激光晶體的原理

激光晶體（laser crystal）是一種能將外界提供的能量通過光學(xué)諧振腔轉(zhuǎn)化為在空間和時(shí)間上相干的具有高度平行性和單色性激光的晶體材料，是晶體激光器的工作物質(zhì)。激光晶體是重要的光電信息功能材料之一，是光電子技術(shù)特別是激光技術(shù)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，其發(fā)展程度與激光技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。激光晶體技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用是衡量一個(gè)國家高科技發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。隨著光電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的日益廣泛，對激光晶體材料也提出更高、更新的要求。晶體材料可以用來進(jìn)行激光頻率轉(zhuǎn)換，擴(kuò)展激光的波長；用來調(diào)制激光的強(qiáng)度、相位；實(shí)現(xiàn)激光信號的全息存儲、消除波前疇變的自泵浦相位共軛等等。所以，非線性光學(xué)晶體是高新技術(shù)和現(xiàn)代軍事技術(shù)中不可缺少的關(guān)鍵材料，各發(fā)達(dá)國家都將其放在優(yōu)先發(fā)展的位置，并作為一項(xiàng)重要戰(zhàn)略措施列入各自的高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃中，給予高度重視和支持

激光晶體原理

激光晶體可將外界提供的能量通過光學(xué)諧振腔轉(zhuǎn)化為在空間和時(shí)間上相干的具有高度平行性和單色性激光的晶體材料。是晶體激光器的工作物質(zhì)。激光晶體由發(fā)光中心和基質(zhì)晶體兩部分組成。大部分激光晶體的發(fā)光中心由激活離子構(gòu)成，激活離子部分取代基質(zhì)晶體中的陽離子形成摻雜型激光晶體。激活離子成為基質(zhì)晶體組分的一部分時(shí)，則構(gòu)成自激活激光晶體。

激光晶體所用的激活離子主要為過渡族金屬離子和三價(jià)稀土離子。過渡族金屬離子的光學(xué)電子是處于外層的3d電子，在晶體中這種光學(xué)電子易受到周圍晶場的直接作用，所以在不同結(jié)構(gòu)類型的晶體中，其光譜特性有很大差異。三價(jià)稀土離子的4f電子受到5s和5p外層電子的屏蔽作用，使晶場對其作用減弱，但晶場的微擾作用使本來禁戒的4f電子躍遷成為可能，產(chǎn)生窄帶的吸收和熒光譜線。所以三價(jià)稀土離子在不同晶體中的光譜不像過渡族金屬離子變化那么大。

激光晶體所用的基質(zhì)晶體主要有氧化物和氟化物。作為基質(zhì)晶體除要求其物理化學(xué)性能穩(wěn)定，易生長出光學(xué)均勻性好的大尺寸晶體，且價(jià)格便宜，但要考慮它與激活離子間的適應(yīng)性，如基質(zhì)陽離子與激活離子的半徑、電負(fù)性和價(jià)態(tài)應(yīng)盡可能接近。此外，還要考慮基質(zhì)晶場對激活離子光譜的影響。對于某些具有特殊功能的基質(zhì)晶體，摻入激活離子后能直接產(chǎn)生具有某種特性的激光，如在某些非線性晶體中，激活離子產(chǎn)生激光后通過基質(zhì)晶體能直接轉(zhuǎn)換成諧波輸出。

用作晶體類基質(zhì)的人工晶體主要有：剛玉（NaAlSi2O6）、釔鋁石榴石（Y3Al5，O12）、鎢酸鈣（CaWO4）、氟化鈣（CaF2）等，以及鋁酸釔（YAlO3）、鈹酸鑭（La2Be2O5）等。對于晶體主要要求是：易于摻入起激活作用的發(fā)光金屬離子；具有良好的光譜特性、光學(xué)透射率特性和高度的光學(xué)（折射率）均勻性；具有適于長期激光運(yùn)轉(zhuǎn)的物理和化學(xué)特性（如熱學(xué)特性、抗劣化特性、化學(xué)穩(wěn)定性等）。晶體激光器以紅寶石（Al2O3：Cr3+）和摻釹釔鋁石榴石（簡寫為YAG：Nd3+）為典型代表。