本文摘要:激光是人类在原子能、计算机、半导体之后人类的另一个最高发现的惊人物质。

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激光是人类在原子能、计算机、半导体之后人类的另一个最高发现的惊人物质。人们说激光亮度很高,可以超过太阳亮度的10亿倍以上。激光非常干净,具有很好的单色性。激光具有无与伦比的光束(线性传播)。

另外,激光的能量很强,瞬间变得更加严重的能量,甚至最柔软的物体也要钻出来融化。(大卫亚设,Northern Exposure(美国电视),激光名言)因此,将激光应用于生产、生活和科研是非常普遍的,是人们探索自然的有力武器。产生激光的装置称为激光。

激光根据工作物质可分为气体激光器、液体激光器、液体激光器和半导体激光器。根据工作方式分为倒计时、脉冲和超强脉冲激光。

稀有激光有氦激光、二氧化碳激光、红宝石激光、钕玻璃激光等,右图粗略地说明了液体激光的工作原理。将晶体应用于激光是非常普遍的。

激光中使用的晶体是激光晶体(lasercrystal),是一种具有高度平行性和单色激光的晶体材料,能够通过光学谐振器将从外部获得的能量与空间和时间相匹配,是晶体激光器的工作物质。例如,20世纪60年代出现的第一种激光使用了红宝石(Cr:Al2O3)晶体。20世纪70年代,钕钇铝石榴石(Nd:YAG)晶体混合在一起,液体激光开始大幅度发展。20世纪80年代掺入钛蓝宝石(Ti:Al2O3)晶体,频繁出现,使非凡、快速、非常强的激光成为可能,飞秒激光科学技术蓬勃发展,渗透到各种基础和学科领域。

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20世纪90年代开发的Nd:YVO4晶体将液体激光器的发展转化为新时代的全固态激光科学技术。右图是相似设计的激光,中间部分是激光晶体。

所有固体激光现在都是各种激光中最有希望的激光。激光晶体是全固态工作的关键组成部分。在微观结构中,激光晶体由闪烁中心和基质晶体两部分组成。大部分激光晶体的闪烁中心由转录离子组成,转录离子部分形成混合型激光晶体,而不是基质晶体的阳离子。

离子沦为基质晶体的一部分时,包括磁转录激光晶体。激光晶体中使用的转录离子主要是过渡族金属离子和三价稀土离子。

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过渡族金属离子的光电子是外层的三维电子,在晶体中这种光电子不太容易受到周围晶体场的需要,因此在结构类型不同的晶体中,光谱特性有很大的不同。(大卫亚设,Northern Exposure(美国电视连续剧),)三价稀土离子的4f电子由于5s和5p外层电子的屏蔽削弱了晶体场,但晶体场的扰动使原本被禁止的4f电子光子成为可能,产生了窄波段的吸收和荧光光谱线。因此,三价稀土离子在其他晶体中的光谱没有过渡族金属离子的变化那么大。

激光晶体中使用的基质晶体主要有氧化物和氟化物。作为基质晶体,除了拒绝物理化学性能外,光学上均匀分布的大型晶体生长不良,价格低廉,但要考虑基质阳离子和转录离子的半径、电负性、价态等与转录离子的适应性。此外,还应考虑基质晶体场对离子光谱的影响。

对于一些具有相似功能的基质晶体,离子转录后需要生成具有特定特性的激光。例如,在某些非线性晶体中,离子必须生成激光,然后通过基质晶体转换为谐波输入。进入新世纪后,激光和激光科学技术以强大的生命力推动光电子技术和产业的发展,激光材料也在单晶、玻璃、光纤、陶瓷等4个方面全方位快速增长。

微纳米级晶界、完整性、制作工艺非常简单的多晶激光陶瓷和结构紧凑、电风扇、低成本的激光光纤,以及近40年来占据激光晶体首席地位的Nd:YAG受到强大挑战,因此,如何优化激光晶体的质量、生产力和晶体的生长工艺已经成为全球研究的话题。

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