什么是激光增益晶体？
激光增益晶体是固态激光器的组成部分，使得可以通过受激发射实现光放大——这个过程构成了激光操作的依据。这些增益介质由掺有稀土离子或过渡金属离子的主晶或玻璃基复合材料组成。晶体与离子的确切组合决定了其可支持的具体激光输出特性。
激光增益晶体是固态激光器的核心，提供用于实现光生成和光放大的介质。增益晶体由两个关键部分组成。第一个关键组成部分是基质材料——通常是晶体，有时是玻璃。第二个关键组成部分是掺杂质离子——必定是稀土元素或过渡金属元素。
增益晶体必须至少执行激光操作所需的其中两项基本功能。首先，增益晶体必须吸收泵浦能量。其次，增益晶体必须能够保持粒子数反转，以支持受激发射。在某些情况下，增益晶体还必须作为谐振腔的一部分。
所有固态增益晶体都是电绝缘体，因此它们只能使用光泵浦方法。掺杂剂吸收这种泵浦光能量，并因此受到激发，提升到更高能级。这些激发离子恢复为基态后会发射光子，这个过程称为受激发射。这个过程在激光腔内增强，从而产生高意激光。激光的具体特性（包括波长和能量转换效率）取决于所选的掺杂剂和主晶。
晶体特性
有多个因素会影响特定激光类型或应用的主晶选择。这些因素包括材料的光学透明度、导热性、机械强度和化学稳定性，所有这些因素对于实现高效激光操作都至关重要。
理想的主晶应具有很大的透明度范围，以便能够高效地传输激光波长，将可能导致不必要加热的本征吸收减到最少。高导热性是另一个关键特性，使得主晶能够有效地消散在激光泵浦和操作过程中产生的热量，保持稳定的激光性能，并防止热透镜效应或损坏。
此外，机械强度和化学稳定性对于确保激光系统坚固耐用至关重要，尤其是在恶劣的环境条件下或高功率应用中。主晶应耐受热冲击，还应不容易因为受到外部化学剂的影响而劣化或受损。
此外，基质材料的晶格必须与掺杂质离子相容，以使这些离子在晶体结构内均匀分布，且不会造成明显的晶格变形。这种相容性对于实现高效的掺杂剂激发和能量传递过程至关重要，而这些过程又是受激发射和激光作用的基础。下图总结了常用激光晶体和掺杂剂的相容性。
基质材料 |
掺杂剂 |
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稀土元素 |
过渡金属 |
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钕 |
镱 |
铒 |
铥 |
铬 |
钛 |
YAG (Y₃Al₅O₁₂) |
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YVO₄ |
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玻璃 |
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YLF (LiYF₄) |
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蓝宝石 (Al₂O₃) |
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硫属化物 |
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氟化物 |
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常用晶体
目前使用的激光晶体种类相当多。这些年来，各种晶体轮番上阵成为应用的热门之选，但有几种晶体一直雄霸市场，被用于大部分固态激光应用。
钇铝石榴石 (YAG) 系列晶体包括一些广泛使用的工业和医用激光增益晶体（尤其是 Nd:YAG）。YAG 支持各种掺杂剂，例如钕 (Nd)、镱 (Yb)、铒 (Er)、铥 (Tm) 和铬 (Cr)。
这些掺杂剂赋予了 YAG 晶体特定特性，例如高效。YAG 还具有出色的导热性、机械耐久性和很大的透明度范围。此外，YAG 与无源 Q 开关配合使用时可产生高峰值功率脉冲。这些特性使 YAG 成为许多医疗、工业和科学应用的理想基质材料。
钒酸盐系列晶体（尤其是 Nd:YVO₄）因高增益和出色的泵浦光吸收率这两大特性脱颖而出，非常高效，尤其是用于半导体泵浦激光系统时。这种高效率还可确保即使在功率水平较低的情况下，激光也能够产生足以进行精确、干净切割或打标的高质量光束。高吸收率使得可以采用更短的晶体和更紧凑的激光器设计。
但是，与 YAG 系列晶体等其他激光增益晶体相比，钒酸盐晶体的导热性较低。这使这种晶体更容易出现透镜效应和双折射等热效应，从而可能会限制其在高功率应用中的性能。这一特性迫使需要进行严格的热管理，以保持最佳的激光性能。
Nd:YVO₄ 在晶锭中生长，用于切割和抛光各个激光器组件。
因此，对于需要使用紧凑型激光系统来获得高光束质量和效率的应用，钒酸盐系列晶体依然是热门之选。但是，对于更需要注重热管理的高功率或高能量应用，这种晶体可能并非首选。
蓝宝石（尤其是掺钛蓝宝石）因调谐范围大而成为一种脱颖而出的激光技术，其调谐范围约为 650 nm 至 1100 nm。这种宽增益带宽还使掺钛蓝宝石激光器能够产生低至飞秒级的极短脉冲。由于具有这些特性，掺钛蓝宝石是严苛的高性能超快激光器和放大器（例如 Coherent 高意的 Vitara 和 Astrella）的首选。
尽管具有这些优势，掺钛蓝宝石激光器仍有一定的局限性。尤其是，这种激光器需要高功率泵浦光源（例如固态绿光激光）才能实现高效操作。这一要求可能会增加激光系统的成本和复杂性。
玻璃的原子排列呈无序的非晶质状态。相比之下，晶体具有高度有序、遍及整个材料的重复原子结构。因此，作为激光增益介质，玻璃具有许多独特的特性，尤其是掺有钕、铒或镱等稀土元素的玻璃。
玻璃基质材料的一大优势是具有宽发射光谱，可支持较大的调谐范围和产生超短激光脉冲。这一特性尤其有利于需要灵活波长输出或短脉冲持续时间的应用，例如医疗器械、电信和基础研究。此外，玻璃材料可以制成较大尺寸和各种形状，为激光器设计提供多功能性。例如，非常大的掺钕玻璃板条用于高能激光系统中，例如，激光聚变实验所用的激光系统。
但是，与 YAG 等晶体材料相比，玻璃基质材料的导热性较低。这使玻璃更容易出现热效应，从而可能会限制其功率缩放能力。由于热性能较低，当用于高功率应用时，就需要严格管理热量和散热情况。此外，与晶体基质材料相比，玻璃的每单位长度增益较低，因此通常需要较长的增益介质，而这可能会增加激光系统的复杂性和尺寸。
掺杂剂选择
稀土离子和过渡金属离子具有独特的电子结构，可提供多种对激光操作有利的光学特性，因此是激光增益介质最常用的掺杂剂。
稀土离子具有明确的峰值能级，因为它们的价电子位于 4f 原子轨道，这些轨道被外层 5s 和 5p 电子屏蔽。这种屏蔽最大限度减少了与基质材料的相互作用，从而将能级展宽的可能性降到最低，并实现对激光发射波长的精确控制。这还减少了非辐射衰减过程，带来更高的量子效率（吸收的泵浦能量转换为激光）。这些离子的电子跃迁受基质材料或温度变化的影响较小，因此，基于这些掺杂剂的激光器在各种条件下都具有稳定性和可靠性。
相比之下，过渡金属离子的价电子位于 3d 轨道，外部 4s 电子壳层对这个轨道的屏蔽力度并不高。这意味着这些离子的能级更容易受基质材料的影响，导致更宽的吸收带和发射带。更宽的吸收带和发射带可能是有利的，因为这样会使过渡金属离子与各种激光泵浦方案兼容，从而提高激光器设计的多功能性。这样还可以提供更宽的增益带宽，实现更大波长范围内的可调谐激光操作。
稀土离子（尤其是铒和铥）往往穿过中红外区域发出近红外光。过渡金属离子能够在从可见光谱到近红外光谱的范围内实现激光操作。钛以非常宽的调谐范围而著称——可支持从可见光谱到近红外光谱的范围。
镱这种稀土离子由于多个原因脱颖而出，因此，许多常用的激光增益晶体都是掺镱系列晶体。镱离子广受欢迎的其中一个原因是，其具有相对简单的能级结构。具体来说，Yb³⁺ 离子在 4f 壳层只有一个电子。这能够实现高效的吸收和发射过程。这种简单性有助于提高功率效率并最大限度降低损耗。
切割和抛光之前的掺镱材料晶锭。
此外，掺镱材料具有较宽的吸收带宽，带来了更大的泵浦光源选择灵活性，并使得能够产生超短脉冲。例如，可使用容易获得且价格便宜的半导体激光器在 980 nm 左右的波长处有效地对掺镱晶体进行泵浦。这进一步提高了效率并降低运营成本。
培养激光增益晶体
生产激光增益晶体需要使用精细的培养和掺杂技术，以确保掺杂质离子在主晶中精确分布，并实现所需的光学和物理特性。虽然所有激光增益晶体制造商都使用本质上类似的生产方法，但每家制造商的专有知识、质量控制程序、工艺控制仪器和计量工具存在明显差异。这最终导致各家制造商在质量方面千差万别，突显了这样一个事实：并非所有激光增益晶体都是一样的。
一种常用的晶体培养方法是柴可拉斯基法。这种方法需要在坩埚中一起熔化基质材料和掺杂剂，然后从熔体中慢慢拉出种晶，以便种晶上生长出新晶体。这种方法可以严格控制晶体的成分和结构。Nd:YAG 和 Er:YAG 这两种晶体通常是用柴可拉斯基法生产的。
布里奇曼-史托巴格法是另一种广泛使用的晶体培养技术。这种方法尤其适用于生产单晶材料，而且缺陷率极低。这其中的主要原因是，布里奇曼-史托巴格法可在晶体生长过程中最大限度降低热梯度（熔融区与凝固前沿之间的温差）。
布里奇曼-史托巴格法的第一步是，将原材料（基质材料和掺杂剂）放入到密封的坩埚中。然后，慢慢降低坩埚，使其移经温度梯度受到严格控制的熔炉——通常是熔炉的顶部是温度较高区域，底部是温度较低区域。
在坩埚从温度较高区域移到温度较低区域的过程中，坩埚中的材料在位于熔炉的上部（温度较高）区域时开始熔化。随着坩埚继续下降到温度较低区域，熔融材料开始从底部或在放置在熔体底部的种晶周围凝固。这种定向凝固有助于形成单晶，因为晶体沿着从高温到低温的热梯度生长。布里奇曼-史托巴格法通常用于生产具有高熔点的晶体材料，用于晶体生长需要特定方向的情况，或用于生产难以通过柴可拉斯基法来实现的大型晶锭。
详细了解 Coherent 高意晶体。