Nd:YAG激光晶体之前世今生

激光晶体是可以通过电泵浦或者光泵浦实现激光输出的功能晶体材料，是全固态激光器的核心。

激光晶体通常由激光基质晶体和激活离子组成。通常，激活离子包括稀土离子、过渡金属离子和色心等。自1960年在红宝石(Cr:Al2O3)晶体中实现激光输出以来，人们发现并发展了约350种基质材料和超过20种激活离子，实现了超过70个波长的有效激光输出。

按照基质材料来分，激光晶体大体可分为三类：氧化物晶体(如Al2O3、Y3Al5O12、YAlO3、Y2O3、Sc2O3)、氟化物晶体(如CaF2、BaF2、SrF2、LaF3、MgF2、LiYF4、LiCAF、LiSAF)和金属含氧盐晶体(如Ca5(PO4)3F、Y2SiO5、YVO4、YAl3(BO3)4、CaWO4)等。

目前应用最广泛的激光晶体是Nd:YAG、Nd:YVO4和Ti:Al2O3，这三类晶体被称为三大基础激光晶体。其中，Nd:YAG主要用于中、大功率激光中；Nd:YVO4在低功率、高效激光中占主要地位；钛宝石应用于宽调谐和超快脉冲激光领域。近年来，针对特定需求或性能提升，人们还开发了许多新型激光晶体，满足了不断增长的全固态激光器和相关高技术行业的需求。

石榴石是一种天然矿物，是研究最早的晶体材料之一。从结构上说，石榴石晶体属于立方晶系，通式为A3B2C3O12，其中，A为Y、Gd、Lu、La等原子，占十二面体格位；B为Sc、Al、Ga、Fe等原子，占八面体格位；C是Al、Ga、Fe等原子，占四面体格位；其中钇铝石榴石(YAG)、钇镓石榴石(YGG)和钆镓石榴石(GGG)是石榴石激光晶体的代表，而钇铝石榴石是应用最广泛的激光晶体。

Nd:YAG激光晶体之前世今生

钇铝石榴石晶体的Y—O键长为0.245nm，在该晶体中，Y3+和其他稀土离子具有相似的半径，位于十二面体上的Y3+可以被Nd3+、Er3+、Tm3+、Ho3+和Yb3+等激光激活离子(三价稀土阳离子)替代，成为激光晶体。同时，八面体格位上的离子也可以被三价金属敏化离子(如Cr3+、V3+、Mn3+和Fe3+等)取代。目前，Nd3+:YAG、(Nd3+,Ce3+):YAG、(Nd3+,Ce3+):Tb3+:YAG和(Nd3+,Ce3+):Cr3+:YAG已经商品化，并得到广泛应用。通常来说，石榴石结构晶体具有优良的热机械性能和激光特性，适合高功率激光的应用。

但钕掺杂晶体掺杂浓度较低且吸收峰较窄，在激光二极管泵浦激光应用中具有一定局限性。表1列出了钇铝石榴石晶体的物理、化学和热特性。

Geusic等于1964年首次报道了Nd:YAG晶体的激光输出，此后，该系列晶体及其激光器吸引了广泛的研究兴趣，推动了该系列晶体的研究和应用，目前，千瓦级Nd:YAG激光器已经商品化并在工业加工应用中展现了优势。最近十年来，随着高功率热容量激光器的研究，Nd:YAG又一次成为研究焦点。Nd:YAG晶体与高功率热容量激光晶体掺钕钆镓石榴石(Nd:GGG)晶体相比，其理论激光输出要高出三分之一，而热透镜效应仅是Nd:GGG晶体的一半。

大口径、高性能Nd:YAG晶体是高平均功率固态激光器的关键材料，并且在工业、科研和军事领域展现出许多独特用途和良好的应用前景。在军事方面，大功率激光技术的发展带来了军用武器的革命，输出功率为100kW的大功率固态激光器已经开始得到实用。Nd:YAG晶体的研究和生产主要集中在美国和中国。在美国，II-VI公司和Northrop Grumman Synoptic公司专注于Nd:YAG激光晶体的制备，其晶体质量和加工水平处于世界领先地位；具体来说，新型凸界面生长技术已经用于晶体生长，晶体直径已经达到150mm，光学均匀性已达到每英寸0.1λ(波长为250~300nm)，并实现了掺杂浓度小于10%不同组分掺杂。
除掺钕晶体外，掺镱钇铝石榴石(Yb:YAG)由于具有高量子效率，在高效大功率激光领域展现出了优势，被认为是研制大功率激光器的一种重要途径。
自20世纪90年代早期以来，多家国际知名研究机构已开展关于Yb:YAG晶体及其激光应用和器件的研究。1991年，美国麻省理工学院(MIT)林肯实验室在室温下以铟镓砷激光二极管作为泵浦源成功研制出第一台Yb:YAG激光器，其输出功率为12mW；2004年，美国休斯研究实验室以Yb:YAG盘片方式，实现激光输出功率达4.4kW，并在最近实现了功率超过5kW的激光输出；2004年，德国通快(Trump)公司也实现了4kW的Yb:YAG盘片激光器，并表明，单盘可实现功率超过10kW的激光输出。2013年，新加坡国家实验室实现了1.1kW近衍射极限单片Yb:YAG激光器，这是目前单片激光器的最高输出功率。在中国，清华大学也实现了功率为1kW的Yb:YAG激光输出。锁模激光方面，国际最短Yb:YAG锁模激光的脉冲宽度为136fs，其输出功率为3W。2014年，马克斯·普朗克量子光学研究所(Max-Planck Institute of Quantum Optics)实现了自锁模Yb:YAG晶体270W锁模激光输出，其峰值功率为28MW，这是迄今为止自锁模激光中实现的最高峰值功率。