马海霞，楼祺洪，漆云凤，董景星，魏运荣
(中国科学院上海光学精密机械研究所，上海201800)
摘要：为了研究Nd ∶Y A G 多晶透明陶瓷作为激光增益介质的可能性，测量了掺杂原子数分数为1%的Nd ∶Y A G 多晶透明陶瓷的吸收光谱、荧光光谱、荧光寿命等光学参量，并和Nd ∶Y A G 单晶进行了比较。测量结果表明,Nd ∶Y A G 多晶透明陶瓷作为激光增益介质具有极大的潜力。
关键词:Nd ∶Y A G 多晶透明陶瓷；吸收光谱；荧光光谱；荧光寿命中图分类号:O433.5 文献标识码:A
Spectrum characteristics of the polycrystalline transparent ceramic
M A Hai 2xia ,L OU Qi 2hong ,Q I Y un 2f eng ,DON G Ji ng 2xi ng ,W EI Y un 2rong
(Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics ,the Chinese Academy of Sciences ,Shanghai 201800,China )Abstract :Optical characteristics of the Nd ∶Y A G polycrystalline ceramic with Nd concentration of 1%,such as absorption spectrum ,fluorescence s pectra ,transmission s pectrum an
d fluorescence life are measured ,which are com pared with those of Nd ∶Y A G single crystal.Results demonstrate Nd ∶Y A Gpolycrystalline transparent ceramic to be a potential laser medium.
K ey w ords :Nd ∶Y A G polycrystalline transparent ceramic ;absorption spectrum ;fluorescence s pectra ;fluorescence life
基金项目：国家高新技术八六三专题资助项目(8042622)
作者简介：马海霞(19762)，女，博士研究生，主要从事全固态激光器方面的研究。
E 2mail :m0314@163
收稿日期:2003210220；收到修改稿日期:2003212209
引 言
激光增益介质对于产生高效的激光振荡具有极
其重要的意义。在单晶作为增益介质的激光器中,Nd ∶Y A G 激光器是目前最常用的一类固体激光器。YA G 基质很硬、光学质量好、热导率高,YA G 的立
方结构也有利于产生窄的荧光谱线，从而产生高增益、低阈值的激光作用。在Nd ∶Y A G 中，三价钕替换了三价钇，因此不需要补偿电荷。Nd ∶Y A G 除了具有非常优越的光谱和激光特性外，其基质材料的晶格因其非常有吸引力的物理、化学和机械特性而受到关注。在Nd ∶Y A G 中,Y 3+被Nd 3+替代，两种稀土离子的半径差大约为3%。因此当加入大量的Nd 时，晶体就会出现应变。所有用提拉法生长的Nd ∶Y A G 晶体放于正交的起偏器之间时，就会沿着晶体的长度方向显现出明亮的芯子，还可以看到从此芯子向晶体表面辐射的应变花纹。利用电子探测针研究表
明，中心区的Nd 浓度是周边区域的两倍。在生长界面存在一个小界面，那里钕的分凝系数不同于周围的生长面，所以形成这种核心区。这种成分的差异引起相应的热膨胀系数差异，从而在晶体从生长温度冷却下来的过程中，就产生所观察到的应变花样。退火并不能消除该中心，到目前为止，也没有到避免在生长界面形成小界面的方法。为了寻更优秀的激光增益介质，人们做了大量的努力[1～6]。本文中介绍了一种新的激光增益介质，并对其光谱性质进行了测量，测量结果表明,Nd ∶Y A G 多晶透明陶瓷作为激光增益介质具有极大的潜力。
1 Nd ∶YAG 透明陶瓷的光谱性质
1999年,K onoshima 公司采用一种新的方法成
功制备了Nd ∶Y A G 多晶透明陶瓷[7,8]。首先用液相化学反应和预烧结技术制得了直径约为10nm 的YA
G 粒子。制备过程如图1所示。然后用真空烧
结法得到了平均直径约为10
μm 的颗粒，如图2所示。颗粒边界小于1nm ，在这种陶瓷中气孔率在10-6m 的数量级上。因用这种方法制备的陶瓷颗
粒边界很小，且气孔率极少，故它的散射损耗很低。
本文中测量了日本K onoshima 和Baikowski 协
第28卷 第5期
2004年10月
激 光 技 术
LASER TECHNOLO GY
Vol.28,No.5October ,2004
Fig.1 Fabrication process of transparent ceramic YA
G
Fig.2 Crystal growth from nano 2crystals to micro 2crystal
作制造的掺杂原子数分数为1%的直径为20mm ，厚度为1.2mm 的Nd ∶Y A G 多晶透明陶瓷的吸收光谱，荧光光谱，透过
光谱，荧光寿命等光学参量，并和Nd ∶Y A G 单晶进行了比较。1.1 吸收光谱
在室温下，采用Model V 2570,JASCO 吸收光谱仪测试了样品在500nm ～1000nm 范围内的吸收光谱。Nd ∶Y A G 多晶透明陶瓷和单晶的吸收光谱如图3、图4所示。从图3、图4可以看到，在500nm ～
Fig.3 The absorption spectrum of Nd ∶Y A G transparent ceramic
Fig.4 The absorption spectrum of Nd ∶Y A G single crystal 1000nm 范围内Nd ∶Y A G 多晶透明陶瓷的吸收光谱
与Nd ∶Y A G 单晶相似，在808nm 附近都有一个大的
吸收峰，吸收带宽约为1nm 。通过调节温度，使激光二极管的发射中心在808nm
，使其对准Nd ∶Y A G 透明陶瓷的吸收峰，实现高效激光振荡。1.2 荧光光谱
在室温下，采用Triax550荧光光谱仪测量了Nd ∶Y A G 多晶透明陶瓷的荧光光谱，如图5，图6所
示。从图5，图6看到,Nd ∶Y A G 透明陶瓷的荧光光谱与Nd ∶Y A G 单晶相似，一个主要的发射峰都是在1064nm 附近，通过谐振腔镜的选择振荡，可以实现1064nm 的激光振荡。
Fig.5 The fluorescent spectrum of Nd ∶Y A G transparent ceramic
Fig.6 The fluorescent spectrum of Nd ∶Y A G single crystal
1.3 透过光谱
室温下，采用Lamda 900UV/V IS/N IR 分光光度计测量了Nd ∶YA G 多晶透明陶瓷在350nm ～1200nm 光谱范围内的透过光谱，如图7所示。Nd ∶Y A G 多晶透明陶瓷在1064nm 的透过率为85%,
Fig.7 The transmission spectrum of Nd ∶Y A G single crystal
9
84第28卷 第5期马海霞 Nd ∶Y A G 多晶透明陶瓷的光谱性质
背景吸收很弱。
用荧光寿命测量仪测得Nd ∶Y A G 多晶透明陶瓷
的荧光寿命为240μs 。1%的Nd ∶Y A G 单晶的荧光寿命约为230
μs ，都具有较长的上能级寿命，能够很好的实现粒子数反转。
另外，还测量了Nd ∶Y A G 多晶透明陶瓷的光学
均匀性。采用种子源主振荡放大(MOPA )，输出中心波长为1064nm ，重复频率为20kHz ～100kHz 连续可调，谱线宽度约为6nm ，输出功率为0～10W 可调，光斑约为10mm 掺Yb 双包层光纤放大器作为光源，用CCD 接收光斑，采用LBA 2PC 型激光波面分析仪捕捉和处理信号。
由于CCD 接收面积很小，在光纤放大器输出口放置一个光阑。CCD 离光源的距离大约为2m ，光纤放大器直接输出光斑形状如图8a 所示
。在条件不变的情况下，在光源输出口置透明陶瓷，观察输出光斑如图8b 所示。图8a 中光斑直径为 1.2936mm ，在图8b 中光斑直径为1.296mm 。在光斑传输2m 左右后，光斑大小变化很小，而且光强的分布基本不变。为了进一步证实样品的均匀性，把透明陶瓷放在两个偏阵片之间，当旋转其中一个
偏阵片时观察透过光斑的变化。当两个偏阵片垂直时有消斑现象，当转动陶瓷片时都发现类似的现象，说明样品的均匀性相当好。
Fig.8 Beam profile of (a )signal (b )with transparent ceramic
2 光谱分析
由吸收光谱和荧光光谱，计算出Nd ∶Y A G 多晶透明陶瓷的能级结构，如图9所示。Nd ∶Y A G 激光
Fig.9 Nd ∶Y A G energy level
器为四能级系统。波长为1064nm 的激光跃迁始
自4F 3/2能级的R 2分量，终止于4I 11/2能级的Y 3分量。终端激光能级比基能级高出2036cm -1，因此
其粒子数密度是基能级的exp (ΔE/k T )≈exp (-10)，由于终端能级没有热粒子数，因而很容易达到阈值条件。
吸收光谱测试得到的数据为各波长下的光密度D ，即log (I 0/I )，它与吸收系数α和吸收截面积σa 具有如下关系:
α=2.303・log (I 0/I )
L
(1)σa =
2.303・log (I 0/I )
L ・N
(2)
式中,L 为样品的厚度,N 为Nd 3+离子的掺杂原子数分数。由吸收光谱得到1%Nd ∶Y A G 多晶透明陶瓷的背景吸收系数约为1.2cm -1，在最强的吸收峰808nm 处，其吸收系数为6.7cm -1，吸收截面为4.9×10-20cm 2。
由Nd ∶Y A G 多晶透明陶瓷的透过光谱，根据公式:
T s =2T 0/(1+T 0)
(3)R s =1-T s
(4)n =(1+
R s )/(1-R s )
(5)
计算出Nd ∶Y A G 多晶透明陶瓷的折射率n 。其中T 0
为双面透过率，即为测量值,T s 为单面透过率,R s 为单面发射率。由此计算出Nd ∶Y A G 多晶透明陶瓷在1064nm 处的折射率n =1.804。
3 结 论
从以上测试结果可以看到,Nd ∶Y A G 多晶透明陶瓷的光学性质和单晶Nd ∶Y A G 相似，在波长808nm 处有一个大的吸收峰，有相似的能级结构，最强的荧光谱线都在1064nm 处，都具有较长的荧光寿命。
其物理参数，如折射率很接近，热导率κs ,c =(10.5±0.5)W/(m ・K ),κc =(10.7±0.5)W/(m ・K )也是很接近。而且Nd ∶Y A G 陶瓷相对单晶Nd ∶Y A G 有下列优点:(1)容易制造。用提拉法制备单晶需要几周，但是制备陶瓷只需要几天的时间。而且陶瓷的烧结温度通常都大大低于它的熔融温度;(2)费用低。单晶需要在昂贵的铱坩锅里生长，而陶瓷棒不需要坩锅，而且速度更快。一般单晶的费用随着它的尺寸的增加而成倍的增加，而陶瓷则不然;(3)尺寸大。单晶的生长方式限制了晶体的尺寸，因而也就限制了潜在的输出功率。现在最大
(下转第502页)
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(上接第490页)
的单晶尺寸为23cm长，但是制得的多晶陶瓷的长度已达到单晶的2倍;(4)多功能性。陶瓷的制造能够和调Q以及喇曼相结合，但是单晶就不可能做到这一点;(5)大批量生产。陶瓷激光棒适合流水线作业，减少了时间和费用，但是单晶却不然。
正是由于多晶Nd∶
Y A G陶瓷弥补了单晶Nd∶
Y A G 的很多不足，因此,Nd∶Y A G多晶透明陶瓷作为激光增益介质具有极大的潜力。
感谢上海光机所光子晶体实验室宋秀东老师在吸收光谱测量上给予的帮助，感谢玻璃室李顺光在荧光光谱和荧光寿命测试方面给予的帮助。
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