激光晶体

1. 激光晶体是光学晶体-通常是单晶（单晶的光学材料）它是被用作增益介质为固态激光器。在绝大多数情况下，它们被掺杂有三价稀土离子或过渡金属离子。当吸收泵浦光（光泵浦）能量提供给晶体时，这些离子会使这些晶体受激发射放大激光波长的光。
2. 与掺杂玻璃相比，晶体通常具有很高的过渡截面、更小的吸收和发射带宽、更高的热导率和可能产生的双折射（有关激光玻璃的文章会更详细地讨论了这些差异变化。）在特定的情况下，单晶激光材料可能会被陶瓷激光增益介质取代，后者会具有更精细的多晶结构。

最常用的激光活性稀土离子和主介质以及代表的发射波长见下表:

离子	常见的宿主晶体	重要的发射波长
钕(Nd3+)	Y3Al5O12(YAG)、YAlO3(YALO)、YVO4(钒酸钇)、YLiF4(YLF)、钨酸盐(KGd(WO4)2、KY(WO4)2)	1064、1047、1053、1342、946纳米
镱(Yb3+)	YAG、钨酸盐（例如KGW、KYW、KLuW）、YVO4、硼酸盐（BOYS、GdCOB）、磷灰石（SYS）、倍半氧化物（Y2O3、ScO3）	1030,1020–1070纳米
铒(Er3+)	YAG、YLF	2.9,1.6微米
铥(Tm3+)	YAG	1.9–2.1微米
钬(Ho3+)	YAG	2.1,2.94微米
铈(Ce3+)	YLF、LiCAF、LiLuF、LiSAF和类似的氟化物	0.28–0.33μm

下表列出了常见的过渡金属掺杂晶体：表1：激光活性晶体中常见的稀土离子。

离子	常见的宿主晶体	重要的发射波长
钛(Ti3+)	蓝宝石	650–1100纳米
铬(II)(Cr2+)	锌硫属化物，如ZnS、ZnSe和Zn xSe1-x	2–3.4微米
铬(III)(Cr3+)	Al2O3(红宝石)、LiSrAlF6(LiSAF)、LiCaAlF6(LiCAF)、LiSrGaF6(LiSGAF)	0.8–0.9微米
铬(IV)Cr4+)	YAG,MgSiO 4(镁橄榄石)	1.35–1.65μm(YAG),1.1–1.37μ(镁橄榄石)

表2：激光活性晶体中常见的过渡金属离子。

这些表格仅包含最常见的主晶体；当然还有其他的晶体，但它们的使用频率较低。

主晶体的重要优点

宿主晶体不仅仅是将激光活性离子固定在某些空间位置的一种手段，而且主体的材料有许多的特性是很重要：

• 介质会在泵浦和激光辐射的波长范围内具有高透明度（低吸收和散射），以及良好的光学均匀性。这在某种程度上取决于材料上的质量，并且是由制造过程中的细节来决定的。
• 宿主介质强烈影响泵浦和激光跃迁的波长、带宽和跃迁截面以及上能态寿命。比如：与Nd:YAG相比，Nd:YVO4具有更高的横截面、更多的增益带宽和较小的上能级寿命。其他钕基质会提供跃迁波长，例如来自Nd:YLF的1047或1053nm。
• 非辐射跃迁（如多声子跃迁）也会受到宿主的强烈影响，特别是受最大声子能量的影响。其中一些跃迁是非常有害的，导致上能态粒子数猝灭（从而降低量子效率）。其他的对于激光操作是必不可少的，例如从较低的激光水平去除离子。能量转移过程也取决于主体材料。
• 最大可能的掺杂浓度很大程度上取决于主体材料及其制造方法。
• 不同的晶体材料在硬度和其他特性方面有很大差异，这决定了它们可以使用哪种方法以及如何容易地切割和抛光质量良好。
• 一些材料在化学上不稳定，例如吸湿性。
• 特别是对于高功率激光器（通常足够用于中低功率），需要高热导率、低热光系数（对于弱热透镜）和高机械应力的耐受性是理想的。
• 光学各向同性可能是有益的，但在其他情况下，双折射（减少热去极化）和可能依赖于偏振的增益是更好的（另见：光的偏振）。
• 脉冲能量密度或峰值强度方面的高损伤阈值是对于高能放大器是很重要。

很明显，不同的应用导致对激光增益介质的要求是十分不同的。由于这个原因，使用了广泛的不同晶体，才能做出对于构建最佳性能的激光器。

普通晶体激光宿主介质

晶体介质的范围很广，可以根据重要的原子成分和晶体结构进行分组。一些重要的晶体组是：

1. 石榴石，如Y3Al5O12(YAG),Gd3Ga5O12(GGG),和Gd3Sc2Al3O12(GSGG):坚硬且化学惰性的材料，光学各异性，具有高导热性；
2. 蓝宝石(Al2O3)（例如用于钛-蓝宝石激光器）和铝酸盐，用于钕掺杂的YAlO3(YALO,YAP)：高硬度和导热性，各向异性；
3. Y2O3,Sc2O3等倍半氧化物：各向同性、硬度高、导热性好；
4. 钒酸盐，如YVO4和GdVO4：Nd3+的非常高的激光横截面，各向异性;
5. 氟化物，如YLiF4(YLF)：良好的紫外线透明度、双折射、Nd:YLF的大能量储存能力；还有LiCAF、LiLuF、LiSAF作为掺铬宽带增益介质;
6. 硅酸盐，例如MgSiO4（镁橄榄石）：宽增益带宽;
7. 单斜双钨酸盐，例如KGd(WO4)2(KGW)和KY(WO4)2(KYW)：结合了相对较高的Yb3+激光横截面、大增益带宽和高热导率
8. 无序四方双钨酸盐，如NaGd(WO4)2(NGW)和NaY(WO4)2(NYW)：镱增益带宽特别大;
9. 硫属化物，如用于中红外激光器的ZnS或ZnSe。

集成可饱和吸收器的激光晶体

被证实部分激光晶体材料，它们中的可饱和吸收体材料被用于无源调Qa的激光。例如：可以将Cr4+离子结合到此类Nd掺杂晶体中，以在1-μm光谱区域发射。并且这已经用Cr:Nd:YAG和Cr:Nd:YVO4进行了尝试挑战。

有了这样的概念，那就不需要额外的可饱和吸收晶体，因为这就可以制造出更为紧凑的调Q激光器，它们的内部寄生损耗会更低。但是也可能会发生一些副作用，假设获得所涉及离子或能量转移的不需要的状态。另外，如果不能将不同厚度或掺杂浓度的吸收体在不更换激光晶体本身的情况下，在实验中可能会失去灵活。

激光晶体的几何形状

1. 最常见的是长方体形式，晶体可以具有横向尺寸（垂直于激光束）和几毫米的厚度的薄共面板。它可以接近垂直入射的激光束，或以布儒斯特角。还可以固定在一些的底座上，也可以作为散热器。不过较大的晶体通常用于侧泵浦，例如使用高功率二极管条。
2. 在特定的情况下，是需要端面之间的极端角度，如：一个端面必须是布鲁斯特角，而另一个端面是垂直入射的角。
3. 板条激光器基于相对平坦的板条，它不一定不是长方体形式。
4. 许多侧面泵浦激光器使用相对较长的圆柱形激光棒，如：由Nd:YAG制成。特别是对于灯泵浦激光器，棒的长度是几厘米，但是棒的直径要小很多（几毫米）。
5. 薄盘激光器是需要一个圆盘，通常是有圆形横截面，厚度仅仅为100-200μm，掺杂浓度相对较高。
6. 单片固态激光器需要特殊的几何形状，如：非平面环形振荡器。
7. 出于各种原因，复合晶体越来越受欢迎。这些是具有空间变化的化学成分，可以制成特殊的形状。
8. 有的单晶光纤，其中是将单晶材料（通常包含激光活性掺杂剂）拉成光纤的形式。在这里晶体-空气界面获得波导效应，也有可能来自热透镜、掺杂梯度或者的其他效应。

批量的属性

对于给定的掺杂剂和主体介质，掺杂浓度是很重要的参数。其他问题是掺杂的均匀性（影响淬灭趋势）、杂质水平（例如不需要的稀土离子）和光学均匀性。这些因素中会有几个影响材料的吸收和散射损失或热透镜的强度。

尽管不同的激光器设计可能对材料参数有着不同的敏感性，但一样的生产的晶体质量是有保障的。

参数的优化

增益介质的几何形状、掺杂剂和掺杂浓度最有利的因素是取决于:可用的泵浦源（激光二极管或灯的类型）、泵浦布置，但是材料本身也是会有一些影响。例如：钛蓝宝石激光器必须是以高强度泵浦。因此横向冷却棒的形式是以相对较小的泵浦和激光束直径来运行，比薄盘更加合适。

或者调Q激光器在上激光能级达到更高的密度，对淬灭效应会更敏感，能量转移的过程；因为较低的掺杂密度一般只适用于这些器件。对于高功率激光器，会使用较低的掺杂密度来限制发热密度，尽管薄盘激光器在高度掺杂的晶体中效果会更好，但大多数激光产品是无法充分发挥它的性能，因为有些细节还没有很好的解决方法。

光学表面

那些激光束的表面是布儒斯特角定向或者具有抗反射涂层。即使是镀有增透膜的晶体，这样也会倾斜光束，来防止背向反射停留在激光谐振腔中。这对于锁模激光器和可调谐单频激光器是非常重要的。

高质量当然很重要的，但是表面平整度指标要优于λ/10。这样有助于降低激光器光束质量的散射损失和波前畸变。此外，划痕和挖掘规范（表面质量）限制了小范围缺陷；例如:对于中等质量的生产，就可能会变成“80-50”，当然这对于特别苛刻的激光应用，应用就会写为“10-5”有时候的表面处理也会影响到损伤阈值，这对于高能脉冲放大器等是十分重要的。当然高度的端面平行度对避免晶体中光束方向的变化是很重要的。