【激光材料】
拼译：laser materials
1960年第1台激光器问世以后，大大促进了光学材料的发展。继红宝石之后，已研制了几百种新型激光材料，其中包括各种激活晶体和玻璃、半导体、有机液体及气体等。
用于产生激光的材料应考虑其吸收光谱(物质在光频范围的吸收系数按光频的分布)、荧光光谱(发光物质发射光子的能量按频率或波长的分布，也称发射光谱)、激发光谱(物质产生发光时的激励光按频率的分布)。而激发态寿命τ和荧光量子效率η则是表征发光材料特性的两个最重要的光谱参数。在自发辐射过程中，处于激发态的粒子自发地回到基态，并发出荧光，粒子在激发态上停留的时间，称为激发态寿命。由于处于激发态的粒子，除了以辐射跃迁方式返回基态外，还有无辐射跃迁，所以在光谱学中用荧光量子效率(发射光子数与入射光子数之比)来表征发光体的发光效率。激光阀值和激光效率是衡量激光材料质量优劣的基本参数，它们不但决定于激光器件的性能而且和激光物质的品质优劣密切相关。在激光器中，当激光介质受激励时，一方面因发生受激辐射而获得光的放大，另一方面因存在介质损耗而产生光的衰减，光的放大恰能补偿光的损耗并维持系统内激光振荡不停止的最低条件称为激光阀值。激光效率在数值上等于激光器一定工作状态下输出激光的能量(或功率)与输入给光泵的电能(或电功率)之比。1．固体激光材料。固体激光器的工作物质由基质材料和激活离子(又称激活剂)两部分组成，激光材料的光谱特性主要由激活剂决定。固体激光材料的激活剂有过渡金属离子、稀土金属离子和锕系离子3类。过渡金属离子是元素周期表中从原子序数21～28的8个元素所形成的离子，其中已实现激光振荡的有：红宝石中的铬离子(Cr3+)，氟化镁中的钒离子(V2+)、钴离子(Co2+)、镍离子(Ni2+)等。稀土金属离子是元素周期表中从原子序数57～71的15个元素形成的离子。由于外层电子的良好屏蔽作用，稀土离子在不同介质中的光谱性质与自由离子的情况很相近。绝大多数的稀土离子已在各种晶体和玻璃中实现了激光振荡，其中应用最广的是钕离子(Nd3+)。锕系离子是原子序数89～101的12个元素形成的离子，由于它具有放射性，因此材料的制备和处理都比较复杂。目前，除三价铀离子已在氟化钙中得到应用外(CaF2∶u3+)，其余很少应使用。合成激光晶体的数目已超过200种，按结晶化学原则，它们可分成简单氟化物晶体、复合氟化物晶体、简单氧化物晶体、复合氧化物晶体和其他晶体5类。简单氟化物晶体的特点是熔点较低、易于长成单晶，但掺入激活离子后多数要在低温下才能产生激光，因此很少使用。其中性能较好者有氟化钙和氟化钇锂晶体。复合氟化物晶体是多组分“无序”结构氟化物固溶体，其特点是：能渗入高浓度的激活离子而不易出现浓度猝灭；有很宽的荧光谱线；可在室温下实现激光振荡；有宽而强的吸收带。但其热学、力学性能欠佳，故应用范围有限。简单氧化物晶体是使用最早、数量最多、应用最广的激光材料。其中红宝石、掺钕钇铝榴石、掺钕铝酸钇、掺铬铝酸铍等最有实用价值。其特点是：物理化学性能好、可在室温下输出激光，可作脉冲、连续或高重复频率输出的大功率激光材料。复合氧化物晶体的特点是激光效率较高、荧光线宽，但物理化学性质较差，故应用有限。激光玻璃是大能量、高功率固体激光器最重要的工作物质。其原因是：玻璃基质容易制成光学质量高的大型元件，能均匀地掺入高浓度的激活离子以获得高激光效率，可方便地改变基质玻璃的成分以得到不同性能的激光玻璃。虽然玻璃基质中，几乎以所有稀土离子作为激活离子都实现了激光振荡，但掺钕的激光玻璃性能最好、应用最广。掺钕激光基质玻璃，已有硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、氟化物玻璃、氟磷玻璃等多种。其中硅酸盐玻璃具有较长的荧光寿命、较高的量子效率、较好的化学稳定性及很高的机械强度，是高功率输出激光器中使用最广泛的材料。硼酸盐系玻璃激光阀值较低，故适用于重复频率激光器。2．半导体激光材料。用半导体材料可制成半导体激光器。具有两个解理端面的NPP三层结构，是发光二极管和光波导式谐振腔一体化的结构，电子与光场的相互作用在P层内实现，通常把窄带隙的P层称为有源层，宽带隙的P层和N层称为限制层。有源层是工作物质，根据对发光波长的要求选用有源层材料；限制层起载流子限制和光限制作用，根据与有源层晶格匹配的条件选用限制层材料。目前选用的材料是Ⅲ－V族化合物及其固溶体和Ⅱ－Ⅵ族化合物及其固溶体。短波长激光二极管选用的最优材料应该是在GaAs衬底上生长的AlxGa1－xAs(室温发光波长0．64～0．87μm)和在GaAs衬底上生长的(AlxGa1－x)0．51In0．49P(室温发光波长0．52～0．65μm)；长波长激光二极管选用的最优材料应该是在InP衬底上生长的GaxIn1－xPyAs1－y(室温发光波长0．91～1．70μm)和在GaSb衬底上生长的GaxIn1－xAsySb1－y(室温下发光波长1．52～3．50μm)。而PbTe衬底上生长的Pb1－xSnxTe，则在4K低温下可输出波长为6．4～25μm的激光。3．有机液体激光材料。有机染料是染料激光器的工作物质。目前已有数百种染料可获得激光输出。其突出优点是：输出波长在很宽的范围内连续可调。目前调谐范围为355～1200nm，经过倍频，波长可延伸到215nm；另一特点是输出谱线窄(～10－5nm)。染料激光的波长在大范围内连续可调是由染料分子结构所决定的。典型的染料分子由数十个或更多的原子所组成，分子的每个电子态都有一组振、转动能级。此外，由于溶剂分子引起的碰撞和静电扰动使振、转动能级加宽，因而在每个电子态上都迭加了一个准连续带。荧光光谱的波长范围是由电子在连续振、转动能级之间跃迁的结果。有均匀展宽，其贮存的能量的大部分可调谐到单个激光线上，这是染料激光器的独特优点。目前常用的染料是：香豆素、若丹明、荧光素钠等。4．气体激光材料。气体激光器的工作物质是气体或蒸气。由于这类激光材料种类繁多，又能采用多种激励方法，所以气体激光器的发射谱线覆盖的波段范围最宽，从0．108μm到2mm间有万余条激光谱线。气态工作物质光学均匀性好，不易损坏，易于获得大功率大能量输出，效率也高。气态工作物质可分为原子、离子、分子和准分子，与此对应的则是原子气体激光器、离子气体激光器等。原子气体激光器的工作物质是：(1)惰性气体，例如He-Ne激光，Xe激光、Xe-He激光；(2)金属蒸气，例如Cu、Pb、Mn、Au、Ca等；(3)卤素气体或蒸气(Cl，I、Br等)以及其他一些元素的气体或蒸气(N、S、C、O等)离子气体激光器的工作物质是气态离子。能产生激光振荡的离子有几十种，其输出波长多在紫外和可见波段。离子气体大致可分成3类：氩(Ar+)、氪(Kr+)、氙(Xe+)等惰性气体离子；镉(Cd+)、硒(Se2+)、锌(Zn+)等金属蒸气离子(激光器中需用He、Ne等惰性气体作为辅助气体)以及分子气体离子激光器。分子气体激光器的工作物质是中性气体分子，主要有3类：(1)双原子气体分子，例如CO，N2、和H2等；(2)3原子气体分子，如CO2、H2O(D2O)、N2O、HCN(DCN)等；(3)多原子气体分子，如CH3F、CH3I、CH3OH等。这类激光物质构成的激光器的特点是：波长范围最宽(从真空紫外到远红外、亚毫米波都有激光产生)；输出功率大，能量转换效率高(连续输出可达数十万瓦，脉冲输出可达太瓦)；激励方式多。准分子激光器的工作物质是准分子。准分子是一种只在激发态结合成分子，而在基态离解成原子的不稳定缔合物。它可分成5类，并分别构成5类准分子激光器。(1)惰气准分子：有
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3种；(2)惰气卤化物准分子：有ArF*、KrF*、XeF*、X eCl*、XeBr*、XeI*等；(3)惰气氧化物准分子：有XeO*、KrO*和ArO*等；(4)惰气－金属蒸气准分子：有HgXe*、CsXe*等；(5)金属准分子：有Tl-Hg等。(清华大学博士生导师廖延彪教授撰)