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Nd:YVO4 晶体 - 掺钕钒酸钇
- 掺钕钒酸钇（Nd:YVO4）晶体是一种性能优良的激光晶体，适于制造激光二极管泵浦特别是中低功率的激光器。与Nd:YAG相比，Nd:YVO4对泵浦光有较高的吸收系数和更大的受激发射截面。
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掺钕钒酸钇（Nd:YVO4）晶体是一种性能优良的激光晶体，适于制造激光二极管泵浦特别是中低功率的激光器。与Nd:YAG相比Nd:YVO4对泵浦光有较高的吸收系数和更大的受激发射截面。激光二极管泵浦的Nd:YVO4晶体与LBO,BBO,KTP等高非线性系数的晶体配合使用，能够达到较好的倍频转换效率，可以制成输出近红外、绿色、蓝色到紫外线等类型的全固态激光器。现在Nd:YVO4激光器已在机械、材料加工、波谱学、晶片检验、显示器、医学检测、激光印刷、数据存储等多个领域得到广泛的应用。而且Nd:YVO4二极管泵浦固态激光器正在迅速取代传统的水冷离子激光器和灯泵浦激光器的市场，尤其是在小型化和单纵模输出方面。
Nd:YVO4与Nd:YAG比较的优势：
• 在808nm左右的泵浦带宽，约为Nd:YAG的5倍；
• 在1064nm处的受激发射截面是Nd:YAG的3倍；
• 激光阀值低，高斜率效率；
• 单轴晶体，输出为线偏振。
福晶能够提供的产品和服务：
• 最大至φ35x50mm3 的各种尺寸YVO4晶体和φ20x20mm3的高质量Nd:YVO4晶体；
• 每月10,000片从3x3x0.5mm3到4x4x10mm3尺寸的Nd:YVO4器件；
• 可提供浓度范围：0.1-3%；
• 浓度控制精度: ±0.1%(atm%≥1%)；±0.05%(atm%<1%)；
• 及时送货
• 有竞争力的价格
图1. 0.5% Nd:YVO4(厚度为 4mm)的吸收曲线
Nd:YVO4晶体的基本属性：
| 原子密度 | 1.26x1020 atoms/cm3 (Nd 1.0%) |
| 晶体结构 |
四方, 空间群D4h-I4/amd a=b=7.1193Å, c=6.2892Å |
| 密度 | 4.22g/cm3 |
| 莫氏硬度 | 4-5(近似玻璃) |
| 热膨胀系数（300K） |
αa=4.43x10-6/K αc=11.37x10-6/K |
| 热传导系数（300K） |
∥C：0.0523W/cm/K ⊥C：0.0510W/cm/K |
Nd:YVO4晶体的特性：
| 发射波长 | 1064nm，1342nm |
| 热光系数（300K） |
dno/dT=8.5×10-6/K dne/dT=2.9×10-6/K |
| 受激辐射截面 | 25×10-19cm2 @ 1064nm |
| 荧光寿命 | 90μs(1%) |
| 吸收系数 | 31.4cm-1 @810nm |
| 内在损失 | 0.02cm-1 @1064nm |
| 增益带宽 | 0.96nm@1064nm |
| 极化激光辐射 | π偏振；平行于光轴（C轴） |
| 二极管泵浦光-光效率 | >60% |
| Sellmeier方程（λ in μm） |
no2=3.77834+0.069736/(λ2-0.04724)-0.010813λ2 ne2=4.59905+0.110534/(λ2-0.04813)-0.012676λ2 |
Nd:YVO4激光特性：
1. 与Nd:YAG相比，Nd:YVO4最大的优势在于更宽的吸收带宽范围内，具有比Nd:YAG高5倍的吸收效率，而且在808nm左右达到峰值吸收波长，完全能够达到当前高功率激光二极管的标准。这使得我们可以利用更小的晶体来制造体积越来越小的激光器。同时还意味着激光二极管可以用较小的功率输出特定的能量，从而延长了其使用寿命。Nd:YVO4的吸收带宽可达Nd:YAG的2.4-6.3倍，这一特性同样具有巨大的开发价值。除了较高的泵浦效率外，在二极管的规格上提供了更大的选择空间，这将为激光器生产商节省更多的制造成本。
2. Nd:YVO4 在1064nm和1342nm处具有较大的受激发射截面。在a轴方向Nd:YVO4 1064nm波的受激发射截面约为Nd:YAG的4倍，而1342nm的受激发射截面可达Nd:YAG在1.3um处的18倍，故Nd:YVO4 1342nm波的连续输出效率要大大超过Nd:YAG，这使得Nd:YVO4 激光的两个波长都可以更容易保持一个较强的单线激发。
3. Nd:YVO4的另一重要特点是它属单轴晶系，仅发射线性偏振光，因此可以避免在倍频转换时产生双折射干扰，而Nd:YAG是高匀称性的正方晶体，无此特性。虽然Nd:YVO4 的荧光寿命比Nd:YAG短2.7倍左右，但是因为Nd:YVO4具有较高的泵浦量子效率，所以在设计理想的光腔中仍然可获得相当高的斜率效率。
下表比较了Nd:YVO4与Nd:YAG光的主要特性，包括受激发射截面(σ), 吸收系数(α) 荧光寿命(τ), 吸收长度(La), 阈值功率(Pth)以及泵浦量子效率(η)等。
表1. Nd:YVO4激光与Nd:YAG激光特性比较
| 晶体 |
掺杂 （atm%） |
σ (×10-19cm2) |
α (cm-1) |
τ (μs) |
Lα (mm) |
Pth (mW) |
ηs (%) |
| Nd:YVO4 (a-cut) |
1.0 2.0 |
25 25 |
31.2 72.4 |
90 50 |
0.32 0.14 |
30 78 |
52 48.6 |
| Nd:YVO4 (c-cut) |
1.1 |
7 | 9.2 | 90 | / | 231 | 45.5 |
| Nd:YAG | 0.85 | 6 | 7.1 | 230 | 1.41 | 115 | 38.6 |
试验最佳结果
Nd:YVO4 激光泵浦二极管与Nd:YAG激光泵浦二极管的输出功率比较
| 晶体 | 尺寸（mm3） | 泵浦功率 | 输出（1064nm） |
| Nd:YVO4 | 3×3×1 | 850mW | 350mW |
| Nd:YVO4 | 3×3×5 | 15W | 6W |
| Nd:YAG | 3×3×2 | 850mW | 34mW |
规格指标：
• 波前畸变：<λ/4 @ 633nm
• 尺寸公差：(W±0.1mm)x(H±0.1mm)x(L+0.2/-0.1mm)（L＜2.5mm）
(W±0.1mm)x(H±0.1mm)x(L+0.5/-0.1mm)（L≥2.5mm）
• 通光孔径：>90% 中心区域
• 平面度：λ/8 @ 633 nm, λ/4 @ 633nm（厚度小于2mm）
• 光洁度：10/5 美国军标
• 平行度：优于20 arc seconds
• 垂直度：5 arc minutes
• 角度公差：<±0.5°
• 增透膜：1064nm，R＜0.2%；HR镀膜：1064nm，R＞99.8%，808nm，T＞95%
• 损伤阈值：＞1GW/cm2 for 1064nm, TEM00, 10ns, 10Hz（增透膜）
• 品质保证期：一年内正常使用
福晶小课堂 | Nd:YVO4晶体，一种性能优良的激光工作物质
01
Nd∶YVO4晶体的市场应用
全固态激光器在微纳加工、信息通讯、生物医疗和科学研究等领域有重要应用，掺钕钒酸钇(Nd:YVO4)单晶已被证明是用于制作全固态激光器最优秀的激光工作物质之一。
Nd∶YVO4晶体具有高的化学稳定性、高的光损伤阈值、大的受激发射截面、适宜的亚稳态寿命、在808nm处存在强而宽的吸收带等优良性质(晶体基本性质见文末附表)，因此特别适合于制作低泵浦阈值、高效率的激光二级管(LD)抽运的固体激光器[1]。
图1 激光二极管泵浦Nd:YVO4晶体示意图
LD泵浦的Nd∶YVO4晶体，与LBO、BBO、KTP、CLBO等具有较高非线性系数的晶体配合使用，能够达到较好的谐波转换效率，可制成从绿光、蓝光到紫外输出等类型的全固态激光器，在消费电子、晶元检测、激光通讯、新能源等多个领域得到广泛的应用[2]。
图2 LD泵浦Nd∶YVO4晶体
输出1064nm光的二倍频和三倍频转换
02
Nd∶YVO4相较于
Nd:YAG的优点[3,4,5]
Nd:YVO4晶体问世于1966年，但其应用受限于闪光灯泵浦时代，直至80年代后期随着激光二极管迅速发展，Nd:YVO4重新得到激光研究和应用领域的重视，成为LD泵浦激光器中最佳激光晶体中的一员。与另一款应用成熟的激光工作物质Nd:YAG晶体相比，Nd:YVO4晶体在如下光谱特性上显示出更适合LD泵浦的优异性能：
与Nd:YAG相比，Nd:YVO4的优势在于在808 nm左右波段范围内具有很强的宽吸收带，a-cut的Nd:YVO4在π方向(//c轴)吸收系数大约是Nd:YAG晶体的4倍。
Nd:YVO4在1064 nm和1342 nm处具有更大的受激发射截面，这在一定程度可以抵消Nd:YVO4晶体荧光寿命较短的缺点。a轴方向上Nd:YVO4在1064 nm波的受激发射截面约为Nd:YAG的4倍，在1342 nm处的受激发射截面亦远高于Nd:YAG晶体，στ乘积是Nd:YAG晶体的2.7倍。
Nd:YVO4的另一重要特点是它属单轴晶系，激光输出沿着π方向呈线性偏振，因此避免了多余的热致双折射。
03
Nd∶YVO4晶体的应用特性
Nd掺杂的工作物质吸收波长主要在800nm附近，Nd:YVO4晶体典型吸收峰位于808nm，通常产生的是1064nm激光振荡，属于四能级系统。
图3 Nd:YVO4晶体四能级图
图4 a-切0.3%Nd:YVO4晶体在平行于c轴(π偏振)和a轴偏振方向上的典型吸收峰
虽然Nd:YVO4在808nm附近吸收效率最大，但是由于热传导系数比较差(⊥c:0.0510W/cm/k，//c:0.0523W/cm/K)，容易在晶体端面累积大量的热量，造成端面热形变，引起的热透镜效应对谐振腔稳定性及输出激光特性皆有影响。
为此，激光器设计上可使用键合晶体加大散热，或者采用吸收效率相对较小的吸收峰880nm、878.6nm进行泵浦从而减少量子亏损，从而一定程度减少热影响[3];同时，选用中低掺杂浓度晶体，但为了增大吸收率需选用较长的晶体尺寸。
然而，Nd:YVO4晶体生长过程中要得到性能优良、大尺寸的晶体并不容易。比如，温场控制不均匀，容易产生不可逆的生长纹和包络;原料纯度和配料工艺会影响Nd:YVO4晶体吸收;Nd:YVO4晶体生长过程中各生长参数设置合理性，技术人员根据实况调整参数的及时性，工艺方式选择等，都会影响Nd:YVO4晶体内部质量、浓度精度。
04
福晶科技Nd:YVO4晶体的发展情况
福晶科技是世界上最早开始Nd:YVO4晶体生长研究和实现批量生产的公司之一，继承了福建物构所的生长技术，采用提拉法(Czochralski法)生长Nd∶YVO4晶体。
2003年，由福建物质结构研究所承担的“优质掺钕钒酸钇激光晶体生长与开发”项目，通过了由福建省科技厅组织的鉴定。专家组认为，该晶体的生长技术和晶体尺寸达到国际领先水平。
图5 福晶科技采用提拉法生长的Nd:YVO4晶体毛坯
目前福晶科技配备一百多台先进的单晶炉设备专门生长Nd∶YVO4晶体，通过对原料采用选择性沉淀提纯及液相结合的配制方法，生长采用独特的温场设计，籽晶采取激光定轴、以及抛光加工和镀膜等特色技术的开发和完善，生长和加工的晶体元件兼具优异的内部质量和灵活的指标参数：
生长出的a向晶体无色差、无小角晶界、无包裹物、散射颗粒少、光学均匀性好。如图6，长度为17mm的Nd:YVO4晶体元件，其波前畸变实测值达到<λ/8;
图6 Zygo测试Nd:YVO4波前参数
用中频感应加热熔体，能稳定生长出掺Nd浓度为0.1%-3%的晶体毛坯;浓度控制精度：±0.05%(atm%<1%)，±0.1%(atm%≥1%);
生长的Nd:YVO4毛坯最大长度可达50mm，可加工尺寸φ20x40mm3高品质晶体元件;
图7 福晶科技生长的Nd∶YVO4长毛坯
采用特殊冷加工工艺，晶体元件的弱吸收可低于600ppm@1064nm(掺杂浓度<0.5%)，能有效减少Nd:YVO4晶体热应力影响;
图8 Nd∶YVO4晶体的PCI弱吸收测试@1064nm
作为市场上最大的Nd:YVO4晶体供应商，福晶科技除了拥有丰富的Nd:YVO4晶体生长经验之外，经过多年探索和分析，积累了高水平的加工技术，所加工的Nd:YVO4晶体器件粗糙度可达到3Å以内;
图9 Nd:YVO4晶体的粗糙度测试
为了减少高功率泵浦条件下Nd:YVO4晶体的热透镜效应，可根据客户需求，进行两段或三段键合;
图10 Nd∶YVO4键合晶体
通过光学镀膜技术，在晶体表面进行膜层沉积，可获得所需的晶体表面反射率或透过率。福晶科技可根据客户设计需求为Nd:YVO4晶体镀制各类膜系，较常见的膜系设计及指标如下：
S1，S2：AR/AR-1064/808 nm，R<0.2% @ 1064 nm，R<0.5% @ 808 nm，或者R<0.1% @ 1064 nm，R<3% @ 808 nm
S1，S2：AR/AR-1064/880 nm，R<0.2% @ 1064 nm，R<0.5% @ 880 nm，或者R<0.1% @ 1064 nm，R<1% @ 880 nm，或S1，S2：AR/AR-1064/880/808 nm，R<0.2% @ 1064 nm，R<0.5% @ 880 nm，R<0.5% @ 808 nm
S1：HR-1064/532 nm，HT-808 nm，R>99.8% @ 1064/532 nm，T>90% @ 808 nm;S2：AR-1064/532 nm，R<0.2% @ 1064nm，R<0.5% @ 532 nm
S1：HR-1064 nm，HT-808 nm，R>99.8% @ 1064 nm，T>95% @ 808 nm;S2：AR-1064 nm，R<0.1% @ 1064 nm
S1，S2增透膜，侧面：保护金/铬膜
S1，S2：AR/AR-1064 nm;S3：AR-808 nm
此外，福晶科技还可根据客户实际需求的波段和反射率进行定制设计及镀制，并提供详细的膜指标测试报告。
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