新型材料拓展固体激光器的性能

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陶瓷材料、掺杂过渡金属的Ⅱ-Ⅵ族材料以及光泵浦半导体激光器，正在将固体激光器的工作范围向新的波长和更高的功率扩展。 尽管固体激光器的泵浦源和谐振腔设计已随着时间的推移不断发展变化，但是其工作物质的发展却相对缓慢。固态物理学是一门复杂的学科，对于商业应用来讲，改进和优化现有的激光材料（如玻璃、YAG和YLF），早已比研发新型激光材料具有更低的成本，而且也更容易实现。 然而，随着近几十年来基础研究的发展，人们对激光材料有了更好的理解，上述情况正在发生改变。新型固体激光器正在跨越实用化的门槛，其中包括光泵浦而非电驱动的半导体激光器。目前，以三种新型材料为增益介质的新一代固体激光器日益引起了人们的关注：陶瓷激光器、掺杂过渡金属的Ⅱ-Ⅵ族晶体（如硒化锌）激光器和光泵浦半导体激光器（OPSL)。 陶瓷激光器 陶瓷是多晶材料，由许多小的、方向随机的小颗粒熔化而成。日常生活中常见的陶瓷是不透明或半透明的，这是因为它们内部存在很多对光产生散射的瑕疵。但是如果能够小心谨慎地将这些颗粒熔化在一起，并保持足够清洁，消除大部分散射瑕疵，这样制备出的陶瓷的透明度便足以满足很多光学应用的需求。 陶瓷激光材料的测试研究始于20世纪60年代，但此后陶瓷激光材料并没有得到人们的足够关注。直到1995年，日本名古屋World Lab的Akio Ikesue报道了一种Nd：YAG陶瓷激光器，其性能完全可以与单晶激光器的性能相媲美。这在业界掀起了陶瓷激光器研究的热潮。[1] 陶瓷具有很多优点，与采用传统熔体凝固方法生长的单晶材料相比，陶瓷能够制备成更大的尺寸。陶瓷材料中能够掺杂更高浓度的激光离子，制备成光纤形式，并能够制造单晶材料生长无法实现的内部结构。研究人员希望当技术完全成熟后，陶瓷生产能够比传统晶体生长更便宜。此外，研究人员还希望通过一种称为固态晶体生长的处理过程，将一些微晶陶瓷与种子晶体相接触进行烧结，将它们转变成单晶。 研究人员已经对Nd：YAG陶瓷进行了大量研究工作。研究发现，与传统的单晶YAG相比，多晶YAG陶瓷具有更好的热光和光机械性能。陶瓷Nd：YAG似乎有望输出更高的功率。美国劳伦斯•利弗莫尔国家实验室研制的固体热容激光器，其采用Nd：YAG 陶瓷放大器，产生的平均功率达到了创纪录的67kW（见图1）。[2] 2008年9月，美国国家研究委员会发表的一份报告指出，陶瓷平板激光器是近期可用作对抗火箭、大炮和迫击炮武器的固体激光器。[3] 图1：劳伦斯•利弗莫尔国家实验室研制的固体热容激光器，采用陶瓷平板放大器，产生的平均功率达到67kW一些利用传统单晶生长技术不能生长的材料，也可以制成陶瓷，特别是“三氧化二物”，如Lu2O3、Sc2O3和Y2O3。它们能够掺杂稀土激光离子，并且熔点高于2400℃。Ikesue在2008年12月《Nature Photonics》上发表的综述文章中介绍说，三氧化二物陶瓷所具有的高热导率和宽带宽，使其有望用在高功率和超短脉冲激光器中。[4]最近的研究表明，掺镱Lu2O3陶瓷的光泵浦斜率效率已经达到86％。[5] Ikesue认为，陶瓷激光器技术仍在发展，但它们已经获得了“传统单晶技术无法实现的激旋光性能”。 掺杂过渡金属的Ⅱ-Ⅵ族中红外激光器 20世纪90年代中期，业界首次展式了掺杂过渡金属（如铬、铁）的宽禁带Ⅱ-Ⅵ硫族化合物中红外激光器。[6]美国阿拉巴马大学伯明翰分校的研究人员在最近发表的一篇综述文章中指出，这些材料的光谱和激旋光性能“与钛宝石在中红外波段的性能非常类似”，这使它们对激光器的发展颇具吸引力。[7] 早期的工作集中在硒化锌（ZnSe）上，这是由于硒化锌研究比较成熟、成本低廉并且在宽波长范围内都具有透明性。该类材料中研究最多的是Cr2+：ZnSe，能够采用二极管泵浦，输出波长范围1.9～3.1