激光晶体

激光晶体（Laser Crystals）定义：具有激光活性掺杂剂的透明晶体，用作激光增益介质，更通用的术语：激光增益介质。

激光晶体是光学晶体，通常是单晶（单晶光学材料）被用作固态激光器的增益介质。在大多数情况下，它们被掺入了三价稀土离子或过渡金属离子。当晶体通过吸收泵浦光（光泵浦）提供的能量时，这些离子使晶体能够通过受激辐射放大激光波长的光。

与掺杂玻璃相比，晶体通常具有更高的过渡截面、更小的吸收和发射带宽、更高的热导率和可能的双折射。在某些情况下，单晶激光材料可能会被陶瓷激光增益介质代替，陶瓷激光增益介质具有精细的多晶结构。

常见的激光活性掺杂物

最常用的激光活性稀土离子和基质晶体以及典型发射波长如下表所示：

下表列出了常见的过渡金属掺杂晶体：

这些表格只包含最常见的基质晶体；还有许多其他的基质晶体，但使用频率较低。

基质晶体的重要特性

• 基质晶体不仅仅是将激光活性离子固定在空间的特定位置的一种手段。主体材料的一些属性是很重要的。
• 介质在泵浦和激光辐射的波长范围内应具有高透明度（低吸收和散射），以及良好的光学均匀性。在某种程度上，这取决于材料的质量，由制造过程的细节决定。
• 基质晶体对泵浦和激光跃迁的波长、带宽和跃迁截面以及上能态寿命有很大影响。例如，与 Nd:YAG 相比，Nd:YVO 4具有更高的横截面、更大的增益带宽和更短的上能级寿命。其他钕基质晶体提供其他跃迁波长，例如，Nd:YLF 的1047 或 1053 nm 。
• 非辐射跃迁（例如多声子跃迁）也受到基质的强烈影响，特别是受到其最大声子能量的影响。其中一些跃迁是非常有害的，会导致上能态粒子的种猝灭（从而降低量子效率）。
• 最大可能的粒子掺杂度很大程度上取决于基质材料及其制造方法。
• 不同的晶体材料在硬度和其他属性方面有很大的不同，这决定了用什么方法以及如何简单地对它们进行高质量的切割和抛光。
• 有些材料在化学上不稳定，例如吸湿性。
• 特别是对于高功率激光器，需要高热导率、低热光系数（用于弱热透镜）和高机械应力耐受性。
• 脉冲能量密度或峰值强度方面的高损伤阈值对于高能放大器很重要。

很明显，不同的应用导致对激光增益介质的要求完全不同。出于这个原因，使用了各种各样的不同晶体，做出正确的选择对于构建具有最佳性能的激光器至关重要。

常见的激光的晶体基质

晶体基质的范围很广，可以根据重要的原子成分和晶体结构进行分组。一些重要的晶体组是：

• 石榴石，如Y3Al5O12（YAG）、Gd3Ga5O12（GGG）和Gd3Sc2Al3O12（GSGG）：坚硬的化学惰性材料，具有光学各向同性和高热导率。
• 蓝宝石 (Al 2 O 3 )（例如用于钛-蓝宝石激光器）和铝酸盐，例如用于钕掺杂的YAlO 3 (YALO, YAP) ：高硬度和高导热性，各向异性。
• 倍半氧化物，如Y2O3、Sc2O3：各向同性、高硬度和高导热性。
• 钒酸盐，如 YVO4 和 GdVO4：Nd3+ 的激光截面非常高，各向异性。
• 氟化物，如YLF4（YLF）：Nd:YLF具有良好的紫外透明性、双折射性、较大的储能能力；也可将LiCAF、LiLuF、LiSAF用作掺铬宽带增益介质。
• 硅酸盐，如MgSiO4(forsterite)：较宽的增益带宽。
• 单斜双钨酸盐，如 KGd(WO 4 ) 2 (KGW) 和 KY(WO 4 ) 2 (KYW)：结合了相对较高的Yb 3+激光截面、大增益带宽和高导热率。
• 无序的四方双钨酸盐，如NaGd(WO4)2(NGW)和NaY(WO4)2(NYW)： 镱的增益带宽特别大。
• 用于中红外激光器的钙化物，如ZnS或ZnSe。

可饱和吸收器的激光晶体

一些激光晶体材料已经被证明，其中加入了一些可饱和吸收剂材料，用于激光的无源Q开关。例如，Cr4+离子可以被加入到这种掺钕的晶体中，以便在1μm的光谱区域发射。例如，这已经在Cr:Nd:YAG和Cr:Nd:YVO4中得到尝试。

有了这个概念，就不需要增加可饱和吸收晶体，这样就可以制造出更紧凑的Q开关激光器装置，并降低内部附加损耗。然而，也可能发生不必要的副作用，例如获得所涉及离子的不必要价态或能量转移。此外，如果不更换激光晶体本身，就无法尝试不同厚度或掺杂浓度的吸收体，那么在实验中就会失去一些灵活性。

激光晶体的几何形状

那些被激光束通过的表面通常以布儒斯特角定向或具有抗反射涂层。即使是镀增透膜的晶体通常也会稍微倾斜于光束，以防止背向反射留在激光谐振腔中。这对于锁模激光器和可调谐单频激光器很重要。

高的表面质量同样非常重要，表面平整度的规格通常优于λ/10。这有助于避免会降低激光器光束质量的散射损失和波前畸变。适当的表面处理也会影响损坏阈值，这很重要，例如 用于高能脉冲放大器。 最后，高度的端面平行度对于避免晶体中光束方向的变化很重要。