10激光材料.ppt

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1、第十章第十章 激光材料激光材料 n10.1 激光的基本原理激光的基本原理n10.2 激光材料激光材料 教学目标及基本要求教学目标及基本要求n掌握光的吸收和发射，激光的产生，激光工掌握光的吸收和发射，激光的产生，激光工质材料及其特征值质材料及其特征值n熟悉和了解激光工质材料的种类，激光工质熟悉和了解激光工质材料的种类，激光工质材料应用及发展方向，激光调材料应用及发展方向，激光调Q材料。材料。教学重点教学重点和难点和难点n（1）光的吸收和发射）光的吸收和发射n（2）三能级系统）三能级系统n（3）激光的产生及特点）激光的产生及特点n（4）激光工质材料的特征值）激光工质材料的特征值.习习 题题n1、光

2、的吸收和发射？、光的吸收和发射？n2、三能级系统？、三能级系统？n3、激光的产生及特点？、激光的产生及特点？第十章第十章 激光材料激光材料 n世界上第一台激光器的诞生，使激光技术成为一门新兴科学发展起来，在光学发展史上翻开了崭新的一页。激光的出现极大地促进了光学材料的发展，目前已有数百种新型激光工作物质。激光材料包括激光工质材料、激光调Q材料、激光调频材料和激光偏转材料。1960年美国科学家梅曼红宝石激光器 10.1 激光的基本原理激光的基本原理 n一、光的吸收和发射一、光的吸收和发射n1、波尔兹曼统计分布、波尔兹曼统计分布n根据统计力学原理，大量相同粒子(原子、离子、分子)集合处于热平衡温度

3、下，粒子数按能级的分布服从波耳兹曼分布规律，即nN2、N1分别为能级E2和E1上的粒子数。n在热平衡条件下绝大部分粒子处于基态，即处于低能级上的粒子数总多于高能级上的粒子数，因而受激吸收总占优势。这叫粒子数正常分布。n2、光的吸收和发射、光的吸收和发射n辐射与物质的相互作用主要包括受激吸收、自发发射和受激发射。n（1）受激吸收：当一个频率为21的准单色光波通过能隙h21的二能级系数时，若能级满足辐射跃迁选择定则，这时处于低能级E1的原子吸收入射光子，跃迁到高能级E2上(图10-1)。图101 粒子的受激吸收 n受激吸收过程造成的粒子数变化速度与入射的单色光能量密度(21)和能级上粒子数N1成正

4、比，即n（2）自发发射自发发射：跃迁到能级E2上的原子是不稳定的，它会自发地通过辐射一个能量的光子返回到E1能级上（图102）。图102 粒子的自发发射 n跃迁到E1能级的粒子数速率为n各原子的自发发射是独自进行的，彼此无关。n（3）受激发射受激发射：处于高能级的原子不仅可以自发发射，而且可以在入射频率为21的光子感应下受激发射，跃迁到E1能级上（图103）。图103 粒子的受激发射 受激吸收受激吸收n受激发射过程所产生的受激发射光子与入射光子有相同的模式。所造成的高能级上粒子数随时间的变化与入射单色辐射能量密度(21)和E2能级上粒子数N2的关系为n3、粒子数反转、粒子数反转n要想使受激辐射

5、占优势或者说占主导地位，就必须使N2N1。如果借助于外界的激励，破坏粒子的热平衡分布，就可能使高能级E2的粒子数N2大于低能级E1的粒子数N1。由于它同正常分布相反，所以叫粒子数反转分布，见图10-4。图104 粒子数的分布（a）正常分布 （b）反转分布 n粒子数反转分布的作用在于当外来光辐射时，受激辐射总是大于受激吸收，因而产生了光的放大信号。实验证明，许多物质给予一定激励后，能实现这种反转分布，它为激光的产生提供了基础。激光:亮度高,方向性好,单色性,相干性好 粒子数反转受激发射(2E)(4A2)受激吸收受激发射二二.激光的产生激光的产生1.激光器的构成 激光器通常由三部激光器通常由三部分

6、构成：分构成：(1).(1).工作物质工作物质(2).(2).激励源激励源(3).(3).谐振腔谐振腔工作物质工作物质工作物质工作物质激励源激励源激励源激励源谐振腔谐振腔谐振腔谐振腔红宝石激光器是由掺少量Cr的蓝宝石单晶组成，呈棒状，两端面要求平行。靠近两个端面各放置一面镜子，以便使一些自发发射的光通过激光棒来回反射。其中一个镜子起完全反射的作用，另一个镜子只是部分反射。激光棒沿着它的长度方向被闪光灯激发。大部分闪光的能量以热的形式散失，一小部分被激光棒吸收，用来激发Cr离子到高能级。在宽的频带内激发的能量被吸收；而在6943处三价Cr离子以窄的谱线进行发射，构成输出的辐射，自激光棒的一端（部

7、分反射端）穿出。红宝石激光器n（1）工作物质工作物质：是激光器中借以发射激光的物质，是激光器的核心。红宝石激光器的工作物质是含铬离子（Cr3+）的红宝石。激光是由其中铬离子的2E能级到4A2能级的跃迁发射的。n（2）激励源激励源：为了将工作物质中处于基态的粒子激发到激发态能级，以获得粒子数反转，就需要激励源供给能量。这也是激光器中不可缺少的一部分。不同的激光器有不同的激励源。红宝石激光器中的激励源是脉冲氙灯。n（3）谐振腔谐振腔：激光器两端各有一反射镜，构成一谐振腔。其中一块为全反射，另一块为部分反射，激光从这一端输出。n2、三能级系统和四能级系统、三能级系统和四能级系统n（1）三能级系统：图

8、10-5是红宝石中铬离子的简化能级图。三个能级E1、E2、E3中，E2是亚稳态能级。外界激发作用，使得粒子从E1跃迁到E3，处于E3能级的粒子很快通过无辐射跃迁转移到E2。但E2是亚稳态，寿命较长约10-3s，允许粒子久留。随着E1上的粒子不断被跃迁到E3，又很快转移到E2，既然E2允许粒子久留，那么从E2到E1的自发辐射跃迁几率就很小，于是粒子就在E2上积聚起来，从而实现E2与E1两能级间的粒子数的反转。该系统能对诱发光子能量h=E2-E1的光进行放大。图105 三能级系统简图 n（2）四能级系统四能级系统：四能级系统中产生受激辐射的低能级上不像三能级系统那样总有很多粒子，在热平衡条件下可以

9、认为经常是空的。也不是系统中的基态能级，所以容易实现粒子数反转。受激吸收受激发射n图10-6为四能级系统简图。图中E4到E3、E2到E1的无辐射跃迁几率都很大；E3到E2，E3到E1的自发跃迁几率又都很小；E3一般是亚稳态能级，寿命较长；E2与E1间的能量差足够大。这样在热平衡状态下就可以认为E2几乎是空的。图106 四能级系统简图 受激吸收受激发射钕玻璃和掺钕钇石榴石钕玻璃和掺钕钇石榴石n合适的激励方式将粒子从基态E1激发到E4上去，粒子再从E4无辐射跃迁到E3，并积累起来，在E3和E2间就容易形成粒子数反转而产生受激发射。n钕玻璃和掺钕钇石榴石钕玻璃和掺钕钇石榴石等气体激光工作物质都属于四

10、能级系统。n3、红宝石激光器、红宝石激光器n红宝石是在蓝宝石（Al2O3单晶单晶）中加入0.05%Cr3+离子后得到的产物。Cr3+离子使红宝石呈红色，更重要的是提供了产生激光的所必要的电子能态。通常将红宝石制成柱状，两端为高度抛光互相平行的平面（见图10-7）。其中一个端面部分镀银，能部分透光；另一端面充分镀银，使之对光波有完全反射作用。图10-7 红宝石脉冲激光器示意图 n在激光管内，用氙气闪光灯辐照红宝石。红宝石在被辐照之前Cr3+离子都处于基态（见图10-8）。但在氙气闪光灯（波长560nm）照射下，Cr3+中的电子受激转变为高能态，造成粒子数反转。图108 红宝石激光器激光发射过程能

11、级图 n处于高能态的电子可通过两个途径返回基态：处于高能态的电子可通过两个途径返回基态：n（1）直接从受激高能态返回基态，同时发出光子，由此产生的光不是激光。n（2）受激高能电子首先衰变为亚稳态，停留10-3s后返回基态并发出光子。在电子运动过程中10-3s一般是很长的时间，因此在亚稳态能级上集聚了不少的电子，当有几个电子自发地从亚稳态返回基态时，发射出的光子带动更多电子以“雪崩雪崩”形式返回基态，从而发射出愈来愈多的光子。那些基本平行于红宝石轴向运动的光子，一部分穿过部分镀银端，而一部分被镀银端面反射回来，光波沿红宝石轴向来回传播，强度愈来愈强。这时，从部分镀银端面发射出来的光束就是高度准高

12、度准直的高强度相干波直的高强度相干波，这种单色激光的波长为694.3nm。n该激光器主要部分是激光工作物质（Al2O3单晶）和激活物质Cr3+离子提供亚稳态能级，从基态到激发态经亚稳能级构成三能级激光器。n粒子在亚稳态的寿命较长，所以粒子数目不断积累增加，这就是泵浦过程。4、激光的产生及特点、激光的产生及特点 激光的产生过程为激光的产生过程为：当激光工作物质的粒子(原子或分子)吸收了外来能量后，就要从基态跃迁到不稳定的高能态(受激吸收)，很快无辐射跃迁到一个亚稳态能级。粒子在亚稳态的寿命较长，所以粒子数目不断积累增加(泵浦过程)。当亚稳态粒子数大于基态粒子数，即实现粒子数反转分布，粒子就要跌落

13、到基态并放出同一性质的光子，光子又激发其他粒子也跌落到基态，释放出新的光子，这样便起到了放大作用。如果光的放大在一个光谐振腔里反复作用，便构成光振荡，并发出强大的激光。5.激光具有下列特点：激光具有下列特点：（1）相干性好相干性好。所有发射的光具有相同的相位。（2）单色性纯单色性纯。因为光学共振腔被调谐到某一特定频率后，其他频率的光受到了相消干涉。（3）方向性好方向性好。光腔中不调制的偏离轴向的辐射经过几次反射后被逸散掉。（4）亮度高亮度高。激光脉冲有巨大的亮度，激光焦点处的辐射亮度比普通光高 1081010 倍。10.2 激光材料激光材料 n对激光工作物质的要求是，它有一对有利于产生激光的能

14、级，其中的上能级有足够长的寿命，即粒子被激发到该能级后能在其中滞留较长的时间。因而能在该能级上积累比较多的粒子，与下能级之间形成粒子数反转。同时还要求这一对能级间有一定强度的跃迁，以产生激光。工质材料的质量优劣将直接影响激光器件的性能。n一、激光工质材料的特征值一、激光工质材料的特征值(8)n1、材料的吸收光谱、材料的吸收光谱n材料的吸收光谱直接表征了发光中心与材料的组成、结构的关系，以及环境对它的影响。图10-9为红宝石的吸收光谱，表征基态向高能态跃迁。n2、材料的荧光光谱、材料的荧光光谱(发射光谱发射光谱)n图10-10为YAG:Nd3+晶体的荧光光谱。在1.0648m处有一强的荧光峰，它

15、对应于激发态能级向终态（基态）能级的跃迁。图109 红宝石的吸收光谱4A24F1,4F2n3、材料的激发光谱、材料的激发光谱n通过激发光谱的测定可以确定有效吸收带的位置，即吸收光谱中哪些吸收带对产生某个荧光光谱带是有贡献的。图10-11是YAG晶体中对Nd3+1.06m荧光的激发光谱。图1010 YAG:Nd晶体在1.06m附近的发射光谱4F3/24I11/2n4、荧光量子效率、荧光量子效率n荧光量子效率也就是荧光转换效率，是表征辐射系统功效大小的物理量，也是激光器的重要参数。荧光量子效率0定义为发射荧光的光子数n2与被激活物质从激励源吸收的光子数n1之比，即图1011 YAG:Nd3+的荧光

16、激发光谱n荧光能量转换效率荧光能量转换效率E定义为发射荧光的能量与被激活物质从激励源吸收的能量之比，即n荧光转换效率取决于工作物质特性、粒子数跃迁方式及无辐射跃迁几率和辐射跃迁几率等。n5、激发态寿命、激发态寿命n荧光强度随时间衰减规律中的特征参量，通常用表征。当切断外界激励源后，荧光的强度随时间呈指数型衰减：n为粒子在激发态上的停留时间，称激发态寿命(荧光寿命)，即辐射荧光强度衰减到初始值的1/e时所经历的时间。n6、激光阈值、激光阈值n维持激光器内激光振荡不停止的最低条件称为激光阈值。下式为常用的激光阈值的表达式：n7、激光输出效率、激光输出效率n以输入激光器的能量Ein作为横坐标，以激光

17、器输出的能量Eout为纵坐标，作出激光器的输出特性曲线（如图10-9）。激光器的效率通常有两种定义，一种叫总体效率t，又称绝对效率，是指输出能量与输入能量之比：n由于特性曲线不是通过原点的直线，所以随输出能量的变化而异。n另一种叫斜率效率s，是指当输入功率超过阈值很高时，激光器的输出特性曲线接近直线的直线斜率，它反映了输出功率随输入功率的增长速率。n8、谐振腔的、谐振腔的Q值值nQ值即为谐振腔的品质因数。(激发频率;n激光工作物质的折射率)图1012 激光器的输出特性曲线n二、激光工质材料的种类二、激光工质材料的种类n激光工质材料按照材料的性质可以分为固体、气体、液体和半导体四种。n（一）固体

18、激光工作物质（一）固体激光工作物质n固体激光工作物质应具备的基本条件是：(4)n（1）材料应具有合适的光谱特性；n（2）激发态吸收要小；n（3）应具有良好的光学均匀性和稳定性；n（4）应具有良好的物化性能。n固体激光工作物质由激活离子和基质两部分构成。n激活离子主要有过渡金属离子(Cu2+)、三价稀土离子(Sm3+)、二价稀土离子和锕系离子(U3+)等四类。n基质包括晶体和非晶体基质两大类。n晶体基质又分为掺杂型、自激活型和色心型掺杂型、自激活型和色心型三种。掺杂型晶体基质是把激活离子掺杂到此基质中；自激活型是把激活离子成为晶体基质的一部分；色心晶体是由束缚在基质格点缺位周围的电子或其他离子与

19、晶格相互作用形成发光中心。n非晶体基质主要是玻璃，如掺钕激光基质玻璃等。n（二）气体激光工作物质（二）气体激光工作物质n原子、离子和分子气体三大类，品种很多。n以气体为工作物质的激光器称为气体激光器。n（三）液体激光工作物质（三）液体激光工作物质n含有稀土元素的二元酮有机溶液、有机燃料溶液、稀土元素的无机化合物溶液等三类。n（四）半导体激光工作物质（四）半导体激光工作物质n半导体激光器的作用原理乃是基于电子和空穴的辐射复合现象。半导体激光工作物质有几十种。n三、激光工质材料的应用和发展方向三、激光工质材料的应用和发展方向n激光工质材料的发展方向主要有以下几个方面：n（1）发展高功率大尺寸激光工

20、质材料。n（2）提高掺杂浓度和激光功率。n（3）开拓新波段的固体激光材料。n（4）拓宽新的固体可调谐激光材料。n（5）采用敏化技术。n四、激光调四、激光调Q材料材料n激光调Q技术的原理是通过某种方法按规定程序改变腔的Q值，从而获得单个巨脉冲，能使普通脉冲激光器产生瞬时的高峰值。实现这种技术的材料叫调调Q材料材料。本章小结本章小结n1、光的吸收和发射？、光的吸收和发射？n受激吸收、自发发射、受激发射。n2、三能级系统？、三能级系统？n三个能级E1、E2、E3中，E2是亚稳态能级。外界激发作用，使得粒子从E1跃迁到E3，处于E3能级的粒子很快通过无辐射跃迁转移到E2。但E2是亚稳态，寿命较长约10

21、-3s，允许粒子久留。随着E1上的粒子不断被跃迁到E3，又很快转移到E2，既然E2允许粒子久留，那么从E2到E1的自发辐射跃迁几率就很小，于是粒子就在E2上积聚起来，从而实现E2与E1两能级间的粒子数的反转。该系统能对诱发光子能量h=E2-E1的光进行放大。n3、激光的产生及特点？、激光的产生及特点？n在氙气闪光灯照射下，红宝石中处于基态的Cr3+中的电子受激转变为高能态，造成粒子数反转。n受激高能电子首先衰变为亚稳态，停留10-3s后返回基态并发出光子。在电子运动过程中10-3s一般是很长的时间，因此在亚稳态能级上集聚了不少的电子，当有几个电子自发地从亚稳态返回基态时，带动更多电子以“雪崩”

22、形式返回基态，从而发射出愈来愈多的光子。那些基本平行于红宝石轴向运动的光子，一部分穿过部分镀银端，而一部分被镀银端面反射回来，光波沿红宝石轴向来回传播，强度愈来愈强。这时，从部分镀银端面发射出来的光束就是高度准直的高强度相干波，这种单色激光的波长为694.3nm。n4、激光工质材料的特征值？、激光工质材料的特征值？n材料的吸收光谱；n材料的荧光光谱；n材料的激发光谱；n荧光量子效率；n激发态寿命；n激光阈值；n激光输出效率；n谐振腔的Q值。作业作业5n1、光纤材料的结构及特征值？、光纤材料的结构及特征值？n2、荧光材料与磷光材料的区别？、荧光材料与磷光材料的区别？n3、光致发光、电致发光、阴极射线致发光、光致发光、电致发光、阴极射线致发光和等离子发光机理的区别？和等离子发光机理的区别？n4、用能带结构解释激光工作原理？、用能带结构解释激光工作原理？