激光玻璃的发展和用途

20世纪60年代初出现第一台以固体的激活介质的红宝石激光器。Snitzer在1961年报 道掺Nd³⁺钡冕硅酸玻璃的激光。1962年，中国也在掺钕硅酸盐玻璃中获得激光输出。玻璃 和晶体构成固体激光材料的两大类。与晶体材料比较，激活离子在玻璃中的受激发射截面较 小，但贮能大；玻璃基质的热机械性质不如晶体，主要用于脉冲激光器和放大器，以输出较 大的能量和功率。与激光晶体比较，玻璃作为激光激活离子的基质在玻璃性质和制造工艺方 面具有一系列优点。

(1)基质玻璃易于改变选择不同玻璃系统可使玻璃组成在很大范围内变化；可加入不 同种类和数量的激活离子，发展成具有不同特点的激光玻璃，以满足各种激光器的要求。

(2)无序结构和各向同性玻璃的结构缺陷对玻璃性质的影响小，激活离子的配位稳 定，可获得各向同性光学均匀的介质。

(3)易于制造应用光学玻璃工艺可获得高度均匀的材料；易于成形，可制得从玻璃纤 维到米级的玻璃棒和板；通过精密退火可达到高的折射率均匀性和很低的应力双折射；可通 过表面处理提高玻璃的机械强度。

(4)可批量生产玻璃熔炼周期短，玻璃原材料价格便宜，易于实现光学研究和抛光。

自出现Nd³⁺在玻璃中的激光以后，20世纪六七十年代，曾致力于探索各种能在玻璃中

实现激光输出的离子。许多稀土离子掺杂玻璃都实现激光输出。其中很有价值的离子为 Nd³⁺和Er³⁺，成为后来研究和发展的重点。另一方面是开拓激光玻璃的实际应用。到现在 为止，真正获得应用的激光玻璃为钕激光玻璃和铒激光玻璃，而且主要是钕激光玻璃。在长 达四十几年的时间内，包括激活离子在玻璃中的光谱、发光、非线性效应等基础研究；激光 材料性能测定、检测技术和设备的建立；激光玻璃产品发展及激光玻璃特有的制造技术，这 些工作都以钦激光玻璃为对象。

从1961年以来，钦激光玻璃主要用于建造高能和高功率激光器。以早期的千焦耳级高 能激光器到后来的TW级、很近的10¹⁴W高功率激光系统。很早使用硅酸盐钕激光玻璃， 后来在高能、短脉冲下出现玻璃的损伤，起因于非线性自聚焦光学效应，要求降低玻璃的非 线性折射率〃₂。为增加激光器的增益，要求受激发射截面大的激光玻璃。磷酸盐激光玻璃 在这两方面都具有优越的性质。20世纪80年代以后，磷酸盐钦激光玻璃已逐步取代硅酸盐 玻璃用于建造高能和高功率激光系统。为获得光学均匀的玻璃和防止污染，激光玻璃都采用 钼坩埚熔化。20世纪60年代出现强激光下与自聚焦丝状破坏不同的点损伤现象。这种损伤 起因于玻璃中微小金属铂颗粒夹杂物在强激光下的温升、气化。为免除铂对玻璃的污染，开 展激光玻璃全陶瓷研究。由于玻璃存在光学均匀性差、光吸收大等固有缺点而停止进一步发 展。与此同时，开展铂坩埚熔炼中消除钼金属颗粒的研究。以美国光学公司为代表的工艺为惰性气体保护、防止销氧化再沉积的技术，现仍为美国Kigre公司用于制造硅酸盐和磷酸盐 激光玻璃。另一工艺为氧化法，利用铂在磷酸盐玻璃中溶解度大的性质，使玻璃中的铂处于 离子状态，避免金属钼的形成。该技术由美国Lawrence Livermore国家实验室组织，Schott 公司和Hoya公司分别于20世纪80年代末完成。我国于20世纪90年代初开始，90年代中 完成氧化法“除铂”技术。现在我国高功率激光系统的磷酸盐激光玻璃均采用这种工艺制 造。为适应美国NIF (激光核聚变国家点火计划）和法国LMJ (Laser Megajoule,兆焦耳激光）激光系统在激光玻璃物理性质、质量的一致性和巨大的数量要求，由美国和法国政府 投资，Schott和Hoya从20世纪90年代中开展激光玻璃的连续熔炼研究。2000年开始运 行，到2002年5月，完成了 NIF所需的三千多片激光钦玻璃。 

掺铒玻璃在20世纪60年代就已获得激光输出，从铒离子的吸收、光谱和受激发射性质 方面考虑，都不如钦激光玻璃。直到20世纪80年代，才发展为激光玻璃产品。主要推动力 在于Er³⁺在玻璃中激光波长为1. 54^m,眼睛所能承受的激光功率远大于1. 06^m的钦玻璃 激光，加上处于大气透过窗口，主要用于测距、医用￥术、激光大气雷达等。