【材料】激光材料的未来在哪里？（下）

今天，小编给大家介绍一下固体激光材料和液体激光材料。

液体激光器

液体激光器所采用的激光工作物质主要有两类：一类是有机染料溶液；另一类是含有稀土金属离子的无机化合物溶液。其中，有机染料液体激光器应用比较普遍，目前已有十几种有机荧光染料(如若丹明 ，荧光素、香豆素等)在溶液中实现了激光发振。对于染料激光一般采用光泵激励，光泵源可以是脉冲放电灯，也可以是由其他激光器发出的一定波长的激光激发。这类激光器的特点是输出波长覆盖的光谱区域较宽、可调谐和器件效率较高。

染料液体激光

染料液体激光器是20世纪70年代发展起来的一种应用十分广泛的激光器，具有波长调节范围宽、可产生超短脉冲激光、输出功率高、以及使用寿命较长等特点，是各种可调谐激光中技术较成熟的一种。在有机液体激光中，染料液体激光一直是一个重要的研究方向。1961年S.G.Rautian等人研究了有机化合物的能级跃迁，为染料激光器的问世奠定了理论基础。1963年-1964年D.L.Stockman等人的实验首次证明了有机化合物能够产生激光。1966年P.P.Sorokin 和 J.R.Lankardt在对染料溶液进行大脉冲激光照射研究其拉曼散射时偶然发现有强光增益 ，并确定从激励单重态发出的荧光可实现激光振荡 。染料激光技术的一大突破是实现了波长连续输出的可调谐激光输出。

从1966年染料激光器问世以来，激光染料的品种大幅度增加，至今已达到几百种，覆盖了从紫外区到红外区的大部分波长。脉冲激光泵浦的红外染料主要是花青类染料，作为红外激光染料的泵浦源主要是闪光灯和Nd：YAG激光器。聚甲炔类染料是实现连续波红外激光运转的较理想的红外染料，其泵浦源主要采用氪离子激光器。覆盖可见光波段的激光染料相当丰富，红光波段的染料主要是咕吨和嗯唑类染料；黄光波段主要是香豆素类染料，蓝绿光波段主要是香豆素和荧光染料等。这些染料完全覆盖了从320-770 nm的波段。

染料激光器的最大优点是能够利用染料约100 nm宽的荧光，经光泵浦后获得波长可调谐的激光。这种激光频带的中心波长是根据染料的浓度、溶剂种类 、染料池长度、谐振腔的Q值和温度等特性而变动的，因而调谐以上参量即可变化染料激光的波长。此外，染料种类繁多，便于选择，可以实现连续波输出、脉冲输出、Q开关和超短脉冲等。染料激光器目前存在的缺点是：染料分子易于分解，向紫外和远红外波段扩展比较困难。由于没有实现直接电激励，因而总能量转换效率低。特别是受染料分子本身因素的制约，其总体功率较难达到高功率强激光的要求。

稀土无机液体激光

在无机液体激光器发展的初期，掺钕POCh-ZrCh应用最为广泛，基于POCl3--ZrCl4的激光介质。掺稀土钕离子的无机液体激光器在激光器发展的初期得到大量研究，但是没有进一步发展，其主要原因：第一，当时还没有合适的泵浦源，因此介质中废热较多。由于液体的热光系数较大，导致光束畸变较为严重，脉冲的时空分布特性也不稳定。现在以激光二极管作为泵浦源，采用LLNL的成熟流体技术，可以很好的解决这些问题。第二，无机液体，如氯氧化磷等溶剂的毒性和腐蚀性，限制其应用范围。与此同时，结构更加紧凑、使用更加方便的固体激光器获得了飞速发展，使得液体激光的研究陷入了低潮。第三，由于液体在流动中稀土元素的晶体场也受其影响有一定的变化，影响了激光性能的稳定性。

稀土有机液体激光

在有机发光材料方面，稀土有机发光配合物是一个重要方向。20世纪60年代初稀土螯合物激光作用的发现，促使人们广泛研究它们的光学性质、荧光发射效率和寿命等问题。70年代末证实这类螯合物不适合作为激光材料。虽然其发光效率不如许多纯的有机分子，但由于稀土元素本身的特性，如发光峰尖锐，受基质材料影响小，内量子效率高等优点，从而引起了研究者的关注，稀土有机发光配合物成为一个研究热点。许多稀土元素和有机配体都被研究，稀土元素如钕，钐，铕，铽，钬和铥等；有机配体主要集中在配位能力和稳定性较好的一些二酮 ，制备得到了许多配合物发光材料，有红光材料、蓝光材料、绿光材料等。

固体激光材料

自1960年红宝石晶体激光器问世以来，固体激光器一直是最重要的研究和开发应用对象。固体激光器主要以晶体和玻璃材料为工作物质，这类激光器所采用的固体工作物质，是把具有能产生受激发射作用的金属离子掺入晶体而制成的。在固体中能产生受激发射作用的金属离子主要有三类：

过渡金属离子（如Cr3+）；

大多数镧系金属离子（如Nd3+、Sm2+、Dy2+ 等）；

锕系金属离子（如U3+）。

这些掺杂到固体基质中的金属离子的主要特点是：具有比较宽的有效吸收光谱带，比较高的荧光效率 ，比较长的荧光寿命和比较窄的荧光谱线，因而易于产生粒子数反转和受激发射。

用作晶体类基质的人工晶体主要有：刚玉（NaAlSi2O6） 、钇铝石榴石(Y3Al5O12)、钨酸钙(CaWO4)、氟化钙(CaF2)等，以及铝酸钇(YAlO3)、铍酸镧(La2Be2O5)等。用作玻璃类基质的主要是优质硅酸盐光学玻璃，例如常用的钡冕玻璃和钙冕玻璃。与晶体基质相比，玻璃基质的主要特点是制备方便和易于获得大尺寸优质材料。对于晶体和玻璃基质的主要要求是：易于掺入起激活作用的发光金属离子；具有良好的光谱特性、光学透射率特性和高度的光学(折射率)均匀性；具有适于长期激光运转的物理和化学特性(如热学特性、抗劣化特性、化学稳定性等)。晶体激光器以红宝石(Al2O3：Cr3+)和掺钕钇铝石榴石(简写为YAG：Nd3+)为典型代表。玻璃激光器则是以钕玻璃激光器为典型代表。就综合性能而言，掺钕钇铝石榴石Nd:Y3Al5O12(Nd:YAG)单晶仍然是性能最好、产量最大、用途最广的激光基质材料。

提拉法生长单晶由于其生长周期长、价格昂贵、尺寸小及掺杂浓度低，使其性能和应用范围受到限制 。多年来材料科学工作者一直试图用玻璃、微晶玻璃、多晶陶瓷作为激光工作物质来替代单晶。激光玻璃的突出优点是制备成本低，易实现大尺寸以及高的光学均匀性，但是，玻璃的热导率，一般低于1W/(m·K)远低于绝大多数激光晶体的，导致激光玻璃在以高平均功率工作时，材料内部产生大的热致双折射和光学畸变；这一点在强激光领域应用时表现得尤其突出，而且其激光效率与单晶材料相比也较低。将透明陶瓷用作激光材料是近十几年中蓬勃发展起来的研究课题，并以迅猛的势头向占据激光晶体材料首席长达40年之久的Nd：YAG单晶发出了强有力的挑战。

激光透明陶瓷具有很多单晶和玻璃不具备的优点：和单晶相比，透明陶瓷具有掺杂浓度高，掺杂均匀性好，烧结温度低，周期短，成本低，质量可控性强，尺寸大，形状自由度大以及可以实现多层多功能激光器等优点；和玻璃相比，透明陶瓷具有单色性好，结构组成更为理想，热导率高和可承受的辐射功率高等优点。YAG和Y2O3是目前研究得最为广泛的两种透明陶瓷激光材料。

目前，国外研究透明激光陶瓷的机构主要有两个：

1)日本精细陶瓷中心、日本分子科学所激光研究中心和罗马尼亚原子物理研究所固体量子电子学实验室；

2)日本电气通信大学激光科学研究所、俄罗斯科学院晶体所晶体激光物理研究室和日本Konoshima化学公司。

日本的YAG和Y2O3等透明激光陶瓷已经实现了部分产业化，而国内对这方面的研究才刚刚起步。目前主要的研究单位有上海大学材料学院电子信息材料系、东北大学材料与冶金学院、中科院上海硅酸盐研究所和北京人工晶体所等。

当前，激光晶体有四大主流发展方向：紫蓝绿和可见光激光晶体；中红外激光晶体；(1mm波段)高功率、大能量激光晶体；LD抽运超快激光增益和放大晶体。总体上看，一些国际上刚开始起步的前沿新兴领域，如掺Yb单晶、陶瓷、光子晶体光纤DPL等方面。