激光材料(Iaser material)  

藉外来能源激励实现粒子数反转，达到高能级粒子数大于低能级粒子数的状态，从而产生受激辐射放大的材料。这种一般由基质和激活离子形成的材料即所谓工作物质与激发源和共振腔共同构成能产生高强度相干辐射的新型光源——激光器。

此外，利用半导体p—n结区附近大量非平衡载流子在正偏压下的注入，也能产生粒子数反转，实现激光振荡，从而形成半导体激光材料。

简史    激光材料是伴随激光技术的发展而发展起来的。激光材料的出现为若干有色金属特别是稀有金属的应用开辟了崭新的途径。

激光材料的发展最早可追溯到1960年。当时美国的T．H．梅曼(T．H Maiman)利用掺铬红宝石制成了世界第一台固体激光器。随后于1961年又出现了氦一氖气体激光器，1962年有人采用砷化镓晶片作工作物质发明了半导体激光器。到60年代末对这些激光器的可靠性、耐用性进行了改进，激光器和相应的激光材料才进入科研与工业领域。以后，随着激光技术的发展，出现了数百种能实现光放大或激光振荡的工作物质，其中尤以固体激光材料和半导体激光材料发展最快，现在已有290种利用稀土元素作激活离子的固体激光材料。

分类    以基质为基础并参照激光器的类别，可将激光材料分为如下数类：

性质及质量要求   在激光材料中以固体激光材料最引人注目。由于激光辐射具有高度的准直性、单色性和相干性，因此，对固体激光器最常用的激光晶体而言，晶体质量、晶体抗光学损伤、抗热冲击及机械损伤的能力、激活离子的半径、价态、掺入量等因素至关重要。为获得优异的光学性质，在生长激光晶体时，要求所用氧化物的纯度为5～6个“9”，总杂质含量<10^-5，晶体必须无应变和夹杂，折射指数无变化，辐照后不产生色心且易于制造色心。

制备方法   主要有焰熔法、直拉法和热交换法。

(1)焰熔法。亦称维尔纳叶法，该法利用氢和氧燃烧产生的高温使料粉通过火焰撇下熔融，熔滴落在籽晶上，使籽晶杆下降进入炉子的较冷部分随即结晶。这种方法设备较简单、不使用坩埚，适于生长熔点大于1800℃(可达2500℃)的晶体，如红宝石、Y₂O₃等基质晶体，缺点是晶体内应力大、位错密度高及存在化学成分的不均匀性。

(2)直拉法。是生长大而完美单晶常用的方法，在通常充以保护气氛的单晶炉内将5个“9”以上相关金属氧化物原料放入坩埚中用高频感应加热熔化，用固定在拉杆上的籽晶与熔融氧化物相接，然后垂直向上提拉，晶体便在籽晶端不断生长。工业上最常用的掺钕钇铝石榴石(Nd³⁺：YAG)就是用该法生长的。YAG中Nd³⁺的掺入浓度约为2％。YAG具有高的热导率、易于散热，故可在高平均输出功率下工作，亦可在高脉冲重复率如n•10kHz下工作。目前用直拉法拉出的Nd³⁺：YAG已制成2～3kW的激光系统。除YAG外，用直拉法还能生长其他掺钕激光晶体(见表)。

80年代末出现的钆钪镓石榴石Gd₂Sc₂Ga₃O₁₂(GSGG)也是用直拉法生长的。这种同时掺入钕、铬的Nd³⁺：，Cr³⁺：GSGG以5个“9”的钆、钪、镓的氧化物(杂质允许含量：Ca为3×10^-4，K为10^-4)为原料，采用铱坩埚在含1％～3％氧的氮气氛中，通过感应加热，已直拉生长出直径100mm、长100mm的晶坨，其钕离子浓度为YAG的3倍。晶体尺寸大、质量高，适于制造高平均输出的千瓦级板条激光器。

(3)热交换器法(HEM)。是一种将籽晶置于坩埚底部中心位置、熔料装到籽晶上方，坩埚位于热交换器上部．石墨电阻炉生长激光晶体的方法，适于生长红宝石(Cr³⁺：Al₂0₃)、蓝宝石(Ti³⁺：Al₂0₃)、Nd³⁺：YAG和Co²⁺：MgF₂等，能获得大尺寸优质晶体，如直径320mm、重50kg的蓝宝石晶体。

展望   从金属应用的角度看，使用钕的钕玻璃和使用镓、铟的半导体激光材料亦不容忽视，它们和激光晶体一起，已形成一个引人注目的稀有金属应用领域。

钕玻璃是掺钕硅酸盐、磷酸盐和硼酸盐玻璃的统称，掺钕量可高达6％，易于制备均匀性好、体积大的光学级产品，所生产的钕玻璃激光器可抽运大量的能量，已用于多种激光辅助热核聚变试验系统。

目前使用较广的半导体激光材料体系，适用于短波长(0.7～1.0μm)的有(Ga，Al)As／GaAs，适用于长波长(1.10～1.6μm)的有(In，Ga)(As，P)／InP，等材料体系。半导体激光器主要用于光学器件、激光印刷机和光纤通讯三大领域。估计今后各类激光器的应用和激光产业的规模将不断扩大。在激光工业中军事应用虽仍占主导地位，但激光唱盘、激光印刷、光通信等应用正在使激光产品向民用方向发展。

为提高平均输出功率及使激光系统实现结构紧凑或全固态化，正在研制和开发多种高稀土浓度激光晶体及可调谐激光晶体，如Nd³⁺：LMAO(Nd_XLa_1-XMgAl₁₁O₁₉)、掺铬金绿宝石(Cr³⁺：BeAl₂O₄)、氟化锂钇(YLF，YLiF₄)等性能更好的材料。预料随着器件结构上取得进展，固体激光器在许多应用中将取代CO₂激光器。半导体激光材料主要向适用于长波长和高功率输出的方向发展。