劉運連，狄聚青，朱 劉，王春泉，滕 飛

國家稀散金屬工程技術研究中心，廣東先導稀材股份有限公司，廣東 清遠 511517

自1960年激光首次實現(xiàn)輸出以來，激光技術已在軍事、醫(yī)療、科研和工業(yè)加工等領域中得到廣泛地應用[1]．激光增益介質作為激光器的關鍵元器件，又決定著激光器的發(fā)展方向和應用范圍．隨著超短超快、高功率、連續(xù)、多波長激光等的發(fā)展，對激光的性能也在良好的相干性、方向性和高亮度的基礎上提出更高的要求，因此需要積極探索新的激光增益介質，或研究具有不同結構、組成的全新材料，或對已有材料進行性能優(yōu)化改造．目前，對激光增益介質的研究很多集中于摻Nd3+晶體[2].含鎵石榴石體系晶體，不僅具有石榴石晶體的易結晶、良好的熱學和機械性能、物理化學性質穩(wěn)定、激光波長透過率高及適宜Nd3+摻雜的晶格等優(yōu)點[3-4]，而且在超短超快、高功率、連續(xù)、多波長等激光領域中有著其他石榴石類型晶體難以比擬的優(yōu)點．

1 常規(guī)含鎵石榴石晶體

常規(guī)含鎵石榴石晶體有Gd3Ga5O12(GGG)，Y3Ga5O12(YGG)和Lu3Ga5O12(LuGG)等．

1.1 GGG

Gd3Ga5O12(GGG)是目前研究最為廣泛的鎵酸鹽激光晶體．GGG晶體熔點1720 ℃，密度7.09 g/cm3．Nd∶GGG晶體作為一種重要的高功率增益介質，其優(yōu)點主要體現(xiàn)于：①該晶體生長相對容易，晶體生長速度可達5 mm/h，大大超過了Nd∶YVO4和Nd∶YAG等釹摻雜增益介質；②該晶體可實現(xiàn)無應力集中的較平界面生長，雜質少，容易制備大功率晶體應用的大尺寸板條；③Nd在釔鋁石榴石(YAG)晶體中的分凝系數(shù)為0.1～0.2，而在GGG晶體中Nd的分凝系數(shù)較高可達0.52，這有利于制備高濃度摻雜的激光晶體，從而提高泵浦功率；④相比于激光增益介質釹玻璃，Nd∶GGG晶體的機械強度更高、熱導率更大，能夠在較短時間內實現(xiàn)晶體的冷卻；⑤Nd和Gd在Nd∶GGG晶體中都以+3價態(tài)存在，Nd3+同態(tài)取代Gd3+，能有效避免Nd3+的激光上能級出現(xiàn)發(fā)光碎滅現(xiàn)象[5]；⑥Nd∶GGG晶體的激光效率比常用高功率激光增益介質釹玻璃高出一倍，可作為激光工作介質應用于功率達100 kW的短程戰(zhàn)略激光武器中[6-7]．

Nd∶GGG晶體最早于1964年由Linares R.C.首次提出，并作為激光增益介質進行了研究[8]．2002年，美國利弗莫爾實驗室研制出固體熱容激光器，其運用二極管泵浦Nd∶GGG板條晶體首次輸出激光，平均功率為2.7 kW，并在2004年達到了30 kW[9]．2010年我國也制備出直徑為190 mm的大尺寸激光武器用的Nd∶GGG晶體[10]．曾繁明等人[11]采用提拉法制備了Nd∶GGG晶體，測試結果表明：晶體的最強熒光發(fā)射峰和最強吸收峰分別位于波長1 062 nm和808 nm處；熒光發(fā)射由Nd3+的4F3/2—4I11/2譜項所致，其可適用于激光二極管泵浦，且光轉換效率為33.8%．Qin L.J.等人[12]利用半導體可飽和吸收鏡研究了Nd∶GGG晶體的被動鎖模性能，重復頻率為121.5 MHz，鎖模脈沖為17.5 ps，最大輸出頻率為0.4 W．Xu B.等人[13]研究了Nd∶GGG晶體的端面泵浦激光，獲得了1 054 nm和1 067 nm多波長激光．周景濤等人[14]采用168 W的LD側面泵浦，使Nd∶GGG晶體輸出1 110 nm單一波長連續(xù)激光，功率為25.5 W；Chen L. J.等人[3]獲得了1 105.6 nm和1 110.4 nm的雙波長激光，并利用差頻技術獲得了1.2 THz的輸出頻率，表明Nd∶GGG晶體在太赫茲方面有潛在應用．

1.2 YGG

Y3Ga5O12(YGG)晶體可以看做是用離子半徑更大的Ga3+取代YAG晶體中的Al3+，這種取代導致晶體的晶格間距擴大，有利于Nd3+的摻入．與YAG晶體類似，YGG晶體具有高的化學穩(wěn)定性、硬度、熱導率(9 W/mK)和光學均勻性，以及有適合稀土離子或者過渡金屬離子取代的格位[15]．由于Nd∶YGG晶體熔點較高且存在氧化鎵揮發(fā)的問題，目前僅有的報導為光學浮區(qū)法生長的Nd∶YGG單晶．

Nd∶YGG晶體的激光性能最早于1964年由Geusic J.E.等人研究[16]．與其他Nd摻雜激光晶體相比，Nd∶YGG的激光上能級4F3/2壽命長，量子效率接近于1[15]，而且在1.06 μm附近的多個波長具有相近的發(fā)射截面，是一種潛在的多波長激光增益介質[17]．Strohmaier等人[18]通過Nd∶YGG晶體在935 nm波長處的二極管泵浦發(fā)射，得到輸出功率為950 mW、效率為14%的激光，顯示了Nd3+在4F3/2和4I9/2能級之間的激光活性．L?hring J.等人[19]報道了在935 nm處使用二極管泵浦的Nd∶YGG激光器的調Q激光運行情況，其產(chǎn)出脈沖持續(xù)時間小于60 ns的4 mJ脈沖，重復頻率為100 Hz，光-光轉換效率為9%．Yu H.H.等人[17]研究了激光二極管泵浦的1%摻雜的Nd∶YGG的激光性能，獲得了斜率效率52.7%、最高輸出功率7.15 W的連續(xù)激光輸出，激光波長為1 062.1 nm，1 060.3 nm和1 058.9 nm，利用差頻技術可以獲得0.47 THz，0.37 THz和0.85 THz的太赫茲輸出．Li Y.L.等人[20]在808 nm處通過二極管泵浦，在Nd∶YGG晶體中發(fā)射1 110 nm的激光，匹配LBO晶體后產(chǎn)生555 nm的連續(xù)波激光，光-光轉換效率達到12.4%．同時，Li Y.L.等人[21]也通過二極管泵浦Nd∶YGG晶體產(chǎn)出1.33 μm的連續(xù)波激光，在18.5 W的入射功率下于1.33 μm處的連續(xù)波輸出功率高達3.09 W，相對于入射功率的斜率效率為21.3%．

1.3 LuGG

Lu3Ga5O12(LuGG)也同樣屬于石榴石晶體．Wu K.等人[22]研究了Nd∶LuGG的吸收和發(fā)射光譜，其中Nd3+濃度為1%，晶體生長方法采用光學浮區(qū)法．結果表明：Nd∶LuGG單晶具有與Nd∶YAG單晶相比擬的激光性能；在5.2 W二極管泵浦功率下，于1 062 nm處產(chǎn)出的最大輸出功率為855 mW的激光，斜率效率和光轉換效率分別為23.4%和16.4%．

2 含鎵石榴石混晶

含鎵石榴石混晶是將石榴石晶體中的一種或多種元素被其他元素取代而得到的晶體，可以看做是多種石榴石晶體的固溶體．目前，研究較多的含鎵石榴石混晶主要包括Gd3(Ga1-xAlx)5O12(GGAG)，Gd3Sc2Ga3O12(GSGG)，Gd3-xLaxGa5O12(LaGGG)，Gd3-xLuxGa5O12(LuGGG)，Lu3ScxGa5-xO12(LuSGG)，GdxY3-xSc2Ga3O12(GYSGG)等．

2.1 GGAG

GGAG晶體是用Al3+取代GGG晶體中部分Ga3+獲得的一種晶體，通過摻雜Al3+，可以改善GGG晶體生長過程中偏心生長和銥金損耗嚴重等缺陷，同時降低晶體的原料成本．另一方面，通過摻雜增強了晶體的靜態(tài)晶體場，有利于摻質晶體光譜的非均勻展寬，從而利于超快激光的產(chǎn)生[10]．

Zhang J.等人[23]報道了Nd∶GGAG晶體的生長和激光晶體性能，并獲得了最高功率2.44 W、斜效率為28.8%的連續(xù)激光輸出．Zhi Y.C.等人[24]利用Nd∶GGAG晶體獲得了最高功率為5.7 W、斜效率為54.5%的連續(xù)激光輸出，該晶體被動調Q激光最高功率為1.12 W，單脈沖能量為66.7 μJ，顯示了Nd∶GGAG晶體在高效率激光領域的應用前景．Agnesi A.等人[25]研究了Nd∶GGAG晶體的鎖模激光，其輸出功率為65 mW，脈寬為3.7 ps．Nd∶GGAG 晶體作為一種優(yōu)異的激光增益介質, 也可以在1.3 μm波段以鎖模的方式實現(xiàn)激光輸出[26]．

2.2 GSGG

Gd3Sc2Ga3O12(GSGG)晶體是Sc3+取代GGG晶體中的部分Ga3+得到的晶體．Nd∶GSGG晶體的優(yōu)越性：①與Nd∶GGG類似，高質量無核心的Nd∶GSGG晶體易生長，可以避免小面生長引起的雜質、應力等缺陷；②Nd3+離子在GSGG晶體中分凝系數(shù)為0.75，比YAG中的0.1～0.2高，這更容易獲得高泵浦效率激光，而且有利于獲得摻雜濃度均勻的激光晶體，從而提高激光的輸出質量，同時不需要犧牲光學質量或顯著地降低熒光壽命；③Nd∶GSGG晶體能夠抗輻射和抵御高能離子沖擊，可以用于空間科學研究等；④含Sc的石榴石具有較高的熱導率和穩(wěn)定的物理化學特性；⑤Nd∶GSGG晶體的上能級壽命高于Nd∶GGG和Nd∶YAG晶體，有利于提高器件輸出功率和能量；⑥Nd∶GSGG晶體在1.06 μm附近的峰值發(fā)射截面低于Nd∶GGG和Nd∶YAG晶體，有利于提高脈沖光輸出功率[10,27]．

Nd∶GSGG晶體的首次人工生長是由Brandle C.D.等人[28]在1973年以提拉法進行的．Caffey D.F.等人[29]報道了激光二極管泵浦的Nd∶GSGG晶體的激光性能，斜率效率達到41.5%．羅建喬等人[30]研究了二極管泵浦的非對稱平行平面腔Nd∶GSGG晶體激光器，在2 355 mW的泵浦功率下產(chǎn)出345 mW的激光，光-光轉換效率和斜率效率分別為14.65%和16.61%．Tian L.等人[31]采用光學浮區(qū)法生長了Nd∶GSGG單晶，用功率為7.36 W的激光二極管泵浦時，在1 062 nm波長處實現(xiàn)了連續(xù)波激光輸出，最大輸出功率為0.792 W，光-光轉換效率為11.72%，斜率效率為11.89%．

也有一些研究人員對GSGG晶體進行Nd，Cr共摻雜的研究[32]．隨著提純技術的不斷提高和Sc價格的下降，未來對Nd∶GSGG晶體的研究會逐漸增多．

2.3 LuGGG

LuGGG晶體可以看做是GGG晶體中部分Gd3+被半徑較小的Lu3+取代而獲得的．Jia Z.T.等人[33]以提拉的方式生長Nd∶LuGGG晶體，發(fā)現(xiàn)其結構與GGG晶體存在非常大的相似性．Fu X.W.等人[34]測試了Nd∶LuGGG晶體在1 062 nm 波長處的連續(xù)激光性能，其最大輸出功率和相應的斜率效率為9.73 W和61.2%．Yang H.等人[35]在Nd∶LuGGG晶體被動調Q實驗中獲得了最高輸出功率為1.21 W，最高重復頻率27.1 kHz，最短脈寬為9.1 ns的激光．由于Nd∶LuGGG晶體利于光譜的非均勻展寬，因此在超快激光方面將會獲得更多深入研究．

2.4 LaGGG

LaGGG晶體是GGG晶體中部分Gd3+被La3+取代而獲得的．與Nd∶GGG晶體相比較，Nd∶LaGGG晶體中La3+取代Gd3+可以非均勻展寬光譜，有利于超快激光的產(chǎn)生；此外，La3+半徑大于Gd3+，取代后可以增加晶體晶格常數(shù)，利于Nd∶LaGGG晶體熔點的降低[36]．

Yang H.等人[37]研究了Nd∶LaGGG晶體的連續(xù)激光運轉，在1.06 μm波長處的最高功率為9.9 W，斜率效率為19.6%；在被動鎖模激光方面，最高功率為 2.83 W，脈寬7.4 ns，重復頻率13.87 kHz．王祎然[38]采用準連續(xù)的脈沖LD泵浦，在波長1.3 μm處實現(xiàn)了Nd∶LaGGG晶體的被動調Q運轉，獲得激光的最大輸出能量、脈寬和峰值功率分別為1.0 mJ、8.1 ns和10.2 kW；在波長1.0 μm處實現(xiàn)了Nd∶LaGGG晶體的連續(xù)波鎖模運轉，獲得激光的最高輸出功率和鎖模脈寬分別為3.2 W和17.25 ps．

2.5 LuSGG

摻雜Sc3+的Nd∶LuSGG晶體具有更寬的吸收和發(fā)射譜線、小的發(fā)射截面及長的熒光壽命，有利于在超短超快激光方面有所應用．Kaminskii A.A.在1994年[39]用提拉法首次生長出Nd∶Lu3Sc2Ga3O12晶體，在室溫下用激光二極管和Xe閃光燈泵浦激發(fā)出1 062.2 nm波長的激光．武奎[40]利用Nd∶Lu3Sc1.5Ga3.5O12獲得了斜率效率為33%、最高的輸出功率為6.96 W的連續(xù)激光和最窄的脈沖寬度為5.1 ns、最大的脈沖能量為62.5 MJ、最高的峰值功率約為12 kW的被動調Q脈沖激光，由于該晶體生長制備的方法為浮區(qū)法，晶體的缺陷較多，其激光性能受到影響．

2.6 GYSGG

Nd∶GYSGG是一種前景廣闊的晶體，具有雙波長性質[41]．與Nd∶YAG相比，Nd∶GYSGG晶體具有良好的抗輻射性和非均勻加寬效應，在太空領域中有著潛在應用；在波長1.06 μm附近的熒光光譜寬度為4.95 nm，遠大于Nd∶YAG的0.8 nm，有利于產(chǎn)生超短超快激光[42]．

孫崇玲[43]分別對Nd∶GYSGG晶體在1 058.4 nm和1 061.5 nm處的雙波長激光運轉、在1.3 μm處的4F3/2→4I13/2能級躍遷激光運轉和在937 nm處單波長激光運轉進行了研究，并對Nd∶GYSGG晶體在不同泵浦功率和邊界溫度下內部三維溫度場的分布進行了模擬．Zhong K.等人[44]利用Nd∶GYSGG晶體獲得了斜效率42.92%、最高輸出功率4.17 W的連續(xù)激光，被動調Q激光方面，獲得了1 053 nm 和1 058.4 nm的雙波長激光，最高單脈沖能量和峰值功率分別為172 μJ和26.1 kW，證明Nd∶GYSGG晶體是一種潛在的通過差頻效應獲得1.53 THz激光的增益介質．Song Q.等人[45]對Nd∶GYSGG晶體的被動調Q鎖模激光性能進行了測試，獲得了1 057.28 nm和1 060.23 nm的雙波長激光，最高輸出功率為0.189 W、脈寬為441 ps．Wang B.L.等人[46]采用光學浮區(qū)法生長制備了Nd∶LuYSGG晶體，在波長1.06 μm處研究了連續(xù)激光輸出特性，其斜率效率為48.0%，也實現(xiàn)了被動調Q激光輸出，其最窄脈沖寬度、最大脈沖能量和最高峰值功率分別為4.1 ns，157.1 μJ和38.3 kW，表明Nd∶LuYSGG晶體適用于脈沖較短、能量較大的脈沖激光器中．

3 多中心無序含鎵石榴石晶體

多中心無序含鎵石榴石晶體結構是包括Ga3+在內的兩種或兩種以上離子以任意分布的形式占據(jù)晶體結構中某個格位，同時排列時不存在晶體結構周期性或所屬空間群對稱性，其結合了光學玻璃基質的非均勻加寬光譜和有序晶體基質的高熱機械性能．此類無序結構晶體進行釹離子摻雜，通過激光二極管泵浦后通常具有更寬的吸收和發(fā)射光譜，是高重復頻率、超短脈沖激光和高功率激光所用晶體．

3.1 CNGG，CLNGG和CTGG

在鈣鈮鎵石榴石[Ca3(Nb，Ga)Ga3O12](CNGG)晶體中，Nb3+和Ga3+無序地占據(jù)同一個八面體格位，導致晶格內離子排列無序，稀土離子Nd3+取代Ga3+離子后，Nd3+周圍格位無序，易展寬光譜[47]．Nb3+化學計量比在1.710～1.665之間波動，而Ga3+在3.150～3.22之間，即CNGG石榴石相的組成在Ca3Nb1.710Ga3.150O12與Ca3Nb1.665Ga3.22O12之間波動．同時，在Nd∶CNGG晶體內部的電荷匹配不平衡，導致易有空位出現(xiàn)，將Li引入CNGG晶體中后生成了Nd∶CLNGG晶體，空位得到進一步的減少．這兩種晶體與Nd∶YAG晶體相比具有顯著優(yōu)勢[48]：①兩者熔點都在1 450 ℃左右，可以用銥金坩堝在空氣中直接生長，簡化了長晶步驟；②Nd3+摻雜濃度更高；③晶體晶格無序，Nd3+摻雜晶體的光譜半高寬為十幾微米，適合產(chǎn)生超短超快激光．

馬小濤等人[49]報道了連續(xù)激光器二極管端面泵浦的Nd∶CNGG非均勻加寬激光器，實現(xiàn)了 1 061.3，1 059.1和1 065 .6 nm三波長同時激光輸出．張輝榮等人[50]測量了Nd∶CNGG晶體的光譜性能，利用激光二極管泵浦在波長1.062 μm處獲得了斜率效率為22.3%、功率為123.1 mW 的連續(xù)激光輸出．Mukhopadhyay P.K.等人[51]研究了Nd∶CNGG晶體的激光性能，以二極管激光陣列進行端面泵浦，在波長1.06 μm處得到了最大功率為1.63 W的連續(xù)激光輸出．Li Y.L.等人[52]利用885 nm激光二極管(LD)直接泵浦Nd∶CNGG激光器，吸收泵浦功率為13.5 W時在1 061 nm和1 329 nm處的最大輸出功率分別為4.5 W 和 2.9 W，斜率效率分別為32.2%和22.1%．施玉顯等人[53]利用885 nm激光二極管(LD)直接泵浦Nd∶CNGG激光器，相比于808 nm泵浦方式，在935 nm處的斜率效率從4.6%增加到6.6%，閾值從3.31 W減少到3.05 W．

Li Y.L.等人[54]采用二極管泵浦Nd∶CLNGG晶體，在928 nm處產(chǎn)生了功率為1.3 W的連續(xù)波輸出，吸收功率為17.8 W，相對斜率效率是11.2%，是由4F3/2→4I9/2能級躍遷所產(chǎn)生．Yu H.H.等人[55-56]進行了Nd∶CNGG和Nd∶CLNGG的被動調Q激光實驗，發(fā)現(xiàn)Nd∶CNGG激光器和Nd∶CLNGG 激光器分別以雙波長和單波長的連續(xù)波運轉，兩者分別得到最窄脈沖寬度、最高峰值功率及最大脈沖能量為12.9 ns，173.16 μJ，12.3 kW和12.3 ns，199.1 μJ，16 kW的脈沖輸出．石自彬[57]研究了Nd∶CNGG和Nd∶CLNGG的被動鎖模激光性能，實現(xiàn)Nd∶CNGG激光器的雙波長同步鎖模運轉，可得到寬度為5 ps的脈沖；對Nd∶CLNGG激光器進行連續(xù)鎖模運轉，可得到寬度為900 fs的脈沖．Xie G.Q.等人[58]利用Nd∶CLNGG-CNGG晶體獲得了534 fs的鎖模激光，是當時Nd3+摻雜晶體中獲得的最短脈沖．CLNGG和CNGG這兩種晶體成為為數(shù)不多的可以產(chǎn)生飛秒超快激光的Nd3+摻雜激光晶體，表明他們在超短超快激光領域中有著優(yōu)異的潛力．

CTGG晶體可以看做是CNGG晶體中的Nb3+完全被同族Ta3+所取代．Guo S.Y.等人[59]報道了提拉法生長的CTGG晶體，在波長1.06 μm處得到激光輸出．Xie G.Q.等人[60]進行了Nd∶CTGG晶體的被動鎖模激光實驗，其最短脈沖寬度為4.3 ps．鑒于Nd∶CNGG晶體在超短超快激光方面突出的表現(xiàn)，其仍有潛力可以發(fā)掘．

3.2 YGaO3

YGaO3晶體[Nd∶Y3(Y,Ga)Ga3O12]與YAG晶體類似，具有立方晶系結構．YGaO3晶體中Y3+不僅占據(jù)十二面體格位，還占有一半八面體格位．因此，Nd3+取代Y3+的格位，就會導致Nd3+離子格位不固定，導致部分Nd3+周圍晶格無序，從而展寬光譜[61]．Kaminskii A.A.等人[61]在激光泵浦下實現(xiàn)了Nd∶YGaO3雙波長連續(xù)激光運轉，斜效率約為25%，最大輸出功率約為55 mW，激光波長分別是1 059.3 nm和1 062 nm，顯示了良好的雙波長增益介質潛質．

3.3 CGGG

當Nd3+摻入到Ca3Ga2Ge3O12中后，Nd3+將會取代離子半徑相近的Ca2+，從而導致周圍的八面體和四面體格位上的Ga3+與Ge4+位置重排，產(chǎn)生Ga3+與Ge4+反位缺陷，造成Nd3+周圍晶格無序排列，從而展寬激光光譜[62]．相比較于Nd∶YAG晶體，Nd∶CGGG晶體具有更高的熱導率和更低的熔點[63]．Es'kov N.A.等人[64]采用直拉生長了Nd∶CGGG晶體．Jaque D.等人[65]研究了摻雜不同Nd3+濃度的CGGG光譜和激光性能，濃度為0.1%時在1 060 nm和1 065 nm附近發(fā)射雙激光，濃度在2%以上時出現(xiàn)發(fā)光猝滅．Montes M.等人[66]進行了Nd∶CGGG多中心激光晶體的被動調Q二極管泵浦實驗，獲得的脈沖能量和脈沖峰值功率幾乎是由在完全相同的實驗條件下操作的Nd∶YAG晶體獲得的脈沖能量的三倍．Belovolov M.I.等人[67]研究了二極管泵浦的Nd∶CGGG晶體在波長1.06 μm處激光性能，在2.7 W的吸收泵浦功率下獲得了700 mW的連續(xù)激光輸出．

4 結 語

含鎵石榴石激光晶體展現(xiàn)出了眾多優(yōu)異的激光性能，特別是在高功率、連續(xù)、多波長、超短超快激光等方面．目前，隨著對含鎵石榴石晶體研究的進一步深入，在太赫茲激光、被動調Q激光、被動鎖模激光及激光武器等方面的應用將成為最新研究熱點．