激光晶体
激光晶体范文
激光晶体范文激光晶体激光晶体是指在外界激发下产生激光辐射的晶体材料。
激光晶体具有较高的能量密度、较大的折射率差和较大的折射率变化等特点，广泛应用于光学器件、激光器、通信等领域。
本文将介绍几种常见的激光晶体材料及其应用。
1.镥酸钇(Yb:YAG)晶体镥酸钇(Yb:YAG)晶体是一种近红外激光晶体，具有高的吸收截面和较长的激发寿命。
镥酸钇晶体的主要应用领域包括激光加工、医学激光、激光雷达等。
例如，激光切割机中使用的激光器通常采用镥酸钇晶体作为激发材料。
2.铒掺杂硅酸盐(Er:YSGG)晶体铒掺杂硅酸盐(Er:YSGG)晶体是一种远红外激光晶体，可以产生能量较高的激光辐射。
铒掺杂硅酸盐晶体在医疗领域有着广泛的应用，如用于牙科激光治疗、眼科激光手术等。
此外，铒掺杂硅酸盐晶体还可以用于激光表面改性、激光打印等领域。
3.铽掺杂蓝宝石(Tm:YAG)晶体铽掺杂蓝宝石(Tm:YAG)晶体是一种近红外-中红外激光晶体，具有较大的吸收截面和较长的激发寿命。
铽掺杂蓝宝石晶体在医学激光、激光成像等领域得到广泛应用。
如在激光医疗领域，Tm:YAG晶体可用于激光切割、激光消融等手术。
4.钬掺杂氧化铝(Ho:YAG)晶体钬掺杂氧化铝(Ho:YAG)晶体是一种中红外激光晶体，具有较大的能级跃迁和较长的激发寿命。
钬掺杂氧化铝晶体在医学激光、光学通信等领域有着广泛的应用。
例如，钬掺杂氧化铝晶体可用于激光消融术、激光通信等领域。
总之，激光晶体是一种重要的光学材料，在现代工业、医学和通信领域有着广泛的应用。
随着科学技术的不断进步，相信激光晶体材料的研究和应用将会得到更加广泛的发展。
激光晶体光学参数的研究
激光晶体光学参数的研究激光技术是现代科技中最受关注和应用最广泛的一种技术，几乎涉及到了所有领域，如光电子学、生物医学、工业加工等等。
如今的激光技术越来越发达，激光器的性能和效率也在不断提高。
然而，想要让激光技术发展更加迅速和稳定，需要深入研究激光器中的各种参数。
而激光晶体的光学参数则是激光技术中重要的研究领域之一。
激光晶体光学参数是指激光晶体对激光光束的吸收、发射、散射和非线性光学等方面的响应特性。
研究激光晶体的光学参数对于优化激光器的性能、提高激光器的输出功率和效率、提高光学元器件的性能等都有着至关重要的作用。
首先，对于激光器的性能来说，激光晶体的光学参数直接影响着激光器的输出功率和效率。
如何提高激光晶体的光学响应特性，就成为了激光技术研究的重要课题之一。
而这一方面的研究，则需要深入了解激光晶体对不同波长激光的吸收谱和发射谱等参数，以及晶体的激发机制等。
其次，对于光学元器件来说，激光晶体的光学参数也有着至关重要的影响。
例如，对于光学放大器而言，激光晶体的吸收和放大特性是影响其性能的关键因素。
同时，激光晶体的光学非线性参数还会影响到光学调制器、光学键合器、频率转换器等元器件的性能和可靠性。
因此，研究激光晶体的光学参数对于优化这些光学元器件的性能也有着至关重要的意义。
在激光晶体光学参数研究中，最常使用的方法之一是吸收光谱分析。
吸收光谱可以反映出晶体对于不同波长激光的吸收情况，进而分析晶体的峰值吸收波长、吸收带宽和吸收系数等参数。
通过调控激光晶体的吸收谱，可以控制激光的波长和光谱宽度等参数，进而实现对激光器输出功率和效率等参数的控制。
除了吸收光谱分析外，激光晶体的荧光谱、光学非线性谱等参数也是研究的重要内容。
例如，在荧光谱分析中，可以测量晶体对于激光光束的吸收后，再发出的发射光谱。
通过对荧光谱的分析，可以得到晶体的发射波长、发射带宽、发射截面等参数。
在光学非线性谱研究中，则可以得到晶体的非线性系数、二阶非线性系数等参数。
Ti宝石激光晶体
Ti宝石激光晶体钛宝石（Ti：sapphire，Ti3＋：Al2O3）是当今最优秀的可调谐激光晶体，调谐带宽：660nm~1100nm，吸收带位于400~600nm，峰值吸收在490nm附近。
表征晶体质量除按光学晶体要求外，一个重要的指标是晶体的品质因素（figure of merit, 简称FOM）。
FOM定义为：FOM=α490∏/α800∏，α490∏、α800∏分别表示晶体在490nm和800nm对∏偏振光的吸收系数。
Ti:sapphire激光跃迁的上能级寿命3us。
掺钛宝石晶体的荧光光谱宽，发射截面大，导热性好，硬度高，物化性能稳定，被公认是最好的可调谐激光晶体掺钛蓝宝石激光器是迄今为止输出光谱在近红外波段调谐范围最宽的固体激光器之一,若辅之以非线性光学频率变换技术,制成准相位匹配光学参量振荡器,通过调整相关参数,可以得到高输出功率、高效率、可调谐波长范围大、寿命长、结构紧凑而体积小的红外可调谐光源,满足光通讯、红外对抗、环境监测、及光谱学研究等诸多领域的应用需求。
在基质晶体中掺入三价钛离子而形成的输出激光可调谐激光晶体。
六方晶系。
熔点2050℃。
空间群D6d-R3C，硬度9，仅3次于金刚石。
晶体具有宽的吸收带(400～600nm)、宽的发射带(650～1200nm)和大的发射截面(3×10-19cm2)，荧光寿命3.2μs。
采用焰熔法、提拉法、区熔法、热交换法等方法制备。
军事上用于遥感、雷达，工业上用于激光加工等。
这是一种以ti:al2o3晶体为激光介质的固体激光器(简称ti:s激光器)。
它以调谐范围宽(670nm～1200nm)、输出功率(或能量)大、转换效率高、运转方式多等诸多优异特性而倍受青睐，成为固体可调谐激光器中迄今为止发展最为迅速、最为成熟、最为实用，而且应用也最为广泛的一种。
a，连续运转钛宝石激光器纯连续运转钛宝石激光器最先是通过氩离子激光器泵浦实现的。
其后使用铜蒸汽激光器、yag激光器等泵浦均获得连续激光输出。
激光晶体工艺流程
激光晶体工艺流程
《激光晶体工艺流程》
激光晶体是一种应用广泛的材料，可用于制作激光器、光通信组件以及光学传感器等。
激光晶体工艺流程是指将晶体原料经过一系列加工步骤，最终得到符合特定要求的激光晶体产品的整个过程。
首先，选择合适的原料对于激光晶体的制备至关重要。
通常来说，常用的激光晶体原料有YAG晶体、Nd:YVO4晶体、
Nd:YAG晶体等。
这些原料需要经过严格的筛选和分析，确保
其化学成分和晶体结构符合要求。
接下来，将经过筛选的原料进行混合和粉碎，形成均匀的晶体原料颗粒。
这一步对于后续的晶体生长工艺非常关键，因为均匀的晶体原料颗粒可以保证最终的晶体产品具有稳定的性能和品质。
然后，利用激光晶体生长工艺将混合粉末进行烧结和晶体生长，形成初步的晶体产品。
这个过程需要精密控制温度、压力等参数，以确保最终的晶体产品具有均匀的晶格和优良的光学性能。
最后，经过精密的切割、抛光和光学涂层等加工步骤，得到最终的激光晶体产品。
这些加工步骤需要借助先进的加工设备和工艺，以确保最终的产品符合客户的要求。
总的来说，激光晶体工艺流程是一个复杂而严谨的过程，需要
对原料、加工设备、工艺参数等方面进行精密的控制。
只有在严格遵循工艺流程的情况下，才能生产出高品质的激光晶体产品，满足市场的需求。
激光晶体生长及加工高科技项目
激光晶体生长及加工高科技项目激光晶体生长是指利用激光蒸发沉积（L-P-CVD）技术在衬底上生长单晶薄膜的过程。
目前激光晶体生长技术主要应用于半导体器件、光电子器件及光通信器件中，如激光二极管、太阳能电池、低温多层系统等。
该技术具有晶体生长速度快、晶体纯度高、晶体质量好等优点。
激光晶体加工是利用激光将晶体材料进行切割、打孔、雕刻等工艺加工。
与传统机械加工相比，激光晶体加工具有非接触、高精度、高效率、无切削力等优势。
在晶体加工中，激光晶体切割具有很大的潜力，可以应用于电子、光电子、光学、医疗、航空等领域。
激光晶体生长和加工的项目具有广泛的市场前景。
随着半导体、光电子、光通信等行业的不断发展，对质量优良、尺寸精密的晶体材料的需求也在不断增加。
激光晶体生长技术可以满足这些需求，提高晶体生长的效率和质量，降低生产成本。
同时，激光晶体加工技术可以提高产品的加工精度和生产效率，减少材料的浪费和能源的消耗。
因此，激光晶体生长和加工的项目在市场上具有很大的竞争优势。
在国内市场中，激光晶体生长和加工的项目也面临着很大的机遇和挑战。
一方面，我国作为一个制造强国，在半导体、光电子等领域有很高的需求量和市场潜力。
另一方面，我国在激光技术领域也取得了很大的进展，具备了自主研发和生产激光设备的能力。
因此，我国的激光晶体生长和加工项目具有很好的发展前景。
总的来说，激光晶体生长和加工是一项具有广泛应用前景和经济效益的高科技项目。
该项目可以满足半导体、光电子等行业对高质量、精密加工的晶体材料的需求，同时也符合我国在激光技术研发和应用方面的需求。
因此，该项目在未来的发展中具有很大的潜力和竞争优势。
激光选区晶体生长的原理
激光选区晶体生长的原理
激光选区晶体生长是一种先进的晶体生长技术，它利用激光束
对金属或合金进行局部加热，以实现晶体的有序生长。
其原理涉及
到多个方面。
首先，激光选区晶体生长利用激光的高能量密度和聚焦性质，
可以在材料表面或其内部形成局部加热的热源。
这种局部加热可以
精确控制晶体生长的位置和形状，从而实现对晶体结构的精细控制。
其次，激光选区晶体生长还涉及到材料的熔化和凝固过程。
激
光束的高能量密度可以使材料局部瞬间达到熔化温度，然后通过控
制激光束的移动和功率，可以实现局部凝固，从而形成晶体结构。
这种局部熔化和凝固的过程可以避免整个材料的大规模熔化，从而
减少了晶体生长的能耗和材料损耗。
此外，激光选区晶体生长还可以实现对晶体组织和取向的精细
控制。
通过控制激光束的参数，如功率、扫描速度和焦距等，可以
实现对晶体结构的微观调控，从而获得特定取向和组织的晶体。
总的来说，激光选区晶体生长的原理是利用激光的局部加热作
用和精细控制能力，实现对晶体生长过程的精确控制，从而获得具
有特定结构和性能的晶体材料。
这种技术在材料科学和工程领域具
有广泛的应用前景，可以用于制备高性能的晶体材料，如高温合金、光学材料和半导体材料等。
激光晶体减薄
激光晶体减薄
激光晶体减薄是一种利用激光技术对晶体材料进行薄化加工的方法。
它通常用于制备光学元件、半导体器件或其他需要较薄晶体材料的应用中。
激光晶体减薄的过程通常包括以下步骤：
1.材料选择：选择适合激光减薄的晶体材料，这些材料通常需要具备较好的激光吸收性能和热导率。
2.激光切割：使用高能量密度的激光束对晶体材料进行切割。
激光的作用下，晶体材料吸收激光能量并产生局部加热，从而使晶体材料发生蒸发、熔化或烧蚀等物理变化。
3.控制切割深度：通过控制激光功率、扫描速度和切割时间等参数，可以实现对晶体材料薄度的精确控制。
4.表面处理：在激光减薄后，可能需要对晶体材料的表面进行进一步的处理，如抛光、腐蚀或涂层等，以满足特定的应用需求。
激光晶体减薄技术具有高精度、高效率和非接触性的特点。
它可以实现对晶体材料的精确加工，避免传统机械加工方法可能引入的损伤和变形。
因此，激光晶体减薄在光学器件制造、半导体器件加工和微电子领域等方面有着广泛的应用前景。
几种高能激光常用晶体
几种高能激光的常用晶体激光晶体就是你能够产生激光的晶体，激光晶体受到泵浦后，晶体内的原子的外层电子受激激发到激发态，处于激发态的电子自发辐射，一部分能量转化成荧光，荧光被提取后就形成激光。
除激光晶体外，在激光器中也经常用到非线性倍频和频晶体（LBO、BBO、KTP、RTP等）、调Q晶体（KDP、LN等），现主要对高能激光晶体做简单的介绍，主要包括Nd:YAG、Nd:GGG、Yb:YAG、Nd:YLF，是高能激光系统中使用较为广泛的激光晶体。
1、Nd:YAG是应用最普遍的激光晶体，它具有极其优秀的光学、导热、机械和化学性能，其激光器广泛应用于工业、医疗、军事、科研领域，其重要性位居固体激光材料之首。
其主要特点：高增益、低阈值、高效率、在1.06μm损耗低、高热导性和耐热冲击、机械强度大、高光学质量、适合各种模式工作（连续、脉冲、调Q、锁模、倍频）。
美国诺格公司及国内科研单位均使用此种材料的板条，实现单链路大于10kW的激光输出。
Nd:Y2、Nd:GGG是热容激光器的晶体材料,其特点是容易生长大尺寸的晶体、光学均匀性好、高掺杂、机械强度高、热导率高，快速冷却、转换效率高。
使用Nd:GGG作用工作介质的热容激光器已实现数十kW的激光输出。
Nd:GGG物理性质：3、Yb:YAG是一种发展前景巨大的固体激光工作物质，由于Yb4+离子具有4f13电子结构，它的吸收和发射谱带简单，激光上能级无激发态自吸收和上转换，辐射量子效率高，峰值位于940nm的吸收线宽宽，吸收系数大，与InGaAs二极管发光波长很好配，非常适合LD 泵浦，加上YAG晶体基质的优异光学和导热性能，因而是高效率高平均功率LD 泵浦激光器的理想工作物质，德国通快公司研制出LD泵浦薄片激光器单片输出4kW以上激光输出，美国波音公司利用德国通快公司激光模块实现27kW激光输出。
5总结从上表及实际情况看，Nd:GGG晶体的大尺寸、高掺杂、机械强度高、热导率高、快速冷却等特点，容易做成较大的块体且成为热容激光的激光介质；Nd:YAG是目前普遍使用的晶体，其高光学质量、热导率高、高增益、低吸收适合各种模式工作（连续、脉冲、调Q、锁模、倍频），国内已有直径大于150mm晶体毛胚；Nd:YLF由于荧光寿命长，具有储能高、输出光为偏振光、折射率低等优点，但由于其增益系数低，实际使用时需要增加晶体长度；Yb:YAG泵浦光940nm，荧光波长1030nm，与Nd:YAG相比其具有了更小的量子亏损和热损耗，可产生更高光束质量和高功率的激光输出。
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YVO4
Nd:YVO4
激光晶体亟待解决的若干关键科学问题
• 大尺寸激光晶体生长科学和技术的基础问题； • 晶体中离子的发光特性、能量传递及其与晶格相互作用的 机理； • LD泵浦高功率密度下（104~107W/cm2）激光晶体的热效 应； • 激光损伤的微观机理：高功率密度下晶体的新物理效应 （如ASE、饱和色心）及对激光性能的影响； • 主族金属离子发光物理机制的基础科学问题。
程及优缺点）？ 6. 熔体法生长晶体的要点？ 7. 激光晶体的组成、功能和特点？
谢谢大家！
jywang@
2）坩埚
• 作坩埚的材料要求化学性质稳定、纯度高，高温下机械强度高，易于加 工等，熔点要高于原料的熔点200℃左右。 • 常用的坩埚材料为铂、铱、钼、石墨、二氧化硅或其它高熔点氧化物。 其中铂、铱和钼主要用于生长氧化物类晶体。
3）传动系统
为了获得稳定的旋转和升降，传动系统由籽晶杆和升降系统组成。
4）气氛控制系统
3）温场
温场设计是得到优质晶体的基础。合适的温场是根据晶体的性能和生长 习性来确定的。
4）籽晶
选用高质量的籽晶是减少位错等缺陷继承到生长晶体中十分重要的。籽 晶本身有许多缺陷在生长晶体一般采用缩颈工艺减少缺陷的产生。 选取适当方向籽晶是获得完整晶体十分重要的手段。因为不同结晶学取 向生长的晶体，其结晶完整性有可能是不同的，如用Y方向的Nd:YCOB 籽晶生长 Nd:YCOB 晶体，就容易得到高质量完整性单晶，而用其它方 向的籽晶生长晶体，得到的晶体易出现开裂和散射颗粒等缺陷。
优点： 1. 便于精密控制生长条件，可以较快速度获得优质大单晶； 2. 可以使用定向籽晶，选择不同取向的籽晶可以得到不同取 向的单晶体； 3. 可以方便地采用“回熔”和“缩颈”工艺，以降低晶体中 的位错密度，提高晶体的完整性； 4. 可以在晶体生长过程中直接观察生长情况，为控制晶体外 形提供了有利条件 缺点：
光电功能晶体基础
第二讲 激光晶体
王继扬
爱因斯坦的电磁辐射理论 (1916)
h
E2 E1 吸收 自发辐射
h E2
E1
受激辐射
h
h
E2 E1
h
The beginning
三大基础激光晶体
高功率激光器
Nd:YAG晶体 1064nm, 1340nm
低功率小型激光器 Nd:YVO4晶体 1064nm, 1340nm
原料：所使用的原料的纯度要高（4N） 2）生长气氛
铱坩埚生长YVO4晶体，过多的氧气-铱坩埚氧化成为氧化铱，五价的钒离 子又会被还原成较低价态的离子（ YVO4 YVO4-x + x/2O2)，因此，一 些YVO4-x 将在晶体生长过程中进入YVO4晶体（有时使晶体带有明显的黄 色色心，即氧空位，缺氧严重时晶体可为黑色）， YVO4-x 的存在影响 YVO4 晶体的质量和均匀性，当色心严重时，会大大影响 YVO4 晶体的性 能，导致晶体不能使用。
1.4 水热法
1.5 助熔剂法
§3.3 气相法：生长速度慢，
晶体纯度高、完整性好，宜于薄膜 生长 3.1 升华法 3.2 反应法 3.3 热解法
§3.4 固相法: (高温高压技术)主
要靠固体材料中的扩散使非晶或多晶 转变为单晶，由于扩散速度小，不宜 于生长大块晶体 高压法、再结晶法
熔体法
许多物质在常温下是固体，当温度升到熔点以上时就熔化 为液体。这种常温下是固态的纯物质的液相称为熔体。 从熔体中生长晶体是制备大单晶 和特定形状的单晶最常用和最重 要的一种方法。电子学、光学等 现代技术应用中所需的单晶材料， 大部分是用熔体生长方法制备的。 如：Si、Ge、GaAs、LiNbO3、 Nd:YAG、Al2O3等 硅单晶年产量约1x108Kg（即1万 吨，1997年）
具有以下特点的材料不能用熔体法生长：
• 1、材料在熔化前分解（KTP）； • 2、熔点太高以至在实验上不能实现； • 3、晶体生长和降温过程中发生有害的相变。
Li2O-Nb2O5相图
晶体提拉法的装置由五部分组成：
1）加热系统
电阻加热— 电阻丝、硅碳棒。成本低，可制成复杂形状 的加热器；适于低温生长。 感应加热— 干净的生长环境，控温精确，成本和运转费 用高 。
1）同成分熔化化合物的二元相图
2）生长的晶体与熔体成分不同（二元或多元体系） • 掺杂的元素或化合物 • 非同成分熔化的化合物 • 熔点随成分变化，得到均匀单晶较困难； • 有时出现共晶或包晶反应,使单晶生长受到破坏。
熔化时成分改变 在y点： AB=A+L 包晶反应
掺NiO的MgO固溶体
固液非同成分熔化化合物的二元相图
结晶界面宏观及微观形貌是 决定结晶质量的关键
L S L S L S源自宏观：凹面：易形成偏析；不利于获得单晶 平面：可控制径向偏析，较易获得单晶 凸面：利于获得单晶，但易形成偏析
宏观形貌：传热、传质、对流耦合作用 微观形貌：局部温度梯度、生长速率、晶 体结构、成分
微观：平界面是获得 高性能晶体的关键
影响晶体完整性的主要原因和改善途径
不同晶体常需要在各种不同的气氛里进行生长。如钇铝榴石和刚玉晶体 需要在氩气气氛中进行生长。该系统由真空装置和充气装置组成。
5）后加热器
后热器可用高熔点氧化物如氧化铝、 陶瓷或多层金属反射器如钼片、 铂片等制成。 通常放在坩埚的上部，生长的晶体逐渐进入后热器，生长完毕后就在 后热器中冷却至室温。 后热器的主要作用是调节晶体和熔体之间的温度梯度，控制晶体的直 径，避免组分过冷现象引起晶体破裂。
1）生长设备和原料 生长设备的要求： 机械装置具有均匀的转动和移动性能，才能使晶体
生长具有稳定的生长界面和生长速率。 在晶体生长过程中需要保持界面的温度稳定性，也要求温度的控制精度较 高，因此较为先进的控制设备也是生长优质晶体所必需的。如目前提拉法 生长晶体用的是欧陆（EUROTHERM) 控温系统。
可调谐及超快激光器
Ti:Al2O3晶体 660-1100nm
Laser Crystal：The crystal transferring the electric energy to laser through the optical cavity
Activated ion + Matrix crystal
人工晶体生长方法
§3.1 溶液法：方法简单，生长
速度慢，晶体应力小，均 匀性好 水溶液 1.1 降温法 1.2 恒温蒸发法 1.3 循环流动法
§3.2 熔体法：生长速度快，晶
体的纯度及完整性高
2.1 提拉法
2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 凝固析晶法 坩埚下降法 泡生法 浮区法 焰熔法 导模法
Matrix crystal :Sapphire(Al2O3)Garnet(YAG)、
Yttrium Vanadate (YVO4)… Activated ion : Rare earth(Nd3+, Er3+, Yb3+,…) Transition metal(Cr3+, Ti3+,Ni3+,…)
1. 一般要用坩埚作容器，导致熔体有不同程度的污染；
2. 当熔体中含有易挥发物时，则存在控制组分的困难； 3. 不适合生长冷却过程中存在固态相变的材料
思考题
1. 晶体的定义和基本性质？
2. 为什么晶体具有固定的熔点，而非晶没有？
3. 晶体、非晶体、准晶体有何区别？
4. 单晶和多晶体的区别？
5. 水溶液生长晶体的要点（方法的选择、设备、过
5）分凝 (第二章溶质的分凝和质量的传输)
有时掺质(激光晶体 )是必不可少的，但是掺质也可对晶体生长产生影响。 这 些 离子 在晶 体 生长 过程 中 的 keff 不为 1 。有 效分 凝 系数 定义 为 ： keff=cs/cl(0)。因此，生长晶体中的掺质元素的浓度分布实际上是不均匀 的，严重时会在生长的晶体中形成生长层。在实际的晶体生长中，一 般的掺质晶体的生长速度小于纯晶体的生长速度，就是为了克服掺质 效应。