稀土固体激光材料的优化方案

激光材料中应用最早而且最为普遍的是固体激光材料，如1960年发明的第一台激光器就是固体红宝石激光器，至今在各种各样的激光器中固体激光器仍占据主导地位。固体激光器中核心是固体激光材料，它们多是采用光泵方式的稀土离子为激光中心的电介质材料。这类材料又可分为晶体激光材料、玻璃激光材料、光纤激光材料和化学计量激光材料。

3.8.2.1　稀土晶体激光材料

激光晶体和激光玻璃的主要区别在于：在激光晶体中，激活离子处于有序结构的晶体中；而在激光玻璃中，激活离子处于无序结构的网络中。由于激活离子所处的环境和基质材料的物理化学性质的不同，使得激活离子的光谱特性和激光性能也不相同。

除了色心激光晶体外，绝大部分的激光晶体是含有激活离子的荧光晶体，包括掺杂型激光晶体和自激活激光晶体，掺杂型激光晶体是激光材料的主要形式，它是由激活离子和基质晶体两部分组成。其中激活离子主要是稀土离子（三价和二价）以及过渡族金属离子，基质晶体则主要是氧化物（如Y2O3、AI2O3等）和复合氧化物（如Y3AI5O12-YAG1Gd3Al5O12-GGG等）、金属含氧酸以及氟化物等170多种晶体。在众多的激光晶体中，经过30多年的应用选择和发展，现在公认为较好和广泛应用的激光晶体只有几种，而且它们都是掺钕的稀土化合物，如掺Nd3+的钇铝石榴石（YAG∶Nd3+），掺Nd3+的氟化钇锂（LYF∶Nd3+）和掺Nd3+的铝酸钇（YAP∶Nd3+）。

3.8.2.2　稀土玻璃激光材料

由于基质玻璃配位场的作用，使绝大多数3d过渡族金属离子在玻璃中实现激光的可能性很少，而稀土离子由于5s和6p外层电子对4f电子的屏蔽作用，使它们在玻璃中仍保持与自由离子相似的光谱特性，容易获得较窄的荧光，因此不少三价稀土离子（如Nd3+、Sm3+、Gd3+、Tb3+、Ho3+、Er3+、Tm和Yb3+等）在玻璃中可产生激光。基质可以是硅酸盐、磷酸盐、氟磷酸盐、氟铍酸盐、氟锆酸盐、锗酸盐、碲酸盐和硼酸盐等无机玻璃。研究的重点是掺钕的硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃和磷酸盐玻璃。

国产的No.3和No.7型硅酸盐玻璃建成万兆瓦单路和十万兆瓦六路钕玻璃激光等离子体物理实验装置，随后又采用磷酸盐玻璃，使大功率激光器的输出功率达到1012W以上。此外，又因稀土激光玻璃的价格便宜，而且易于加工，它们的中小型激光器已在激光打孔、焊接、测距、育种、医疗和仪器制造等方面得到广泛应用。(www.xing528.com)

3.8.2.3　稀土光纤激光材料

随着集成光学和光纤通信的发展，需要有微型的激光器和放大器，从而近年来发展了稀土光纤激光材料。早在1973年就实现了用脉冲染料激光器或氩离子激光器输出的590nm或514.5nm激光从一侧的端面泵浦掺钕和Al2O3的石英玻璃纤维，获得波长为1.06μm的连续激光输出。Nd3+在石英玻璃中的溶解度很低，只有万分之几，为改善其折射率和热学性质，常在其中加入少量的Al2O3、GeO2或P2O5。Nd3+的1.33μm和Er3+的55μm激光波长与光纤通信最佳的窗口相匹配。

自从掺铒（Er3+）熔石英光纤放大器（EDFA）在光纤通信的干线上取得实用结果后，人们十分重视光纤放大器的发展。特别是当波分复用技术应用于光纤通信后，明显地增加了光维通信的容量，因此人们就希望有宽带放大的光纤放大器。最近有报道，日本使用掺铒的光纤放大器先后完成了码速为2Gb/s的海底通信实验和900km的长距离实验。

3.8.2.4　稀土化学计量激光材料

在化学计量激光材料中，稀土激活离子是作为晶体的组分之一，而不是以掺杂的形式加入。有时也包括高稀土浓度激光材料，稀土激活离子被La3+或Y3+等光学惰性离子所稀释。输出激光波长为2μm的HoF3是最早发现的化学计量激光材料，随后是PrCl3，接着出，现了五磷酸钕NdP5O14，促使在20世纪70年代掀起了研究者们对化学计量激光材料的兴趣。

一些化学计量激光材料和高稀土浓度激光材料将在集成光学、光通信、测距以及计算机中得到应用。