激光玻璃

用玻璃作為激光工作物質的特點是：可以廣泛改變化學組成和製造工藝以獲得許多重要的性質，如熒光性、高度熱穩定性、熱膨脹係數小、負的温度折射係數、高度的光學均勻性，以及容易得到各種尺寸和形狀、價格低廉等。

激光玻璃由基質玻璃和激活離子構成。激光玻璃的各種物理化學性質主要取決於基質玻璃，而它的光譜特性主要由激活離子決定，但它們之間也存在相互聯繫和影響。在新型激光玻璃的研究開發中，兩者之間的相互關係非常重要，直到20世紀80年代中期，基質玻璃體系主要是硅酸鹽、磷酸鹽和氟磷酸鹽，近年來氟化物激光玻璃的研究十分活躍，是一類優異的激光基質材料，氟化物玻璃的聲子能量較低，因此無輻射、躍遷很小，這一特性在上轉換激光的開發中尤為有利，激光玻璃的激活離子主要是稀土離子。 ^[1] 

(1)激活離子的發光機構必須有亞穩態，形成三能級或四能級結構，並要求業穩態有較長壽命，使粒子數易於積累達到粒子數反轉。

(2)激光玻璃必須有合適的光譜性質，吸收光譜要與光泵的輻射光譜儘可能重疊，以提高激活能量；熒光光譜要求譜帶少面窄，熒光的量子效率高。

(3)基質玻璃要有良好的透明度，對激光波長的吸收應儘可能小，所以要求在激光波長附近產生吸收的雜質的含量應儘可能少。

(4)必須有良好的均勻性，良好的化學穩定性，失透性小，有一定的機機強變和良好的光照穩定性。

(5)必須有良好的熱光穩定性，熱光係數要儘可能小。 ^[1] 

在激光玻璃中，最重要的是釹玻璃。Nd³⁺幾乎能在所有的無機玻璃中產生熒光，於許多玻璃系統中都能產生受激發射。但具有實用意義的玻璃基質卻只有以下三種玻璃系統。

1)硅酸鹽系統玻璃。硅酸鹽系統玻璃是使用範圍最廣的激光玻璃。硅酸鹽系統釹玻璃具有熒光壽命長、量子效率高、物化性能好（失透傾向小、化學穩定性好、機械強度高）、生產工藝較簡單且成熟等特點，一般用於高能和高功率輸出激光器。

2)硼酸鹽及硼硅鹽系統玻璃。含硼玻璃的熒光壽命較短、量子效率較低，但Nd³⁺在其中的吸收係數較高，熱膨脹係數較低。因脈衝振盪的閾值能量與熒光壽命成正比，硼玻璃雖熒光壽命短而吸收係數高，可得到較低的閾值能量，適合於高重複率脈衝工作的激光器。

3)磷酸鹽系統玻璃。磷酸鹽系統玻璃的熒光壽命較短，熒光譜線窄，Nd³⁺在其中的近紅外吸收較強，有利於光泵能量的充分利用。由於在製造工藝上的困難，如其對耐火材料坩堝的侵蝕嚴重、光學均勻性差等，限制了它的廣泛應用。然而，通過調整玻璃的成分可獲得熱光係數很小的磷鹽玻璃，因此近來頗受關注，已用於重複頻率器件上。

激光玻璃和激光晶體都是固體的激光工作物質。二者不同點是：玻璃材料中的激活離子處於無序結構的固體玻璃基質中，而激光晶體材料中的激活離子處於有序結構固體晶體基質中。雖然大部分在玻璃中能產生激光的激活離子，在晶體中都能產生激光，而且熒光機構也是相同的。但是，基質不同，激活離子的行為略有差異：在玻璃中主要取決於玻璃介質的極化作用，而晶體基質的影響主要取決於晶格場的作用，表現出的光譜特性也有所不同。同時，基質本身的物理、化學性質不同，使它們能適用於不同的應用目的。 ^[2]