1.1.3掺Er基质材料发展概况

稀土离子以其丰富的能级结构和谱线范围成为掺杂激活离子的首要选择。Er3+在4I11/2与4I13/2能级之间的受激跃迁可产生3μm的激光[2-3],由于激光上能级4I11/2 能级激发态离子通过基质声子迅速无辐射跃迁到达激光下能级4I13/2，激光下能级寿命长于激光上能级寿命，为实现连续运转，要求基质材料具有较低的声子能量以减小上能级离子的无辐射跃迁。另外3μm激光振荡的泵浦波长为976nm，量子亏损高达70%，所以要求基质材料具有较高的热导率。因此，选择一种合适的基质材料对于3μm固体激光器尤为重要。

如今，已接近上百种掺Er固体激光材料被报道[4-5]。其中发展较为成熟基质材料主要包括石榴石系列（YAG、YSGG、GSGG 等）、氟化物系列（YLF、BYF 等）以及倍半氧化物系列（Y2O3、Lu2O3 等）等。相对于氟化物而言，石榴石系列材料具有更高的热导率和机械性能，能够容忍更多的热量沉积和热应力，因此在高功率脉冲运转方面表现出明显优势。但是，石榴石系列材料普遍具有较大的声子能量，多声子无辐射弛豫对掺Er固体激光器的影响较大，严重限制了其3μm波段连续运转的激光性能。相比之下，氟化物材料具有较低的声子能量，在3μm连续运转方面表现优异。而倍半氧化物兼备两者优点，是一种优质的中红外激光材料。倍半氧化物是指化学式形如Re2O3一类稀土氧化物（Re=Y、Lu、Sc）“倍半”一词指Re2O3中氧和稀土的比率为1.5，“倍半”由此得名[6]。倍半氧化物具有较低的声子能量、较高的热导率、较大的发射截面成为中红外波段最具潜力的基质材料[7]，但是由于较高的单晶制备温度严重的限制了其应用，近年来发展起来的激光陶瓷技术降低了其制备温度且可制备大尺寸材料，材料利用率高，实现了倍半氧化物陶瓷激光器。

透明陶瓷通常定义为无机粉末经过烧结使之具有一定透明度的陶瓷材料。传统陶瓷不透明的原因是内部存在较大尺寸的晶粒、玻璃相、气孔等多组分异相结构及杂质，由于这些相区折射率不同，当光线通过时在微区界面上将发生频繁的反射、散射、折射、吸收等，特别是大量微气孔的存在，使反射、散射、折射现象更加严重，几乎没有光线能够按原有路径通过该陶瓷，故呈不透明状态。

1.2 LD泵浦掺Er固体激光器的热效应问题

高功率、高光束质量、高效率是激光器发展的主要方向，随着激光技术应用范围的扩大，高功率激光器成为军事领域的主要激光光源。增加泵浦功率和Er3+离子浓度掺杂可以提高激光器的输出功率，但由于激光器工作效率低，量子亏损热高，增益介质吸收了大量的泵浦功率后，产生更多的废热，与此同时要在外部对其进行冷却，使得增益介质内部产生了温度梯度，从而形成不均匀的温度分布。温度梯度又会导致晶体内部机械应力（热应力）、物理变形，最终会使光学元件断裂。

此外，由于增益介质温度分布的不均和热应力的存在会使折射率发生变化，激光在陶瓷中传输时，不同之处所经历的光程不同，加之，激光陶瓷端面会产生热膨胀，不同温度处的热膨胀程度不同，两者结合使得增益介质变为类透镜介质。即所谓的热透镜效应，同时热应力还会导致材料变为各向异性形成热致双折射，从而导致激光束畸变。由此可见，热效应的存在不仅限制了输出功率的提高，更加会损坏激光光束的质量。为了提高全固态激光器的输出功率，同时保证激光的光束质量，需要针对这两种热效应提出相应的控制措施。

1.3 本文主要研究内容和创新点 掺Er倍半氧化物透明陶瓷激光特性研究(3):http://www.youerw.com/huaxue/lunwen_53417.html