技术加油站丨三大基础激光晶体材料

1960年世界上第一台激光器的诞生，给古老的光学带来了一场革命。由于激光具有高能量密度、高度方向性和相干性的特点，使之在许多领域有广泛的应用，也带动了许多新兴学科。

在现代制造业中，激光加工就是目前最先进的加工技术之一，为各种新产品的开发提供了新途径。而在激光应用技术领域中，关键基础的核心器件莫过于全固态激光器，一种以固体激光材料作为增益介质的激光产生装置。

目前全固态激光器中，采用的激光基质材料是激光晶体，它们可将外界提供的能量通过光学谐振腔转化为在空间和时间上相干的具有高度平行性和单色性激光。经过几十年的发展，激光基质晶体已从最初的数种增加到几十种，其中应用最广泛的有三种，分别是掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）；掺钕矾酸钇（Nd:YVO₄）和掺钛蓝宝石（Ti:Al₂O₃），它们也被统称为“三大基础激光晶体”。

Nd:YAG

掺钕钇铝石榴石激光晶体具有光学均匀性好、机械性能好、物化稳定性高、热导性好等优点，是迄今为止最为重要，也是最成熟、最主流的激光晶体材料。可以说，掺钕钇铝石榴石的出现使得固体激光器得到了真正的发展，并实现商业化。

由于基本性能优异，掺钕钇铝石榴石常被应用于近远红外固态激光及其倍频、三倍频中，还可以用于二极管泵浦全固态微小型激光器中，得到的红、绿、蓝色高质量的连续激光输出。掺钕钇铝石榴石也大量用于军事、科研、医疗及工业激光器中，如各种规格的测距仪，光电对抗设备系统，高性能激光仪器，激光治疗仪、美容仪，激光打标机、打孔机等激光加工机械中。在需要高功率、高能量、Q开关和锁模超短脉冲激光等场合，掺钕钇铝石榴石更是首选的激光工作物质。

Nd:YVO₄

掺钕钒酸钇晶体是一种性能优良的激光晶体，适于制造激光二极管泵浦特别是中低功率的激光器。与掺钕钇铝石榴石相比，掺钕钒酸钇对泵浦光有较高的吸收系数和更大的受激发射截面。激光二极管泵浦的掺钕钒酸钇晶体与LBO，BBO，KTP等高非线性系数的晶体配合使用，能够达到较好的倍频转换效率，可以制成输出近红外、绿色、蓝色到紫外线等类型的全固态激光器。

目前掺钕钒酸钇激光器已在机械、材料加工、波谱学、晶片检验、显示器、医学检测、激光印刷、数据存储等多个领域得到广泛的应用。而且掺钕钒酸钇二极管泵浦固态激光器正在迅速取代传统的水冷离子激光器和灯泵浦激光器的市场，尤其是在小型化和单纵模输出方面。

Ti:Al₂O₃

1970-1980年代，超快激光主要是采用被动锁模的染料激光器，可以产生亚ps级的短脉冲激光。1980年代末期，研究人员发现了可调谐范围为660nm-1100nm的钛宝石（Ti:Al₂O₃），其带宽非常有利于实现fs激光脉冲，而且具有受激发射截面大、激光损伤阈值高等优点。

2001年，研究人员采用Kerr透镜被动锁模，获得了平均功率为100mW，脉宽为5，V6fs的激光脉冲，并且首次实现了fs脉冲运转下的波长宽带（400nm）调谐。从此之后钛宝石激光器基本上取代了染料激光器在超短脉冲激光领域中的位置，成为了最主要的超短脉冲激光振荡源。