页数：69页文件大小：1.31 MB来源： 功能材料及其应用ppt课件
本课件从受激吸收、受激发射与自发跃迁出发说明粒子数反转与光放大条件，介绍二、三、四能级系统，进而展开红宝石、钕玻璃与 YAG 等固体激光材料及典型激光器的激励方式。
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。
激光的出现又极大的促进了光学材料的发展，到目前为止，就各种激光器而言，就已经产生了数百种新型激光工作物质，如各种激活晶体和玻璃，半导体、有机液体及气体等。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。
激光调频材料和激光偏转材料将在后两章中介绍。本章在讨论激光的基本原理的基础上，主要介绍激光工质材料，略提一下激光调Q材料。
一、光的吸收和发射1.玻耳兹曼统计分布根据统计力学原理，大量相同粒子(原子、离子、分子)集合处于热平衡温度下，粒子数按能级的分布服从玻耳兹曼分布定律，即
一、光的吸收和发射1.玻耳兹曼统计分布如果能级El和E2分别是简并的，即分别包含gl和g2个状态，则有
一、光的吸收和发射1.玻耳兹曼统计分布室温下(T=300K)热振动能量对应的能级跃迁频率υ≈6×1012Hz，相应的波长λ≈50μm。任何对应跃迁频率处于近红外和可见光波段的两能级上的粒子数之比远小于1。
例如，对λ=0.69μm，N2/N1≈10-32。可见热平衡条件下绝大部分粒子处于基态。也就是说，处于低能级上的粒子数在热平衡情况下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。
一、光的吸收和发射2.光的吸收和发射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。见图10-1所示。
一、光的吸收和发射2.光的吸收和发射(1)受激吸收：当一个频率为υ21的准单色光波通过能隙hυ21的二能级原子系数时，若能级满足辐射跃迁选择定则，这时处于低能级El的原子吸收入射光子，然后跃迁到高能级E2上(图10－1(a))。
这种过程称为受激吸收。由此造成的粒子数变化速度与入射的单色光能量密度ρ(υ21)和能级E1上粒子数N1成正比，即
一、光的吸收和发射2.光的吸收和发射(1)受激吸收
一、光的吸收和发射2.光的吸收和发射(2)自发发射：跃迁到能级E2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10-1(b))。跃迁到E1能级的粒子数速率为
一、光的吸收和发射2.光的吸收和发射(2)自发发射：原子系统中各个原子的自发发射是各自独立进行的，彼此无关。所以它们发射的光子的传播方向和偏振方向可以各不相同，也就是属于不同的模，它们之间是不相干的。
一、光的吸收和发射2.光的吸收和发射(3)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υ21的光子感应下受激发射，跃迁到El能级上(图10-1(c))。这种过程称为受激发射。所产生的受激发射光子与入射光子有相同的模式。
由受激发射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ρ(υ21)和E2能级上粒子数N2的关系为
一、光的吸收和发射2.光的吸收和发射(3)受激发射
一、光的吸收和发射3.粒子数反转要想使受激辐射占优势或者说占主导地位，就必须使N2＞N1。如果借助于外界的激励，破坏粒子的热平衡分布，就有可能使高能级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10-2所示。
一、光的吸收和发射3.粒子数反转
一、光的吸收和发射3.粒子数反转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(He-Ne、C02、红宝石等),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。
二、激光的产生1.激光器的构成激光器通常由工作物质、激励源和谐振腔三部分构成：(1)工作物质：工作物质是激光器中借以发射激光的物质，它是激光器的核心。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。氦氖激光器的工作物质是氖气，6328A激光是由3S2能级到2P4能级的跃迁发射的。
二、激光的产生1.激光器的构成(2)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。
二、激光的产生1.激光器的构成(2)激励源：§10.1激光的基本原理红宝石激光器中的激励源是脉冲氙灯。图10-3为红宝石激光器的基本结构。电源对电容充电充到一定电压时，在氙灯上加上触发激光发讯号，电容器通过氙灯放电。
氙灯发出的强烈闪光被用以激发红宝石中的铬离子。
二、激光的产生1.激光器的构成(3)谐振腔：激光器两端各有一反射镜，构成一谐振腔。一般其中一块为全反射，即反射率R=1。另一块为R＜1的部分反射镜，激光从这一端输出。
二、激光的产生2.三能级系统和四能级系统(1)三能级系统
二、激光的产生2.三能级系统和四能级系统(1)三能级系统：在图中所示的三个能级E1、E2、E3中，E2是亚稳态能级。外界激发作用，使得粒子从El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1O－3s，允许粒子久留。
二、激光的产生2.三能级系统和四能级系统(1)三能级系统：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El两能级间的粒子数的反转。
这个系统便能对诱发光子能量hυ=E2一E1的光进行光放大。
二、激光的产生2.三能级系统和四能级系统(1)三能级系统：图10－4(b)是与激光有关的真实Cr3+离子能级图，它是基于三能级系统工作的。图中纵坐标能量E的单位(cm-1)是光谱学中的一种习惯表示法。图中箭头表示跃迁的始和终。
二、激光的产生2.三能级系统和四能级系统(2)四能级系统：在三能级系统中，El是最低能级或基态能级，在热平衡时，它上面的粒子数很多，必须用很强的光泵才能将粒子激发到E3上去，以实现E2和E1间的粒子数反转。
E2和E1分别是产生受激辐射的高能级和低能级。这样对光激励源要求很高。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认为经常是空的。另外它也不是系统中的基态能级，所以容易实现粒子数反转。
二、激光的产生2.三能级系统和四能级系统(2)四能级系统：§10.1激光的基本原理图10-5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。
二、激光的产生2.三能级系统和四能级系统(2)四能级系统：这样在热平衡状态下就可以认为E2几乎是空的。
只要选择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，并积聚起来，在E3和E2间就很容易形成粒子数反转而产生受激辐射。钕玻璃和掺钕钇铝石榴石，大多数气体激光工作物质都属于四能级系统。
二、激光的产生3.激光的产生及特点简单地说，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，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，这就是泵浦过程。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。
前面讲过，一台激光器通常由激光工作物质、激励源和谐振腔三部分组成。其中激光工作物质是激光器的核心，是激光器中借以发射激光的物质。对工作物质的要求是，它有一对有利于产生激光的能级。
这对能级中的上能级有足够长的寿命，也就是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，于是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。
一、激光工质材料的特征值1.材料的吸收光谱吸收光谱是指物质在光频范围里的吸收系数按光频率分布的总体。材料的吸收光谱直接表征发光中心与材料的组成、结构的关系，以及环境对它的影响。
一、激光工质材料的特征值1.材料的吸收光谱§10.2激光材料图10－6为红宝石的吸收光谱。图中显示红宝石有两个很强的吸收带，中心波长分别为4000Å(1Å=0.1nm)和5500Å,相应于粒子从基态4A2到高能级4F1和4F2的跃迁。
一、激光工质材料的特征值2.材料的荧光光谱发光物质发射光子的能量按频率(或波长)分布的总体称为该物质的荧光光谱，也称发射光谱。
一、激光工质材料的特征值3.材料的激发光谱激发光谱是指使物质产生发光时激励光按频率分布的总体。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10-8是YAG晶体中对Nd3＋1.06μm荧光的激发光谱。
一、激光工质材料的特征值4.荧光量子效率也可表示为荧光转换效率，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η0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nl之比，即:η0=n1/n2
一、激光工质材料的特征值4.荧光量子效率荧光能量转换效率ηE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
一、激光工质材料的特征值4.荧光量子效率化简后得:§10.2激光材料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因素。
常用的三种固体工作物质的量子效率分别为：红宝石η0=0.7，钕玻璃η0=0.4，YAG:Nd3+η0≈1。
一、激光工质材料的特征值5.激发态寿命荧光强度随时间衰减规律中的特征参量，通常用τ表征。
当切断外界激发源后，荧光的强度随时间呈指数型衰减：I=I0e-t/τI－任意时刻的荧光强度；Io―t=O时刻的荧光强度；Τ－粒子在激发态上的停留时间，称激发态寿命，也称荧光寿命。
当t=τ时，I=I0/e，所以τ也可理解为辐射荧光强度I衰减至初始值Io的1/e时所经历的的时间。
一、激光工质材料的特征值6.激光阈值维持激发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：R1R2e2αL=1式中R1、R2－－谐振腔两个反射镜的反射率；L－－工作物质的长度；α－－工作物质的光放大系数。
一、激光工质材料的特征值7.激光输出效率激光系统工作效率的重要标志。以输入激光器的能量Ein作为横坐标，以激光器输出的能量Eout为纵坐标，作出激光器的输出特性曲线(如图10-9)。
一、激光工质材料的特征值7.激光输出效率激光器的效率通常有两种定义，一种叫总体效率ηt，又称绝对效率，ηt是指输出能量或功率Pout与输入能量或功率Pin之比：ηt=Eout/Ein或ηt=Pout/Pin由于特性曲线不是通过原点的直线，所以ηt随输出能量的变化而异；另一种叫斜率效率ηs，ηs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，它反映输出功率随输入功率的增长速率。
一、激光工质材料的特征值8.谐振腔的Q值Q值即为谐振腔的品质因数，由下式表示
二、激光工质材料的种类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。
(一)固体激光工作物质固体激光工作物质主要用于固体激光器中，它应具备的基本条件是：材料应具有合适的光谱特性；激发态吸收要小；应具有良好的光学均匀性和稳定性；应具有良好的物化性能。固体激光工作物质由激活离子和基质两部分构成。
二、激光工质材料的种类(一)固体激光工作物质现有的激活离子主要有四类:一类是过渡金属离子。它们的3d电子无外层电子屏蔽，在晶体中受到周围晶体场的直接作用。因此，在不同晶体中，其光谱特性有很大的不同。
这类离子包括Ti3+、V2+、Cr3+、Co2+、Ni2+和Cu+。
二、激光工质材料的种类(一)固体激光工作物质二类是三价稀土离子。它们的4f电子受5s和5p电子的屏蔽，受周围晶体场影响较弱。为了提高效率，须提高掺杂浓度或采用敏化技术。
这类离子最常用的为Nd3+，还有Pr3+、Sm3+、Eu3+、Dy3+、Ho3+、Er3+、Tm3+和Yb3+。
二、激光工质材料的种类(一)固体激光工作物质三类是二价稀土离子。它们的4f电子比三价稀土离子多一个，使5d态能量降低，4f～5d跃迁的吸收带处于可见光区，有利于泵浦光的吸收。但这类离子不稳定。四类是锕系离子。
锕系离子中，U3+离子已能激活基质而产生激光，但其大多数是放射性元素，不易制备，使用不方便，要实用比较困难。
二、激光工质材料的种类(一)固体激光工作物质晶体基质常用以上一、二两类离子，而非晶体基质因其配位场作用，过渡金属离子不易激活，只能用Nd3+为代表的三价稀土离子。固体激光工作材料的基质包括晶体基质和非晶体(玻璃)基质两类。
在晶体基质中，激活离子处于长程有序的点阵结构中，激活离子周围的场基本相同，因此，在晶格场作用下产生的能级分裂和位移也基本相同。处在晶体基质中，离子谱线的加宽主要属洛伦兹线型的均匀加宽，其典型荧光线宽约几厘米–1。
二、激光工质材料的种类(一)固体激光工作物质因此，晶体激光器振荡阈值较低，易于连续运转。
在非晶体基质中，离子处于长程无序的网络结构中，不同离子受到周围配位场的作用不同，因而产生的能级分裂和位移也不同，离子的谱线是一系列中心频率略有不同的谱线叠加，谱线加宽主要是高斯型非均匀加宽，其线宽约几十到几百厘米-1。
因此，非晶体激光器的光泵利用率高，储能较大，且易制备大尺寸元件，所产生功率较大。以下介绍这两类基质。
二、激光工质材料的种类(一)固体激光工作物质1.晶体基质晶体基质可分为掺杂型、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。
色心型晶体是由束缚在基质格点缺位周围的电子或其他离子与晶格相互作用形成发光中心。
二、激光工质材料的种类(一)固体激光工作物质1.晶体基质(1)掺杂型晶体基质。按其化学组成，主要有以下三类：一类是氧化物。
包括元素周期表中第三类元素的氧化物，以第Ⅳ、Ⅴ和第Ⅵ类元素的氧化物为基质的物质，以及其他氧化物，如Si02、ZnO、MgO等。
二、激光工质材料的种类(一)固体激光工作物质1.晶体基质(1)掺杂型晶体基质。二类是非氧化物非氧化物晶体主要指一些金属氟化物(LaF3、HoF3、CaF2、SrF2、MgF2、BaF2)作为基质，另加有激活元素的材料。
激活元素有铀离子U3+，稀土元素Sm2＋、Dy2+、Tm2+和某些其他元素Nd3+、Ni2+、C02+等。CaF2、SrF2、MgF2和BaF2皆具有像萤石那样的立方形晶体结构。
二、激光工质材料的种类(一)固体激光工作物质1.晶体基质(1)掺杂型晶体基质。
三类是其他晶体这类材料包括氟氧或硫氧阴离子的化合物[Ca5(P04)3F:Nd3+、H03+、La202S:Nd3+]、氯化物(LaCl3:Pr3+、PrCl3:Pr3+)和溴化物(PrBr3:Pr3+)晶体。
二、激光工质材料的种类(一)固体激光工作物质1.晶体基质(2)自激活晶体基质。1973年Danielmeyer等人发现了NPP(NdP5014)晶体，钕离子是这种晶体的一种组成，且其含钕量高出掺钕的YAG30倍，而荧光寿命达120μs。
这类晶体中钕离子浓度高达1021cm-3,且荧光寿命未见明显下降。
二、激光工质材料的种类(一)固体激光工作物质2.非晶体基质主要是玻璃，因其容易制成光学质量高的大型元件，能够均匀地掺入高浓度的激活离子，获得高的激光效率等，激光玻璃已成为大能量、高功率固体激光器最重要的工作物质。
在玻璃基质中，激活离子除三价钕外几乎所有的稀土离子都先后实现了激光振荡，其中掺钕的激光玻璃性能最好。掺钕激光基质玻璃有硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、氟化物玻璃、氟磷玻璃等多种。
固体激光工质材料的主要缺点是器件不能做得太大，连续工作有一定的困难。
二、激光工质材料的种类(二)气体激光工作物质气体激光工作物质有原子、离子和分子气体三大类，品种很多，包括各种惰性气体原子、金属蒸气、各种双原子和多原子气体、气体离子等，如氦氖、氩离子、氪离子、二氧化碳、一氧化碳、N2、O2、氰化物气体、氦镉、氦硒、氦碘、氦铕、各种准分子等。
二、激光工质材料的种类(二)气体激光工作物质以气体作为工作物质的激光器称为气体激光器。它是目前品种最多、应用很广泛的一类激光器，单色性和相干性都比较好，能长时间较稳定地工作，大都能连续工作。
气体激光器主要缺点是同样的输出功率，气体激光器的体积比固体激光器的大得多。
二、激光工质材料的种类(三)液体激光工作物质与固体工作物质相比，液体工作物质具有许多优点。液体可在很大的体积内做到完全均匀，从而可以提高激光辐射的能量。如果让液体在容器内循环流动，就能够改善激光器的散热特性。
液体具有固定不变的光学性能，并且是各向同性的。工作过的液体很容易用新鲜液体进行替换，而且价格便宜。
二、激光工质材料的种类(三)液体激光工作物质液体激光器最重要的特点是激光辐射的频率可以在比较宽的波长范围内连续可调。液体激光工质材料可以分成三类；含有稀土元素的二元酮有机溶液；有机染料溶液；稀土元素的无机化合物溶液。
有机染料溶液作为激活介质的激光器效率最高。常用的有机染料有若丹明、荧光素、花青类、香豆素等。
二、激光工质材料的种类(四)半导体激光工作物质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。由于热能的作用在本征半导体中形成的电子-空穴对或在杂质半导体内形成的电子(空穴)的浓度是均匀分布的。
在半导体中应当建立起大量处于不平衡状态的电子(空穴)。常利用光照、高速电子轰击、p-n结注入载流子以及强电场作用下的轰击电离等方式，可以形成电子(空穴)的不均匀分布。
二、激光工质材料的种类(四)半导体激光工作物质
二、激光工质材料的种类(四)半导体激光工作物质其中最常用的是注入式激光器，它的主要优点是可直接把电能转变为光能，可通过改变泵浦电流的方法实现对激光辐射的调制等。
半导体激光工作物质有几十种，如GaAs、GaP、InP、CdS、GaSb、PbS、InSb、PbTe、PbSe、以及异质结半导体材料GaAs-GaxAl1-xAs、GaAs-GdAsxP1-x等。
二、激光工质材料的种类(四)半导体激光工作物质半导体激光器的优点是体积小、重量轻、寿命长、结构简单等，特别适于飞机、军舰、车辆和宇宙飞船上使用。这种激光器的最大缺点是激光性能受温度影响大。
三、激光工质材料应用及发展方向激光工质材料主要用于激光器中，它是激光器的核心。随着激光技术的发展，激光器的应用范围不断扩大，有的已经走出实验室，成为常规仪器，为生产、科研和日常生活服务。
人们比较熟悉的应用实例有：激光束加工、激光束切割、激光手术、激光化学、激光核聚变和分离同位素、激光通讯、激光雷达、激光武器等等。将来激光材料的研究方向就是激光器的发展方向。
四、激光调Q材料激光调Q技术又称Q开关，其原理是通过某种方法按规定程序改变腔的Q值，从而获得单个的巨脉冲，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Q材料。激光调Q技术分转镜调Q、电光调Q、声光调Q和染料调Q四种。
转镜调Q采用高速旋转反射镜来实现，不用别的材料。电光调Q是利用晶体的电光效应来实现，常用晶体为KD*P和铌酸锂等(详见§12.1)。
四、激光调Q材料声光调Q是利用声光材料来实现的，有关声光材料详见§12.3。染料调Q的原理是开始发射的激光很小，染料强烈吸收，因此Q值低，激光介质高能级粒子数迅速积累。
随着腔内光强增加到某值时，染料吸收饱和，对该波长光变透明，称为染料漂白，Q值突变，激光器输出一个强脉冲，由于漂白和吸收是可逆的，故可重复进行。
调Q用染料不多，且对波长选择性很强，主要有甲川类兰色素染料、碳花青染料、隐花青染料、钒钛花青染料和镍硫络合物染料。
四、激光调Q材料其中双(4-二甲氨基苯-苯乙二硫酮)-镍(BDN)是用于1.06μm激光的较理想的染料。它的突出优点是体积小，质量轻，结构紧凑，无电磁干扰，开关无需电源和控制线路以及价格便宜。
第十章激光材料
第十章激光材料
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