工作物质

出处：按学科分类—工业技术 北京工业大学出版社《特种加工手册》第17页（1509字）

激光工作物质是决定激光器结构和性能的关键．对工作物质的物理性能有如下要求：有较宽的吸收光谱带，以便有较多的激活离子吸收光后被激发；荧光上能级为一亚稳态，亚稳态寿命较长，以利于粒子数反转；荧光光谱较窄；有较高的荧光量子效率，使大部分被光激发的离子容量过渡到产生荧光的上一能级；四能级系统比三能级系统更有利于建立粒子数反转；要有较好的导热性能；工作物质容易制备和进行光学加工．

目前，应用于加工的固体激光器的工作物质主要是红宝石、钕玻璃及掺钕钇铝石榴石(YAG)．它们的特性见表2-2．

表2-2 几种主要激光工作物质的特性

(1)红宝石 红宝石的化学表达式为Cr³⁺：Al₂O₃，激活离子是Cr³⁺．在常温其吸收带为0．41μm的紫光和0．55μm的绿光；吸收带宽为0．1μm左右．发射光谱为0．694μm和0．6929μm的可见红光，便于调整观察，这种材料的激光器输出能量较大，采用120mm×ф10mm的红宝石晶体时，激光输出能量可达5J，但工作频率不高，一般都小于1次／s．

红宝石激光器的输出特性与温度有关，温度升高，激光输出的中心波长向长波长方向移动，荧光谱线加宽，且为均匀加宽，而红宝石的荧光寿命在一定范围内随温度下降而上升，但达到一定值后，寿命又开始下降，温度升高使荧光量子效率下降，最终使阈值升高，效率下降．

红宝石激光器的优点是：机械强度大，能承受高功率密度；能生长成大尺寸；亚稳态寿命长，可获得大能量输出，尤其是大能量单模输出，但因阈值较高，输出性能受温度变化明显，所以红宝石激光器不宜作连续及高重复运行，只能作低重复率脉冲器件．

(2)钕玻璃钕玻璃的基质是光学玻璃，如硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、氟磷酸盐玻璃等．激活粒子是稀土金属钕离子(Nd³⁺)．

与晶体激光工作物质相比，钕玻璃工作物质有如下一些特点：容易制造出大体积、光学均匀性好的工作物质，成本比较低；现有的玻璃热成型和光学冷加工工艺成熟；能够在室温条件下获得高效率的激光输出．存在的缺点是：玻璃本身的热导率比较低(比石榴晶体低约一个数量级)，因此它不宜作连续泵浦或高重复率脉冲泵浦，一般只作单次脉冲或较低脉冲，重复频率(小于10次／s)运转，一般不超过2次／s．

(3)Nd³⁺：YAG 基质是钇铝石榴石晶体，化学式为Y₃Al₅O₁₅简写成YAG，激活粒子是钕离子．这种激光晶体有优良的机械性能、热学性能和光学性能，常温下辐射1．06μm激光，属于四级能级系统．

Nd³⁺：YAG晶体具有一系列光谱特点：

①在光谱的可见和近红外区具有好几条较强的吸收光谱带；

②由上述各光谱带向1．06μm荧光谱线的转换效率较高；

③在室温和高于室温的较大范围内不受温度升高的影响，适用于脉冲、连续、高重复率等多种器件，是目前能在室温下连续工作的唯一实用的固体工作物质．