[科普中國]-激光玻璃

激光玻璃是一種以玻璃為基質(zhì)的固體激光材料。它廣泛應(yīng)用于各類型固體激光光器中，并成為高功率和高能量激光器的主要激光材料。

激光玻璃的特點(diǎn)用玻璃作為激光工作物貢的特點(diǎn)是：可以廣泛改變化學(xué)組成和制造工藝以獲得許多重要的性質(zhì)，如熒光性、高度熱穩(wěn)定性、熱膨脹系數(shù)小、負(fù)的溫度折射系數(shù)、高度的光學(xué)均勻性，以及容易得到各種尺寸和形狀、價格低廉等。

激光玻璃由基質(zhì)玻璃和激活離子構(gòu)成。激光玻璃的各種物理化學(xué)性質(zhì)主要取決于基質(zhì)玻璃，而它的光譜特性主要由激活離子決定，但它們之間也存在相互聯(lián)系和影響。在新型激光玻璃的研究開發(fā)中，兩者之間的相互關(guān)系非常重要，直到20世紀(jì)80年代中期，基質(zhì)玻璃體系主要是硅酸鹽、磷酸鹽和氟磷酸鹽，近年來氟化物激光玻璃的研究十分活躍，是一類優(yōu)異的激光基質(zhì)材料，氟化物玻璃的聲子能量較低，因此無輻射、躍遷很小，這一特性在上轉(zhuǎn)換激光的開發(fā)中尤為有利，激光玻璃的激活離子主要是稀土離子。1

激光玻璃生產(chǎn)條件(1)激活離子的發(fā)光機(jī)構(gòu)必須有亞穩(wěn)態(tài)，形成三能級或四能級結(jié)構(gòu)，并要求業(yè)穩(wěn)態(tài)有較長壽命，使粒子數(shù)易于積累達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。

(2)激光玻璃必須有合適的光譜性質(zhì)，吸收光譜要與光泵的輻射光譜盡可能重疊，以提高激活能量；熒光光譜要求譜帶少面窄，熒光的量子效率高。

(3)基質(zhì)玻璃要有良好的透明度，對激光波長的吸收應(yīng)盡可能小，所以要求在激光波長附近產(chǎn)生吸收的雜質(zhì)的含量應(yīng)盡可能少。

(4)必須有良好的均勻性，良好的化學(xué)穩(wěn)定性，失透性小，有一定的機(jī)機(jī)強(qiáng)變和良好的光照穩(wěn)定性。

(5)必須有良好的熱光穩(wěn)定性，熱光系數(shù)要盡可能小。1

實(shí)用的激光玻璃系統(tǒng)在激光玻璃中，最重要的是釹玻璃。Nd3+幾乎能在所有的無機(jī)玻璃中產(chǎn)生熒光，于許多玻璃系統(tǒng)中都能產(chǎn)生受激發(fā)射。但具有實(shí)用意義的玻璃基質(zhì)卻只有以下三種玻璃系統(tǒng)。

1)硅酸鹽系統(tǒng)玻璃。硅酸鹽系統(tǒng)玻璃是使用范圍最廣的激光玻璃。硅酸鹽系統(tǒng)釹玻璃具有熒光壽命長、量子效率高、物化性能好（失透傾向小、化學(xué)穩(wěn)定性好、機(jī)械強(qiáng)度高）、生產(chǎn)工藝較簡單且成熟等特點(diǎn)，一般用于高能和高功率輸出激光器。

2)硼酸鹽及硼硅鹽系統(tǒng)玻璃。含硼玻璃的熒光壽命較短、量子效率較低，但Nd3+在其中的吸收系數(shù)較高，熱膨脹系數(shù)較低。因脈沖振蕩的閾值能量與熒光壽命成正比，硼玻璃雖熒光壽命短而吸收系數(shù)高，可得到較低的閾值能量，適合于高重復(fù)率脈沖工作的激光器。

3)磷酸鹽系統(tǒng)玻璃。磷酸鹽系統(tǒng)玻璃的熒光壽命較短，熒光譜線窄，Nd3+在其中的近紅外吸收較強(qiáng)，有利于光泵能量的充分利用。由于在制造工藝上的困難，如其對耐火材料坩堝的侵蝕嚴(yán)重、光學(xué)均勻性差等，限制了它的廣泛應(yīng)用。然而，通過調(diào)整玻璃的成分可獲得熱光系數(shù)很小的磷鹽玻璃，因此近來頗受關(guān)注，已用于重復(fù)頻率器件上。

激光玻璃和激光晶體區(qū)別激光玻璃和激光晶體都是固體的激光工作物質(zhì)。二者不同點(diǎn)是：玻璃材料中的激活離子處于無序結(jié)構(gòu)的固體玻璃基質(zhì)中，而激光晶體材料中的激活離子處于有序結(jié)構(gòu)固體晶體基質(zhì)中。雖然大部分在玻璃中能產(chǎn)生激光的激活離子，在晶體中都能產(chǎn)生激光，而且熒光機(jī)構(gòu)也是相同的。但是，基質(zhì)不同，激活離子的行為略有差異：在玻璃中主要取決于玻璃介質(zhì)的極化作用，而晶體基質(zhì)的影響主要取決于晶格場的作用，表現(xiàn)出的光譜特性也有所不同。同時，基質(zhì)本身的物理、化學(xué)性質(zhì)不同，使它們能適用于不同的應(yīng)用目的。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

黎明 - 副教授 - 西南大學(xué)