1、第2章 固體激光材料及典型固體激光器2.1 固體激光材料2.2 固體激光器2.1 固體激光材料固體激光材料的主要特性：包括：基質材料、激活離子激活離子：發(fā)光中心包括：1）過渡族金屬離子； 2）3價稀土金屬離子； 3）2價稀土金屬離子； 4）錒系離子基質材料：能為激活離子提供合適的配位場。一般有玻璃、晶體、陶瓷3大類。1）激光晶體）激光晶體 熱導率高、熒光譜線窄、硬度較大。a. 氧化物晶體 (Nd:YAG等)b. 各種鹽類晶體c. 氟化物晶體最重要的元素：釹（Nd）a. 氧化物晶體 最重要的元素：釹（Nd）摻釹激光晶體的中心波長：0.91 m、1.06 m、1.35 m。1）Nd:YAG 晶體Y

2、AG：硬度高、光學質量好、機械強度高、導熱性好。在激光波長范圍內透過率高，熒光譜線窄。高增益、低閾值輸出激光。目前高效率、高平均功率激光器的增益介質之一。中心波長及對應能級躍遷：吸收帶：1.06 m的熒光最強；1.32 m譜線屬于四能級系統(tǒng)，采用選頻技術使其振蕩；0.946 m屬于三能級，閾值高，很難在室溫下運轉。2）Nd:YVO4 晶體YVO4 基質對釹離子有敏化作用，可以促進其吸收能力，有利于模式的耦合，提高轉換效率。發(fā)射截面高，可得到低閾值的激光輸出。缺點：導熱差，不適于大功率激光輸出；熒光壽命短，不適于脈沖輸出。3）Nd:GdVO4 晶體吸收截面大，發(fā)射截面大。同時有較高的導熱率。適用

3、于高功率場合，成為LD泵浦高功率激光器的理想工作物質。2）激光玻璃）激光玻璃特性：釹玻璃是玻璃激光材料的典型代表，即以玻璃為基質，摻入適量的氧化釹而成的固體激光工作物質。激光特性和晶體類似。同樣產生0.91 m、1.06 m、1.35 m波長的激光。但在室溫下，通常只產生1.06 m的激光振蕩。線寬增加，導致閾值增加，但激光介質中儲存能量更多。釹玻璃的光學均勻性良好，摻雜濃度均勻等，易于制成特大功率的激光器（用于受控熱核聚變等實驗中）。美國國家點火裝置用磷酸鹽玻璃3）激光陶瓷）激光陶瓷多數情況下透明，晶粒尺寸在幾十微米，其光學性能、力學性能、導熱性能等類似于晶體或優(yōu)于晶體。固體激光材料熱效應研

4、究的實例固體激光材料熱效應研究的實例固體激光器在連續(xù)和脈沖工作方式下，輸入泵浦源的能量只有少部分（約為百分之幾）轉化為激光輸出，其余能量轉化為熱損耗。熱損耗導致激光器件熱形變、光彈效應、應力雙折射等現(xiàn)象。解決方法：半導體制冷或循環(huán)水冷卻。基于數值法，建立符合實際條件的單端泵浦方形激光晶體熱模型。泵浦光為高斯分布。激光晶體沿軸向對稱加熱，周邊溫度恒定的特點。熱傳導方程+邊界條件，得到激光晶體的溫度場和熱形變場等。1、單端泵浦、周邊恒溫方形激光晶體熱模型Z=0平面處泵浦光分布：Z=z平面處經晶體吸收后泵浦光分布：考慮由于熒光量子效應和內損耗吸收泵浦光的能量而發(fā)熱：熱轉換效率：邊界條件為：2、方形激

5、光晶體內部溫度場激光晶體內部熱傳導遵守Poisson方程：可得：其中，利用Matlab軟件，計算激光晶體內部的溫度場。1）方形Nd:GdVO4晶體內部溫度場：2）泵浦光功率變化對方形Nd:GdVO4晶體內部溫度場分布的影響：3）泵浦光光斑變化對方形Nd:GdVO4晶體內部溫度場分布的影響：4）吸收系數變化對方形Nd:GdVO4晶體內部溫度場分布的影響：摻雜濃度越低，吸收系數越小。其中，泵浦光功率及泵浦光斑相同但吸收系數不同，在晶體中形成的熱源強度及分布有較大差別。吸收系數越大，熱源越向端面集中。強烈的熱應力作用會導致端面破裂。吸收系數越大，熱源越向端面集中。強烈的熱應力作用會導致端面破裂。3、方形激光晶體泵浦端面熱形變場激光晶體受熱膨脹會使晶體發(fā)生熱形變，嚴重影響激光輸出的品質。設晶體內部一點（x,y,z）處初始溫度為0，則熱平衡后，吸收系數減小，有利于熱負載分散，減小端面上的熱應力