什么是钕玻璃激光器（Nd:Glass Lasers）？
发布时间：2023-02-10 11:02:13 阅读数： 2009
钕玻璃激光器是一种四级固体激光器。钕玻璃激光器的输出波长为1.062微米（用于硅酸盐玻璃）和1.054微米（用于磷酸盐玻璃），位于光谱的近红外区域，发射的能量为几千焦耳。钕玻璃激光器与Nd:YAG激光器在结构和发光作用上相似。钕（Nd3+）离子是Nd:玻璃激光器的激光介质中的掺杂物。这些离子与玻璃宿主材料如硅酸盐和磷酸盐离子进行掺杂。玻璃棒的优点是，它们可以比YAG晶体经济地生长到更大的尺寸。玻璃宿主材料的光学质量和掺杂均匀性都很好，但光学畸变较高。钕玻璃激光器是使用氪或氙闪光灯、激光二极管等进行光学泵浦的。利用锁模现象，这些激光器可以实现窄线宽的超短脉冲。
钕玻璃激光器的工作原理
图1：钕玻璃激光器的构造
钕玻璃激光器使用掺钕的硅酸盐或磷酸盐玻璃作为活性介质?；钚越橹时槐４嬖谝桓鲂痴?a class="link-system" href="/encyclopedia/7025306920576462848.html" title="腔" target="_blank">腔中，该谐振腔两端有两个镜子。其中一面镜子是高反射的，另一面是部分反射的，它被用来耦合激光器外的光。一个闪光灯或任何其他光源被用来泵送活性介质。为闪光灯的工作提供一个电源。当抽水时，活性介质内部发生了种群反转，并发生了发光。获得的输出波长取决于所使用的玻璃材料。对于硅酸盐玻璃，其发射波长为1.062微米，对于磷酸盐玻璃，其发射波长为1.054微米。图1显示了一个钕玻璃激光器的示意图。
钕玻璃激光器的能级图
图2：钕玻璃激光器的能级图
在光学泵浦时，分子或离子吸收光子并从基态被激发到E3的上层吸收水平。这个层次的寿命非常短，因此从能级E3到能级E2发生非辐射衰变，这是一个可转移的状态。能级E2有很长的寿命，因此，离子在这个级别上得到积累。 在E2和E1之间实现了种群反转，这导致了刺激性发射，从而在1.062微米或1.054微米处产生了激光转换。然后，自发发射从能量级E1发生到基态E0。
钕玻璃激光器的参数
| Laser Wavelength | 1.054 - 1.062 μm |
| Laser transition Probability | 2.9 to 3.4 x 103/s |
| Upper Laser Level Lifetime | 290 - 340 μs |
| Stimulated Emission Cross Section | 2.9 to 4.3 x 10-24 m2 |
| Spontaneous Emission Linewidth and Gain Bandwidth, FWHM | 7.5 x 1011/s |
| Inversion Density | 8 x 1023/m3 |
| Small Signal Gain Coefficient | 3/m |
| Laser Gain Medium Length | 0.1 m |
| Single Pass Gain | 1.3 |
| Doping Density | 4.6 x 1026/m3 |
| Index of Refraction of Gain Medium | 1.50 - 1.57 |
| Operating Temperature | 300 K |
| Thermal Conductivity of Laser Rod | ~1 W/m-K |
| Thermal Expansion Coefficient of Laser Rod | 8.5 to 14 x 10-6/K |
| Pumping Method | Optical (Flash lamp or Laser) |
| Pumping Bands | 300 - 900 nm |
| Output Power | Up to 10 kJ/pulse in large amplifiers |
| Mode | Single-mode or multi-mode |
钕玻璃激光器的优点
线宽较大
发光阈值更高
适用于高能量脉冲操作
物理参数灵活
钕玻璃激光器的劣势
热导率较低
尺寸较大
钕玻璃激光器的应用
钕玻璃激光器被用于需要低脉冲重复率和高脉冲能量（每个脉冲高达100焦耳）的应用。脉冲操作的钕玻璃激光器被利用于穿孔和深钥匙孔焊接应用等。1060纳米的掺钕磷酸盐玻璃激光器可用于激光钻孔和激光焊接，以及其他重要的材料加工应用。在激光焊接中，热冲击和变形都非常小，由于钕玻璃具有良好的光学均匀性，所以光学加工更容易。
这些激光器被用于激光诱导核聚变。在激光核聚变装置中，通常，钕玻璃激光器的频率是三倍于351纳米。Nd:玻璃激光器中具有高能量的短脉冲可以将物质加热到热核温度，从而在小型可控爆炸中产生能量。劳伦斯-利弗莫尔国家实验室（LLNL）的NOVA 10束Nd:玻璃激光器能够在目标上提供150千焦耳，脉冲宽度约为1纳秒。
它们还被用于测距仪、光通信等应用。
