【云展览 微科普 】3、中国牌系列单晶——激光晶体

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（三）中国牌系列单晶—— 激光晶体

系列专题已经为您介绍

中国牌系列单晶的

非线性光学晶体

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云展览 微科普系列专题

本期继续为您解读

单晶家族的另一类成员

激光晶体

下方视频为您讲述

生活中触手可及，必不可少

美丽神秘，而又充满魅力的晶体

“魅力晶体”科普视频

视频来源

中国科学院上海光学精密机械研究所

（全屏收看效果更佳）

随着科技的进步和社会的发展，人们对于功能晶体的需求越来越大，自然界中出产的天然晶体已经远远不能满足人们的需求，而天然晶体从储量、纯净度、单晶性等方面也远远无法和人工晶体相媲美。科学家在掌握了晶体的生长规律与习性的基础上，可以制造出符合人类需求，甚至自然界并不存在的各类实用晶体。
在各类晶体应用中，有一类晶体正在改变着我们的生活，在科研、工业、医疗、通信等方面具有重要应用，这类晶体就是激光晶体。

图1 激光通信

图片来源

https://www.sohu.com/a/273066731_819742

激光晶体是绝大多数固体激光器的核心（或称工作物质），对于激光技术具有里程碑的意义和作用, “一代材料、一代器件”。

60年代：第一台红宝石晶体(Cr:Al₂O₃)激光器问世，激光诞生；

70年代：掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)，固体激光开始大力发展；

80年代：钛宝石晶体(Ti:Al₂O₃)，超短、超快和超强激光成为可能，飞秒(10^-15s)激光科学技术蓬勃发展，并渗透到各基础学科和应用领域。

90年代：矾酸钇晶体（Nd：YVO₄），固体激光的发展进入新时期——全固态激光技术。

至今，实用化的激光晶体已从最初的几种基质材料发展到数十种，并在各个方面获得了实际应用。但就其应用范围来说，主要有“三大基础激光晶体”，即掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)、掺钕矾酸钇 (Nd:YVO₄)和掺钛蓝宝石(Ti:Al₂O₃)晶体。其中高功率激光应用方面主要是Nd:YAG。

掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）晶体具有增益高、效率高、阈值低、热性能与机械性能好、化学性质稳定等优点，是最重要、用量最大的固体激光材料，在各种高、中、低功率的固体激光器上具有广泛应用，是美、欧等发达国家高度重视的一种激光材料，长期以来一直给予重点的支持和发展。目前，在美国、德国、捷克、俄罗斯、日本等国家已经形成了多家专业的激光晶体研发、生产企业，Nd:YAG 晶体生长已经形成了规模化，晶体尺寸不断增大、光学质量和晶体元件加工精度不断提高，晶体生长基础理论已经成熟，仿真模拟手段在晶体开发和生产过程中得到了成功的应用，特别对大尺寸晶体的研制起到了良好的指导作用。

我国 Nd:YAG 激光晶体研制始于上世纪 60 年代，起步几乎与国外同时，但由于工业基础条件落后加之投入不足，一直与国外存在着较大差距。近十余年来，在国家各部委大力支持下，我国的 Nd:YAG激光晶体取得了长足的进步。

未来激光晶体的主要发展方向为：

1) 面向全色显示、光存储、光刻等应用的蓝绿紫和可见光激光晶体；

2) 面向人眼安全、遥感、光通讯、医疗等应用的中红外激光晶体；

3) 面向先进制造技术的高功率、大能量激光晶体；

4) LD 抽运超快激光增益和放大介质晶体。随着我国晶体生长技术的不断进步，未来一定能在激光前沿领域取得更大发展。

图2 人工生长的大尺寸Nd:YAG激光晶体

图片来源：中国科学院上海光学精密机械研究所

特别感谢

潘明艳副研究员

中国科学院上海光学精密机械研究所

提供以上内容

展区代表性激光晶体

大尺寸钛宝石晶体

突破国外关键核心技术垄断，自主研制成功大尺寸钛宝石激光晶体生长装备和目前已知全球最大尺寸、直径235mm的高质量钛宝石晶体元件，并应用到国家大科学装置——上海超强超短激光实验装置，获得了10.3PW激光放大输出，处于国际领先水平。

（上海光学精密机械研究所）
大尺寸（Ø235mm×72mm）钛宝石激光晶体上海光学精密机械研究所 供图
钛宝石晶体（2017）化学式：Ti:Al₂O₃

由中国自主研发成功，是目前已知国际最大口径（235毫米）的激光放大晶体，

是上海超强超短激光实验装置的核心关键器件，获得10拍瓦功率的激光输出。

铒镱双掺四硼酸铝钇晶体

该晶体综合性能优于目前商品化的Er³⁺/Yb³⁺双掺磷酸盐玻璃，可实现高功率连续和高重频脉冲的人眼安全1.55µm波段激光输出，有望为自动驾驶激光雷达和激光测距等仪器提供一种性能优良的探测光源。

（福建物质结构研究所）
铒镱双掺四硼酸铝钇（Er:Yb:YAl₃(BO₃)₄）晶体福建物质结构研究所 供图
铥钬掺杂氟化钇锂晶体中红外激光在红外成像、激光遥感、生化探测、激光测风雷达、大气环境监测、生物医疗、光谱学研究等诸多领域均有重要的应用。中红外激光晶体是中红外激光器的核心关键材料，Tm/Ho:YLiF₄晶体是重要的中红外激光晶体之一。通过突破高纯氟化物原料和晶体生长工艺等核心关键技术，研制成功高质量的Tm/Ho:YLiF₄晶体，并成功应用到激光测风雷达系统。（上海光学精密机械研究所）

用于产生中红外激光的Tm/Ho:YLiF₄晶体

上海光学精密机械研究所 供图

铥钬掺杂氟化钇锂晶体（2016）化学式：Tm/Ho:YLF重要的中红外激光晶体之一，中国科学院突破高纯氟化物原料和晶体生长工艺等核心关键技术，成功应用于激光测风雷达等系统。

鸣谢中国科学院科技促进发展局中国科学院上海光学精密机械研究所中国科学院福建物质结构研究所

文章来源：“院史天地”公众号

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