1.2.2　激光晶体

简单地讲，激光晶体就是在光或电激励下可以产生激光的晶体，由发光中心和基质晶体组成。最早使用的激光晶体是掺铬的红宝石晶体（Al₂O₃：Cr³⁺），现在用得最多的是掺钕的钇铝石榴石（YAG：Nd）。20世纪60年代初出现的激光和激光科学技术，推动了光电子技术和产业的发展，激光材料的研究在单晶、玻璃、光纤和陶瓷等四个方面全方位展开。有微纳米级晶界、完整性好、制作工艺简单的微晶激光陶瓷和结构紧凑、散热好、成本低的激光光纤，表现出比占据激光晶体首位达40年之久的YAG：Nd更强的应用潜力。激光材料也已从最初的几种基质材料发展到数十种，受到各国政府、科学界和企业界的高度重视。

图1-1为固体激光器示意图，它主要由闪光灯、激光工作物质（较多使用的是激光晶体）和反射镜腔片组成。反射镜表面镀有薄膜，一片为全反射镜，另一片为透射反射镜，两片镜片组成光学谐振腔。当激光晶体受到氙灯泵浦后，物质内原子受到光激发迁跃为激发态。只要有一个原子产生自发辐射，则这一辐射光将诱发邻近原子产生受激辐射。不垂直于反射镜的受激辐射将穿过工作物质边界外泄消失，只有垂直于反射镜的受激辐射被反射镜反射折回，重新通过激活介质并被放大。经多次反复振荡，最终形成强大的受激辐射光，即激光。

图1-1　固体激光器示意图

目前使用最多的激光晶体有Al₂O₃：Cr³⁺、Y₃Al₅O₁₂：Nd³⁺和YVO₄：Nd³⁺等。主要激光晶体及其基本性能参数见表1-1。

表1-1　主要激光晶体及其基本性能参数　　

在激光材料的基础研究和应用基础研究方面，中长期主要研究趋势和目标将会集中在如下几方面：

1）发展在原子、分子和基团尺度上，激光材料（单晶、玻璃、光纤、陶瓷）的组成、结构设计和制备的科学研究。

2）研究过渡金属离子（Cr³⁺、Cr⁴⁺、Ti⁴⁺）、重金属离子（Bi、Mn、V）、稀土离子（Yb、Nd、Er、Tm、Pr、Ho、Ce、Eu）等重要激活离子在单晶、玻璃态、纳米晶等基质中的价态、发光规律、能量传递转移及其与晶格相互作用的机理；全量子理论、Judd-Ofelt理论、Forster理论和Dexter理论的光谱分析和数据处理。

3）重点开展复合功能（如自调Q、自倍频、自拉曼频移和敏化、上转换、退激活）和复合结构（如“Sandwich”三明治、“Glass-Ceramic”玻璃陶瓷、有机-无机复合结构、光-电集成微结构）激光材料的研究，这是激光材料的一个重要发展方向，其特点是全固化、集成化、小型化和多功能化。

4）发展新一代宽波段高功率可调谐、超快（PS、FS、AS）、超强（TW、PW）激光增益材料和光放大材料。解决当前和今后CPA和OPCPA技术、光孤子通信技术等发展中的关键技术瓶颈问题，并为未来紫外-可见光、中红外和远红外等宽波段高功率可调谐、超快、超强激光打下物质基础。

5）发展新一代高功率激光材料。面向未来先进激光制造、激光显示等民用、工业领域。

6）发展新一代大能量固态热容激光材料。瞄准未来“新概念”武器，即激光武器。

7）关于微-纳结构激光波导、光子晶体激光光纤材料的理论与应用的交叉基础研究。

8）晶态（单晶、陶瓷）和非晶态（玻璃、光纤）激光材料的生长、制备技术的突破，特别是大尺寸高浓度激光晶体的生长、复合激光材料的制备。

9）晶态（单晶、陶瓷）和非晶态（玻璃、光纤）激光材料的微观缺陷（包括点缺陷）及其形成机理，以及在LD高泵浦功率密度下（有别于以往灯泵）对材料热性能、发光性能和激光性能的影响。

10）与器件紧密结合，研究其激光性能和激活损伤的微观机理。