第五节 掺钕钇铝石榴石激光器

　　掺钕钇铝石榴石激光器属于四能级系统，具有阈值低、效率高、寿命长等优点，输出波长为1.06um，是能实现连续运转的固体激光器件。

一、掺钕钇铝石榴石激光器的结构和激发机理

　　1．结构。掺钕钇铝石榴石激光器与红宝石激光器有相类似的结构，即也是由工作物质、泵浦光源、聚光腔和光学谐振腔组成。由于选取了不同的工作物质和与工作物质相匹配的光泵，使其能实现连续运转。

　　（1）工作物质。掺钕钇铝石榴石晶体是以钇铝石榴石（简称YAG）单晶为基质材料，掺入适量的三价稀土离子Nd³⁺所构成。YAG是由Y₂O₃和Al₂O₃按摩尔比为3：5化合生成的，当掺入作为激活剂的Nd₂O₃后，则在原来是Y³⁺的点阵上部分地被Nd³⁺代换，而形成了淡紫色的Nd³⁺：YAG晶体。其掺杂浓度为0.725％（重量），Nd³⁺密度约为1．38×10²⁰cm^-1。Nd³⁺：YAG晶体具有：①热导率高，有利于连续运转；②熔点较高，为1970℃，能承受较高的辐射功率；③荧光线宽较小，约为6.5cm^-1,所以阈值低；④荧光量子效率高，一般大于0．995，交接近1，是目前固体激光器中较理想的工作物质。

　　Nd³⁺：YAG晶体中Nd³⁺的吸收带分别在525nm、585nm、750nm、810nm和870nm附近。每个带宽约为30nm，其中750nm和810nm两个吸收带最为重要（见图19－22）。

　　（2）光泵。连续Nd³⁺：YAG激光器多采用连续氪灯或碘钨灯作为泵浦光源。氪灯结构也氙灯相似，但管内充的是2－4个大气压的氪气。一般电流密度为10²A/cm²量级，其线状谱在750nm和810nm处有极强的发射谱线，这正好与Nd³⁺的吸收带相匹配，是目前连续Nd³⁺：YAG激光器件较理想的匹配光泵。



图19－22

　　2．掺钕钇铝石榴石激光器的激发机理。掺钕钇铝石榴石激光器属四级系统，其发射荧光，并由此产生激光，产生激光的Nd³⁺。图19－23是Nd³⁺与激光有关的部分能级图。



图19－23

　　原来处于基态E₁(4I_9/2)的粒子，在光泵照射下，被激发到高能级E₄(4I_3/2以上的能级)上。通过无辐射跃迁到E₃(4F_3/2)上，处于4F_3/2能态的Nd³⁺寿命较长（约240us），而称为亚稳态能级。该能级将积累大量粒子（称激光上能级），E₃与下能级（4I_11/2、4I_13/2、4I_9/2）间将形成粒子数反转分布。在实现4F_3/2－4I_11/2、4F_3/2－4I_13/2、4F_3/2－4I_9/2能级间跃迁时，产生中心波长0.914um、1.06um和1.35um三条主要荧光谱线，其中以1.06um谱线为最强。所以1.06um首先达到阈值形成激光振荡。因此，通常Nd⁺：YAG激光器输出波长为1.06um。

二、掺钕钇铝石榴石激光器的输出特性

　　1．频率特性。掺钕钇铝石榴石激光器通常工作于多模振荡。多模振荡的结果使激光的单色性、相干性和方向性变差。在一些激光应用中，当要求单模输出时，则需要采用选模措施。

　　2．热效应。在连续工作的掺钕钇铝石榴石激光器中，热效应会引起晶体棒的温度变化，使棒内产生径向温度梯度，它的影响表现为：①晶体折射随温度变化。温度升高引起棒轴方向上晶体的伸长，从而产生热透镜效应；②热效应引起晶体内的应力双折射，使晶体失去各向同性的光学特性，使偏振的连续器件产生退偏损耗，使阈值增高，输出降低。

　　因此 ，激光器设计时应考虑冷却和光学补偿等措施来防止热效应的影响。

[时间：2001-12-11  作者：许鑫　杨皋  来源：《印刷应用光学》·第十九章 印刷中常用的激光器]