学文网摘要：随着社会的进步，激光晶体作为固体激光器的核心器件，已经在当今时代扮演着越来越重要的角色。本文从高平均功率密度激光晶体、可调谐激光晶体、半导体激光器和小型激光器用激光晶体这三个方面介绍激光晶体的应用现状。展望了激光晶体的应用并分析了其面临的一些问题。
关键词：激光晶体 激光器 应用
引言
激光的单色性、相干性、方向性和高亮度使得它能够广泛应用于工业、***事、医学、通信、科学研究等各个领域，并带动了一些新兴学科的形成和发展[1]。1960年世界第一台红宝石固态激光器的问世给古老的光学带来了新的生机活力。固体激光器具有可获得大功率激光和实现全固态化等优势。晶体的优点表现在热导率高、荧光谱线窄、硬度比较大等,因而在固体激光器中应用广泛。
1、激光晶体及其分类
激光晶体是可将外界提供的能量通过光学谐振腔转化为在空间和时间上相干的、具有高度平行性和单色性激光的晶体材料。激光晶体由发光中心和基质晶体两部分组成。大部分激光晶体的发光中心由激活离子构成，激活离子部分取代基质晶体中的阳离子形成掺杂型激光晶体。
激光晶体种类繁多，目前已知的激光晶体有三百多种，大致可分为：激光基质晶体、非线性光学晶体和电光晶体三类[2]。激光晶体按其性能又可以分为：高功率激光晶体（Nd : YAG）、中小功率激光晶体（Nd：YVO4）、超快激光晶体、可见光激光晶体（Nd：YLF）、中红外激光晶体。[3]
2、激光晶体的应用现状
激光晶体的发展十分迅速。到目前为止，实用化的激光晶体已从最初的几种基质材料发展到数十种，并在各个方面获得了实际应用。以下详细从四个方面介绍激光晶体的应用现状。
1，高平均功率密度激光晶体：工业加工用的激光器主要是CO2激光器和Nd：YAG激光器，但是由于采用了高功率的激光器作为泵浦源，多棒串接组合系统，以及发展了板条激光器和筒形激光器等新结构系统，使得Nd：YAG激光器输出达到千瓦级高平均功率密度。2003年日本Toshiba公司研制的Nd：YAG激光器采用六个串联的LD抽运模块，实现了12kW的激光输出，电光效率为23％，并把激光头的体积缩小到不足0.05m3。
Yb：YAG晶体与Nd：YAG晶体相比吸收带更宽、透镜效应更小、上能级荧光寿命更长。因此LD抽运的高功率Yb：YAG固体激光器成为新的研究热点。
2，可调谐激光晶体：可调谐激光晶体是近年来探索激光晶体的一个热点。其中Ti3+：A12O3激光器是一种目前发展最迅速、最成熟、应用最广泛的固体可调谐激光器，可调谐范围为600～1200nm，并可脉冲、准连续和连续等多种方式运转。目前已知激光晶体中，绝大多数是掺入稀土作为激活离子的。
例如：Ce3+掺杂的激光晶体，获得可调谐紫外以及真空紫外激光输出的最简单方法是抽运掺有稀土元素离子的激活晶体，其中最适合的稀土元素离子是三价铈离子，早期的基质晶体主要为：LiYF4、Y3A15O12和LaF3等，Ce3+掺杂的LuLiF4、Li—CaA1F6和LiSrA1F6也是近年来研制的紫外波段可调谐氟化物激光晶体[4]；Pr3+掺杂的激光晶体，在2007年，446 nm的GaN激光器泵浦新型晶体Pr：KY3F10，在谐振腔没有达到光学最优化的时候最高得到39 mW的连续输出，阈值是125 mW[5]；Tm3+掺杂的激光晶体，掺杂Tm3+的激光晶体的调谐波长在红外波段，应用最多的是Tm3+：YAG晶体。Tm：YAG激光器已实现LD泵浦连续可调谐及调Q运转。目前通过对Tm3+：YAG晶体的敏化实现室温运转是一个重要的研究方向[6]。
3，半导体激光器和小型激光器用激光晶体
半导体激光晶体有AlGaAs、InGaAiP、InGaAs等。半导体超晶格，量子阱材料在光电子技术中的一个重要应用就是半导体量子阱激光器（QWLD）。QWLD因具有效率高（60%），体积小，可靠和优廉等优点而获得广泛应用。
4，新波长激光晶体
过渡金属离子如Cr3+掺杂的Ⅱ-Ⅵ族半导体材料的中红外激光晶体，表现出优良的室温荧光性能，且具有较宽的调谐范围及较高的量子效率，在中红外波段激光晶体的研究领域得到越来越多的关注。 波长在2～3 μm 的中红外晶体由于对水的吸收系数为1，因此在医学上有广泛应用。Er，Yb：YCOB是近几年迅速发展起来的一种新型的晶体。
5，氟化物激光晶体
氟化物激光晶体是混合无序结构的激光晶体，与其他激光介质相比,它具有自发荧光寿命长、折射率受温度影响小、热透镜效应小等优点,具有良好的热稳定性,决定了其在固体激光器领域特殊的应用价值。例如在Yb掺杂的氟化物激光晶体中, 开展研究的有Yb ∶YLF 和Yb ：Ca5( PO4 ) 3 F (Yb∶FAP)晶体。Yb∶FAP晶体的发射截面和吸收截面都明显优于Yb∶YAG晶体。另外，氟化物的低熔点决定了它比其他材料更具有能引起材料科学家的关注,设计和制备新型的复合氟化物激光基质材料将会成为氟化物激光晶体研究的热点。
3、激光晶体的应用展望
1，面向先进制造技术、激光武器等应用的高功率、大能量激光材料：以石榴石晶体和陶瓷为主，还有Nd：GGG晶体和Yb一玻璃光纤。探索复合石榴石结构的新晶体，进一步提高Yb：YAG晶体的其荧光寿命和增大发射截面，是主要的发展趋势。
2，LD直接抽运超快激光增益和放大介质晶体：飞秒激光以其特有的超短脉冲、高峰值功率和宽光谱等特点，在超快光谱学、微电子加工、生物医疗、计量、全息、高容量和高速光通讯等众多领域具有广泛的潜在应用。
3，面向人眼安全、光通讯、医疗、遥感等应用的中远红外激光材料
1.55μm的铒玻璃和掺Er、Tm、Ho的2 μm波段医疗用晶体激光已实用化，但更高效率的LD抽运1.55μm、2μm和3～5μm波段的新晶体和光纤材料是中红外激光发展的瓶颈。对Tm：YAG晶体性能以及相应的激光器件的研究和对Tm：YAG晶体的敏化研究是两个主要方向。通过对Tm：YAG晶体的敏化可实现室温下闪光灯泵浦，提高光转换效率，从而使得Tm：YAG晶体在相干激光雷达和激光外科医学等方面都有着重要的应用前景。
4、结束语
激光晶体的发展已经经历了半个世纪，呈现出良好的发展势头。任何领域的发展都不是孤立的，激光晶体的发展与各种技术的发展紧密相连，新技术的发展给激光晶体的发展带来新的机遇的同时也会带来挑战。相信在不久的将来我国一定会创造出具有中国特色的激光晶体。
参考文献：
[1] 张怀金，蒋民华. 新型激光晶体材料研究进展[J]. 无机材料学报， 2008，23（3）：417-424.
[2] 张中士.激光晶体的发展现状及趋势[J].科技向导，2010，35：18-20.
[3] 徐***，苏良碧，徐晓东，等.激光晶体的现状及发展趋势[J].无机材料学报，2006，23（5）：1025-1030.
[4] 曾峰，杜晨林，阮双琛. Ce：LiCaA1F6紫外激光器的研究[J] .光子学报，2005，34（8）：1121-1123.
[5] 贾玉磊，焦志勇. 新型掺杂稀土离子可调谐激光晶体特性及应用[J]. 青岛大学学报(自然科学版) ，2008，21 （3）：53-59.
[6] 宋平新，赵志伟，徐晓东，等.Tm:YAG晶体的研究进展[J]. 人工晶体学报，2005，34（1）：131-135.
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