàn)得尤其突出，而且其激光效率與單晶材料相比也較低。而且玻璃的硬度不夠高、熒光線寬較寬和激光振蕩閾值較高，不利于作為高性能的激光材料。 

激光透明陶瓷具有很多單晶和玻璃所不具備的優(yōu)點：和單晶相比，透明陶瓷具有摻雜濃度高，摻雜均勻性好，燒結溫度低，周期短，成本低，質量可控性強，尺寸大，形狀自由度大以及可以實現(xiàn)多層多功能激光器等優(yōu)點；和玻璃相比，透明陶瓷具有單色性好，結構組成更為理想，熱導率高和可承受的輻射功率高等優(yōu)點。 

由于陶瓷是多晶，其內部的晶界、氣孔、晶格的不完整性等都會導致材料的不透明性及增加光的散射損失，因此將其用于激光介質存在一定困難。為了制備和單晶激光性能相當?shù)母咂焚|、高透明度的激光陶瓷，人們做了大量的研究工作。 

在所有的材料中，立方晶系的晶體，譬如石榴石型的晶體和稀土倍半氧化物，它們在沿光軸方向上的折射率差等于零而且可以提供低對稱性的格位，是制備透明陶瓷的最佳選擇，其中最具代表性的是Nd:YAG 透明陶瓷。 

2 激光的產生原理

2.1 理論基礎 

【波爾茲曼統(tǒng)計分布】  根據(jù)統(tǒng)計力學原理，大量相同粒子(原子、離子、分子)集合處于熱平衡溫度下，粒子數(shù)按能級的分布服從波耳茲曼分布規(guī)律，即  N2/N1∝exp[-(E2- E1 )/kT]  其中N2、N1 分別為能級E2和E1 上的粒子數(shù)。 在熱平衡條件下絕大部分粒子處于基態(tài)，即處于低能級上的粒子數(shù)總多于高能級上的粒子數(shù)，因而受激吸收總占優(yōu)勢。這叫粒子數(shù)正常分布。

【光的吸收和發(fā)射】  輻射與物質的相互作用主要包括受激吸收、自發(fā)輻射和受激輻射，各原子的自發(fā)輻射是獨自進行的，彼此無關，因而不能產生激光。受激輻射是處于高能級的原子在入射頻率為ν21的光子感應下受激發(fā)射，躍遷到E1能級上，可以產生相干光波，從而發(fā)射激光。

【粒子數(shù)反轉】  要想使受激輻射占優(yōu)勢或者說占主導地位，就必須使N2>N1。如果借助于外界的激勵，破壞粒子的熱平衡分布，就可能使高能級E2的粒子數(shù)N2大于低能級E1的粒子數(shù)N1。由于它同正常分布相反，所以叫粒子數(shù)反轉分布。 

粒子數(shù)反轉分布的作用在于當外來光輻射時，受激輻射總是大于受激吸收，因而產生了光的放大信號。實驗證明，許多物質給予一定激勵后，能實現(xiàn)這種反轉分布，它為激光的產生提供了基礎。

2.2    Nd:YAG 陶瓷激光器激光產生的過程 

2.3    Nd3+外層電子組態(tài)為4f35s25p6，其中4f 未被填滿。4f上的3個電子可以處于不同的運動狀態(tài)，結果形成一系列能級。2 K3/2+4 G1/2+4 G9/2，4 G5/2+2 G7/2， 4 F1/2+4S3/2，4F5/2+2H9/2 和4F3/2 為吸收能級，其中4F5/2+2H9/2 能級的吸收范圍在800 nm 附近，和激光二極管泵浦源的輸出相匹配，因此對實現(xiàn)高功率和高效率的小型化激光器件十分有利。

當激光工作物質的粒子Nd3+吸收了外來能量后，就要從基態(tài)躍遷到不穩(wěn)定的高能態(tài)(受激吸收)，很快無輻射躍遷到一個亞穩(wěn)態(tài)能級。粒子在亞穩(wěn)態(tài)的壽命較長，所以粒子數(shù)目不斷積累增加(泵浦過程)。當亞穩(wěn)態(tài)粒子數(shù)大于基態(tài)粒子數(shù)，即實現(xiàn)粒子數(shù)反轉分布，粒子就要跌落到基態(tài)并放出同一性質的光子，光子又激發(fā)其他粒子也跌落到基態(tài)，釋放出新的光子，這樣便起到了放大作用。如果光的放大在一個光諧振腔里反復作用，便構成光振蕩，并發(fā)出強大的激光。  

3         Nd:YAG 陶瓷激光器的性能 

Nd：YAG 陶瓷是用燒結方法制備的，不僅生長周期短，而且容易獲得更大的尺寸。原子百分數(shù)為1.1％的Nd-YAG陶瓷經過熱腐蝕后的反射顯微鏡圖像，樣品的晶粒尺寸為幾十微米，具有完美的無孔結構。樣品的透光率和燒結時間的關系，樣品的厚度為3mm，在1750℃燒結，在燒結2小時后，樣品的透光率達到飽和。

1.1at.％Nd:YAG陶瓷和0.9at.％Nd:YAG單晶的透光率和樣品厚度的關系， Nd:YAG陶瓷的光衰減系數(shù)小于0.9%/cm,和Nd:YAG單晶幾乎相同。說明Nd:YAG陶瓷具有很好的透光能力。

1.0at.％Nd:YAG單晶和4.8at.％Nd:YAG陶瓷的吸收光譜的比較，光波波長范圍是780nm-840nm。4.8at.％Nd:YAG陶瓷的吸收系數(shù)是1.0at.％Nd:YAG單晶的4.8倍。 

1.1at.％Nd:YAG陶瓷和0.9at.％Nd:YAG單晶的激光震蕩性能， 1.1at.％Nd:YAG陶瓷的閾值和斜率效率分別為309 mW和28%，和0.9at.％Nd:YAG單晶相當。 

1.0at.％Nd:YAG單晶和4.8at.％Nd:YAG陶瓷的激光震蕩性能的比較，陶瓷激光器的輸出功率是單晶激光器的4倍。

由以上結論可知，Nd:YAG 陶瓷激光器具有良好的材料和光學特性，并且具有可摻雜濃度高、制備周期短、生產成本低、能夠大規(guī)模生產等優(yōu)點，相比于單晶激光器有許多優(yōu)異的性能，具有更高的光-光轉換效率。   

4 Nd:YAG 陶瓷激光器優(yōu)點 

4.1激光的特點 

（1）相干性好。所有發(fā)射的光具有相同的相位。 

（2）單色性純。因為光學共振腔被調諧到某一特定頻率后，其他頻率的光受到了相消干涉。  （3）方向性好。光腔中不調制的偏離軸向的輻射經過幾次反射后被逸散掉。

（4）亮度高。激光脈沖有巨大的亮度，激光焦點處的輻射亮度比普通光高108～1010 倍。  4.2 Nd:YAG 陶瓷激光器特點 

激光透明陶瓷具有良好的材料和光學特性，并且具有摻雜濃度高，摻雜均勻性好，燒結溫度低，制備周期短，生產成本低，質量可控性強，尺寸大，形狀自由度大以及可以實現(xiàn)多層多功能激光器等優(yōu)點，成為繼單晶和玻璃之后的又一具有較好前景的激光材料。近年來，國內外對陶瓷激光器的研究比較關注并且取得了較大的進展，隨著制備工藝的進一步發(fā)展，陶瓷激光器將可能有更好的發(fā)展前景。  

5激光的應用與發(fā)展趨勢 

4.1激光的應用現(xiàn)狀 

4.1.1激光在自然科學研究上應用  在熟悉的反射、折射、吸收等光現(xiàn)象中，反射光、折射光的強度與入射光的強度成正比，這類現(xiàn)象稱為線性光學現(xiàn)象。如果強度除了與入射光強度成正比外，還與入射光強調成二次方、三次方乃至更高的方次，這就屬非線性光學效應。這些效應只有在入射光足夠大時才表現(xiàn)出來。  

高功率激光器問世后，人們在激光與物質相互作用過程中觀察到非線性光學現(xiàn)象，如頻率變換，拉曼頻移，自聚焦，布里淵散射等。

4.1.2激光測距、激光雷達  利用激光的高亮度和極好的方向性，做成激光測距儀，激光雷達和激光準直儀。激光測距的原理與聲波測距原理類似。  

激光雷達與激光測距的工作原理相似，只是激光雷達對準的是運動目標或相對運動目標。利用激光雷達又發(fā)展了遠距離導彈跟蹤和激光制導技術，這些在1991年海灣戰(zhàn)爭中都已投入使用。激光制導導彈，頭部有四個排成十字形的激光接收器（四象限探測儀）。四個接收器收到的激光一樣多，就按原來方向飛行；有一個接收器接受的激光少了，它就自動調整方向。另一類激光制導是用激光束照射打擊目標，經目標反射的激光被導彈上的接收器收到，引導導彈擊中目標。 

激光準直儀起到導向作用，例如在礦井坑道的開挖過程中為挖掘機導向。激光  準直儀還被用在安裝發(fā)動機主軸系統(tǒng)等對方向性要求很高的工作中。

4.1.3激光在工業(yè)上的應用  在現(xiàn)代重工業(yè)中，如材料切割、焊接、快速成型等過程中，激光技術體現(xiàn)出了優(yōu)越性。激光可以通過軟件來控制軌跡。激光加工屬于非接觸加工，因此穩(wěn)定性和壽命都比較好。 在當今半導體行業(yè)，光科技術已成為半導體工業(yè)的“領頭羊”。激光器在線加工已成為不可或缺的一部分。

4.1.4激光在醫(yī)學領域的應用  激光在醫(yī)療領域有著非常廣泛的應用。激光與生物體的作用產生多種效應，如熱效應、壓力效應、光化效應、電磁效應。有時，這幾種效應在作用是同時存在。  

激光類醫(yī)療器材產品被定義為：為了手術、治療或醫(yī)療診斷目的而進行人體照射的那些種類的醫(yī)療器材產品。激光醫(yī)療設備可分為激光治療器、激光診斷儀器和激光檢測設備。

4.1.5激光通信  激光通信主要是利用激光的單色性和方向性好的特點。根據(jù)傳輸媒質的不同，激光通信可分為宇宙通信、大氣通信、水下通信以及光纖通信。  民用光纖通信的容量很大，且成本低。目前光纖通信蓬勃發(fā)展，已成為重要的民用領域之一。

4.1.6激光與能源  激光具有高亮度的特點，在能源利用上也有其自身獨特的優(yōu)勢。   目前，激光與核能的應用緊密相關：一是激光分離同位素，用于核燃料的提純工作；二是激光核聚變。 

用于激光傳輸不需要介質，因而可作為遠距離作用能源。

4.2激光的發(fā)展趨勢

4.2.1功率越來越高  超短超強飛秒激光器可用于激光核聚變實驗和高能量密度物理研究，在商用上也有巨大的潛力。飛秒激光器用于光纖通信可擴展通信寬帶，到2010年通信系統(tǒng)的傳輸速率達到5～10Tbps。

4.2.2小型化、集成化激光器  目前，全球固體激光器市場一派興旺，半導體激光器迅速增長，二極管泵浦的固體激光器成為新的增長點。據(jù)研究表明，激光二極管采用脈沖方式供電可以在相當程度上提高其峰值功率，這將有效推進激光二極管在材料處理中的使用。

4.2.3陣列激光器   光通信的迅猛發(fā)展極大推動了陣列激光器的出現(xiàn)和進一步發(fā)展。據(jù)研究表明，陣列激光器非常適合全光互連，采用光子晶體耦合激光器顯著提高了出光效率。 

4.2.4新波段激光器  近年來，中遠紅外激光器、極紫外激光器等也得到了發(fā)展，現(xiàn)已有近千種工作介質，可產生的激光波長包括從真空紫外到遠紅外，光譜范圍越來越寬。

4.2.5高效率  激光器的出光效率越來越高。新型YAG激光器的斜度效率在泵浦功率>20W時約為81%。 

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2015-0504