掺钕钒酸钇晶体的光物理学特性及应用

常志扬

摘 要 近几年，随着科学技术的不断发展，人们对稀土离子激光新材料和半导体激光器的研究更加深入，同时，也更加注重研究紧凑全固化稀土离子激光器，这些都促进了固体激光和上转换激光器的发展和进步。钒酸钇晶体的物理特性和机械性都相对较好，属于比较热门和新型的激光晶体，与之相比，掺钕钒酸钇晶体的优越性更加突出，是一种非常优质的激光晶体，且应用前景非常广泛。本文就主要探讨了掺钕钒酸钇晶体的光物理学特性和具体应用，以供参考。

关键词 掺钕钒酸钇晶体；光物理学特性；应用

中图分类号 O4 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）17-0006-01

20世纪中叶，光物理领域的研究核心逐步转移到激光方面，且不断涌现新效应和新现象，光物理成为近代物理学的重要学科之一，同时也逐渐成为许多重要学科的理论基础，如高技术光电子产业等，而其中最为前沿的就是对上转换发光的研究。

1 频率上转换技术的概述和发展

所谓频率上转换，就是指与泵浦光的光子频率相比，发射光的光子频率更大的现象，主要是利用上转换材料将光子由低能量转变为高能量，并辐射出材料的过程。早在20世纪40年代，人们就发现了频率上转换，50年代开始研究稀土离子上转换，待到60年代，研究者通过进一步研究频率上转换，来不断提高红外探测器的灵敏度，以满足军事上的夜用等需要。70年代第一次出现了上转换激光，但是其不但需要低温条件，总体效率也相对较低，所以重视程度并不高。80年代，物理学家通过运用稀土离子上转换效应，将蓝、绿、红的全部可见光波长范围加以覆盖，输出的上转换激光不但输出效率非常高，而且室温运转具备连续性。进入21世纪以来，激光材料和激光技术飞速发展，这也带动了信息处理、水下通讯、表面处理、视频显示以及数据储存等各种技术的发展和进步，对可见光波长激光光源的需求也更加追求高性能、低成本和高效率，由于频率上转换技术的优势就在于稳定、紧凑、低价、高效以及全固态激光器，所以一跃成为激光技术发展的研究重点。

频率上转换材料直接决定了频率上转换的效率和实现，而目前最常用的频率上转换材料就是发光中心为稀土离子的掺杂化合物。

2 掺钕钒酸钇晶体的概述及优势

1962年，物理学家范第一次运用降温法在偏钒酸钠熔体中提取出掺钕钒酸钇晶体，1964年，铂尔曼等人正式取得该方法的专利，但这种方法的缺点在于生长的晶体都非常小。1966年，范和鲁宾第一次运用CZ技术生长出相对较大的掺钕钒酸钇晶体，1年后戴斯等人也陆续发表了运用CZ技术生长掺钕钒酸钇晶体的期刊和论文。之后，陆续有人先后通过火焰熔融法、浮区生长法以及布里曼生长法成功生长出了掺钕钒酸钇晶体。但是20世纪末，由于严重的灯泵浦下晶体效应和较大的晶体生长难度，严重影响了掺钕钒酸釔晶体的发展，直到90年代，我国物理研究所利用高频感应加热，根据熔体提拉法对单晶生长进行了研究。

随着全球光通讯产业的发展和LD泵浦源的出现，对于钒酸钇的应用不但技术条件更加先进，而且市场前景更加广阔，掺钕钒酸钇晶体的生长方法也更加多样。进入21世纪以后，钒酸钇晶体是钒酸盐晶体中价值最高，研究最多的晶体，其形状为四方形，结构类似于皓英石，呈现D4h的晶体空间群，是一种优良性能的双折射单轴晶体，具有非常突出的透光性能，高度光学透明性的光谱范围可以达到40nm至5 000nm，可以用来作为偏振器、荧光剂和激光基质材料。

1988年，美国首次将钒酸钇晶体在光纤通讯领域应用，且在0.5nm～3nm的波长范围内代替方解石和金红石作为偏振器，钒酸钇晶体的化学稳定性、机械性以及激光损伤阈值都相对较高，且激光发射截面大、泵浦阈值低，属于热门的新型激光晶体材料。

掺杂稀土离子的钒酸钇晶体的应用性质也非常优良，浓度不同的稀土离子掺入的钒酸钇晶体，不但阈值较低，而且非常高效。目前而言，基质为掺钕钒酸钇晶体的激光晶体中，掺钕钒酸钇晶体是研究最多的晶体，这种晶体不但具备较大的激光发射截面，而且泵浦阈值较低，能够连续运转1.06nm和1.34nm的激光。

3 掺钕钒酸钇晶体的研究和应用

20世纪60年代，红宝石激光器正式出现，这也在一定程度上推动了固体激光器的发展，但是早期的固体激光器主要使用了闪光灯泵浦，所以热效应和效率都相对较低，很大程度上限制了固体激光器的应用和研究。直到80年代末，随着激光二极管性能的不断完善，才推动了二极管泵浦固体激光器的产生和发展，这种固体激光器的优势表现为寿命较长、稳定性高以及效率较高，进一步复兴和推动了固体激光器的发展。

国内外很多学者都针对掺钕钒酸钇晶体进行了研究，例如，P.K等人通过研究发现，掺钕钒酸钇晶体进行被动调Q绿光激光器时，绿光输出的平均功率高于36瓦，调Q脉冲的脉宽是65纳秒，重复频率为400兆赫，最大峰值功率是2kW。

近几年，在激光器件领域，已经开始流行在研制高效率的小型固体激光器件时将激光二极管作为泵浦源，适合激光二极管泵浦的激光晶体非常多，其中最适合用于激光二极管泵浦中小功率激光器的工作材料就是掺钕钒酸钇晶体，这种晶体不但吸收系数和发射截面较大，而且吸收带相对较宽。同时，随着技术的不断发展，已经可以尽量将激光晶体由于吸收抽运而产生的晶体热透镜效应消除，进一步推动了掺钕钒酸钇晶体应用于越来越多的大功率全固态激光器。基于激光二极管泵浦的掺钕钒酸钇晶体全固态激光器的应用潜力非常广阔，国内外都加强了对该晶体的研究，不断提高其输出功率和整体效率。

随着上转换材料和半导体激光的进一步发展，对于频率上转换的研究也更加深入，同时在激光器紧凑全固化的发展过程中，上转换激光器是重要发展方向，也是潜力巨大的紧凑绿激光器和蓝激光器的重要方案，同时在很大程度上避免了半导体激光器发展为短波长方向，更是推动了信息技术、光盘技术、彩色打印技术以及彩色显示技术等新兴技术的发展。大量研究表明，掺钕钒酸钇晶体不但振子强度非常高，而且具备多生子无辐射领域中专有的上转换发光性能，同时掺钕钒酸钇晶体的斜率效率非常高，与掺钕钇铝石榴石相比，掺钕钒酸钇晶体的所需阈值功率仅是其一半，而在1.06mm位置的受激截面积是其4倍左右，在1.44mm位置的激光截面是其18倍左右，由此可见，掺钕钒酸钇晶体作为激光晶体的话具备非常明显的优势和特点，这也为其进一步研究和应用提供了基础。

4 结论

综上所述，掺钕钒酸钇晶体属于非常优质的激光晶体之一，其优越性不可替代，无论在频率上转换激光方面，还是在二极管激光泵浦倍频方面，应用价值都非常突出，同时，随着绿激光器和蓝激光器的飞速发展，掺钕钒酸钇晶体已经可以在激光通讯、彩色打印、光盘技术、激光印刷以及激光测距等诸多领域加以应用，无论发展潜力和应用前景都非常广泛。

参考文献

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