第8章激光材料.ppt

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1、第八章第八章 固体激光材料固体激光材料 固体激光器在各种激光器中占主导地位，并且广泛固体激光器在各种激光器中占主导地位，并且广泛应用于国防、工业、医学和科研等领域。固体激光材应用于国防、工业、医学和科研等领域。固体激光材料是发展固体激光器的核心和关键。本章首先讨论固料是发展固体激光器的核心和关键。本章首先讨论固体激光材料的物理基础，然后重点介绍典型的激光警体激光材料的物理基础，然后重点介绍典型的激光警惕和激光玻璃的性能特点、制备和应用。惕和激光玻璃的性能特点、制备和应用。8.1、固体激光材料物理基础、固体激光材料物理基础一、光的受激辐射一、光的受激辐射光和物质共振作用中的受激辐射是激光材料的物

2、理基础。光和物质共振作用中的受激辐射是激光材料的物理基础。1.1.黑体辐射黑体辐射 如果某一物质能够完全吸收任何波长的电磁辐射，则称为如果某一物质能够完全吸收任何波长的电磁辐射，则称为绝对黑体，简称黑体。黑体处于某一温度绝对黑体，简称黑体。黑体处于某一温度T T的热平衡时，它所的热平衡时，它所吸收的辐射能量等于发出的辐射能量，即黑体与辐射场之间吸收的辐射能量等于发出的辐射能量，即黑体与辐射场之间处于能量（热）平衡状态。这种平衡导致黑体（空腔）内具处于能量（热）平衡状态。这种平衡导致黑体（空腔）内具有完全确定的辐射场，这种辐射场称为黑体辐射或平衡辐射。有完全确定的辐射场，这种辐射场称为黑体辐射或

3、平衡辐射。2.受激辐射和自发辐射受激辐射和自发辐射 黑体辐射是辐射场黑体辐射是辐射场 和构成黑体的物质原子相互作用的结和构成黑体的物质原子相互作用的结果。为简化问题，只考虑两个能级果。为简化问题，只考虑两个能级 和和 ，并有，并有 单位体积内处于二能级的原子数分别为单位体积内处于二能级的原子数分别为 和和 ,如图如图8.1所示。所示。hEE122E1E2n1n 爱因斯坦从辐射与原子相互作用的量子理论观点出发提爱因斯坦从辐射与原子相互作用的量子理论观点出发提出：上述相互作用包含三个过程，即原子的自发辐射跃迁、出：上述相互作用包含三个过程，即原子的自发辐射跃迁、受激吸收跃迁和受激辐射跃迁，如图受激

4、吸收跃迁和受激辐射跃迁，如图8.2所示所示。（1）自发辐射自发辐射 处于高能级处于高能级 的一个原子自发想的一个原子自发想 跃迁，并发射跃迁，并发射出一个能量为出一个能量为 的光子，这个过程称为自发跃迁（图的光子，这个过程称为自发跃迁（图8.2(a)8.2(a)）。）。由原子自发跃迁发出的光波称为自发辐射，自发跃迁过程用自发由原子自发跃迁发出的光波称为自发辐射，自发跃迁过程用自发跃迁几率跃迁几率 描述。描述。只决定于原子本身的性质。只决定于原子本身的性质。（2 2）受激吸收受激吸收 处于低能级处于低能级 的一个原子，在频率为的一个原子，在频率为 的辐射场的辐射场作用（激励）下，吸收一个能量为作

5、用（激励）下，吸收一个能量为 的光子并向的光子并向 能级跃迁，这能级跃迁，这个过程称为受激吸收跃迁（图个过程称为受激吸收跃迁（图8.2(b)8.2(b)）。用受激吸收系数）。用受激吸收系数WW1212描描述述,公式公式WW1212不仅与原子的性质有关不仅与原子的性质有关,还与辐射场的还与辐射场的 成正比。成正比。（3 3）受激辐射受激辐射 处于高能级处于高能级 的原子在频率的原子在频率 的辐射场的作用下的辐射场的作用下,跃迁至低能级跃迁至低能级 并发射一个能量为并发射一个能量为 的光子的光子,这个过程称为受激辐这个过程称为受激辐射跃迁射跃迁,它是受激吸收跃迁的反过程（图它是受激吸收跃迁的反过程

6、（图8.2(c)8.2(c)）。受激辐射跃迁）。受激辐射跃迁发出的光波称为受激辐射。受激辐射跃迁几率用发出的光波称为受激辐射。受激辐射跃迁几率用WW1212表示，表示，2E1Eh21A21A1Eh2E112121ndtdnWst2E1Eh212211ndtdnWst221211ndtdnAsp受激辐射的相干性受激辐射的相干性如前所述，自发辐射是原子在不受外界辐射场控制下的自如前所述，自发辐射是原子在不受外界辐射场控制下的自发过程，因此，大量原子的自发辐射场的相位是无规则分布发过程，因此，大量原子的自发辐射场的相位是无规则分布的的受激辐射是在外界辐射场控制下的发光过程，因此受激辐受激辐射是在外界

7、辐射场控制下的发光过程，因此受激辐射光子与入射光子属于同一光子态。射光子与入射光子属于同一光子态。1.光放大条件光放大条件粒子数反转粒子数反转 物质处于热平衡状态时，各能级上的原子数服从玻耳兹物质处于热平衡状态时，各能级上的原子数服从玻耳兹曼统计分布，曼统计分布，令公式中令公式中f1=f2。因。因EE1,所以所以n2n1，便可以实现光放大。，便可以实现光放大。n2n1时，时，称为粒（原）子数反转（也可称为集居数反转），是光的放称为粒（原）子数反转（也可称为集居数反转），是光的放大条件。大条件。二、光放大二、光放大kTEEeffnn)12(1212hEE/)(12.光放大物质的增益光放大物质的增

8、益处于离子数反转状处于离子数反转状态的物质成为激活物质。态的物质成为激活物质。异端激活物质就是一个异端激活物质就是一个噶放大器，放大作用的噶放大器，放大作用的大小通常用增益系数大小通常用增益系数g来来描述。如图描述。如图8.5所示的增所示的增益物质的光放大，设在益物质的光放大，设在光的传播方向上光的传播方向上z处的光处的光强为强为I(z)，则增益系数定，则增益系数定义为义为式中式中g(z)光通过单位光通过单位长度即或物质后光强增长度即或物质后光强增加的百分数。加的百分数。)(1)()(zIdzzdIzg 在光放大的同时，通常还存在着光的损耗，并用损耗在光放大的同时，通常还存在着光的损耗，并用损

9、耗 系数来描述。系数来描述。定义为光通过激活物质单位距离后光强衰减的百分数，表示为定义为光通过激活物质单位距离后光强衰减的百分数，表示为同时考虑增益和损耗，则有同时考虑增益和损耗，则有若有光强为若有光强为I0的微弱光进入一无限放大器，起初，光强的微弱光进入一无限放大器，起初，光强I(z)将按小信号放将按小信号放大规律增大。但随大规律增大。但随I(z)的增加，的增加，g(I)将由于饱和效应而减小，因而将由于饱和效应而减小，因而I(z)的增的增长将逐渐变缓。最后，当长将逐渐变缓。最后，当g(I)=时，时，I(z)达到一个稳定的极限值达到一个稳定的极限值Im。由上述公式可见，由上述公式可见，Im只与

10、放大器本身的参数有关，而与初始光强只与放大器本身的参数有关，而与初始光强I0 无关。无关。无论初始光强无论初始光强I0多么微弱，只要放大器足够长，就能形成确定大小的光多么微弱，只要放大器足够长，就能形成确定大小的光强强Im，这种现象称为自激振荡。，这种现象称为自激振荡。实际上并不需要真正把激活物质（放大器）的长度无限增加，而只要在实际上并不需要真正把激活物质（放大器）的长度无限增加，而只要在具有一定长度的光的放大器两端放置光谐振腔，便可实现自激振荡，如具有一定长度的光的放大器两端放置光谐振腔，便可实现自激振荡，如图图8.6所示。所示。三、光的自动振荡三、光的自动振荡)(1)(zIdzzdIdz

11、zIIgzdI)()()(smIgI0固体激光工作物质是将激活离子掺入基质材料而构固体激光工作物质是将激活离子掺入基质材料而构成的。即或离子是发光中心，他的能级结构决定激光成的。即或离子是发光中心，他的能级结构决定激光光谱特性，而基质材料主要决定物质的物理、化学和光谱特性，而基质材料主要决定物质的物理、化学和机械性能。机械性能。8.2基质与激活离子基质与激活离子为了获得高的输出功率，降低激光运行阈值，要求如下：为了获得高的输出功率，降低激光运行阈值，要求如下：具有高的荧光量子效率具有高的荧光量子效率光学只来年感高，缺陷少，内应力小。在材料中不产身入射光的波面光学只来年感高，缺陷少，内应力小。在

12、材料中不产身入射光的波面畸变和偏振态的变化。畸变和偏振态的变化。在激光工作频率范围透明，当光激励产生色新时，不会引起吸收的显在激光工作频率范围透明，当光激励产生色新时，不会引起吸收的显著增加。著增加。掺入的激活离子具有有效的激励光谱和大的受激发射截面，吸收光谱掺入的激活离子具有有效的激励光谱和大的受激发射截面，吸收光谱与泵浦光的辐射谱有尽可能的重叠。与泵浦光的辐射谱有尽可能的重叠。能掺入较高浓度的激活离子，浓度猝灭效应小，荧光寿命足够长。能掺入较高浓度的激活离子，浓度猝灭效应小，荧光寿命足够长。具有良好的物理、换学和机械性能。具有良好的物理、换学和机械性能。制备工艺简单，加工容易，成本低，并可

13、获得足够大的尺寸。制备工艺简单，加工容易，成本低，并可获得足够大的尺寸。常见固体激光工作物质有红宝石、掺钕钇铝石榴石（常见固体激光工作物质有红宝石、掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）和钕玻璃三）和钕玻璃三种。其中种。其中Nd:YAG是使用化固体激光器件中主要使用的激光工作物质。是使用化固体激光器件中主要使用的激光工作物质。一、对固体激光材料的基本要求一、对固体激光材料的基本要求 基质材料应能为激活离子提供合适的配位物，并具有优良的机械基质材料应能为激活离子提供合适的配位物，并具有优良的机械性能和高的光学质量。常用的基质材料有晶体和玻璃两大类。性能和高的光学质量。常用的基质材料有晶体和玻璃两大类。1

14、.基质晶体基质晶体 在基质晶体中离子呈有序排列，掺杂后，形成掺杂的离子型在基质晶体中离子呈有序排列，掺杂后，形成掺杂的离子型晶体。有序的晶格场对各离子的影响相同，离子谱线为均匀加宽。晶体。有序的晶格场对各离子的影响相同，离子谱线为均匀加宽。基质晶体热导率高、硬度高、荧光谱线较窄，但其光学质量和掺基质晶体热导率高、硬度高、荧光谱线较窄，但其光学质量和掺杂的均匀性通常比基质玻璃差。杂的均匀性通常比基质玻璃差。2.基质玻璃基质玻璃 玻璃中主要元素以共价键结合，形成网络结构，其结构特点是玻璃中主要元素以共价键结合，形成网络结构，其结构特点是近程有序而长程无序，掺入激活离子处于网络之外的空隙中。与近程有

15、序而长程无序，掺入激活离子处于网络之外的空隙中。与晶体基质相比，玻璃基质的主要缺点是热导率低和荧光谱线宽，晶体基质相比，玻璃基质的主要缺点是热导率低和荧光谱线宽，但玻璃基质易制造、成本低，易掺杂、均匀性好，是大功率和高但玻璃基质易制造、成本低，易掺杂、均匀性好，是大功率和高能量激光器中使用的重要基质材料。能量激光器中使用的重要基质材料。二、基质材料二、基质材料 激活离子是发光中心，离子的电子组态中，未激活离子是发光中心，离子的电子组态中，未被填满层的电子处于不同轨道运动和自旋运动状态，被填满层的电子处于不同轨道运动和自旋运动状态，形成一系列能级。激活离子主要包括稀土离子、过形成一系列能级。激活

16、离子主要包括稀土离子、过渡族金属离子和锕系离子。渡族金属离子和锕系离子。三、激活离子三、激活离子 激活离子本身是基质晶体组成部分的激光工作物激活离子本身是基质晶体组成部分的激光工作物质，称为正分高浓度晶体。它可实现高掺杂而无明显质，称为正分高浓度晶体。它可实现高掺杂而无明显的浓度猝灭效应，并且具有高效率和低阈值等优点，的浓度猝灭效应，并且具有高效率和低阈值等优点，因而微型激光器较位理想的工作物质。因而微型激光器较位理想的工作物质。四、正分高浓度激光晶体四、正分高浓度激光晶体 为提高固体激光器的效率，有时采用多掺杂进行敏化。敏为提高固体激光器的效率，有时采用多掺杂进行敏化。敏化是指在晶体中除了发光中心的激活离子外，再掺入一种或化是指在晶体中除了发光中心的激活离子外，再掺入一种或多种敏化剂的施主离子。敏化剂的作用是吸收激活离子不吸多种敏化剂的施主离子。敏化剂的作用是吸收激活离子不吸收的光谱能量，并将吸收的能量转移给激活俩。敏化途径虽收的光谱能量，并将吸收的能量转移给激活俩。敏化途径虽然有效，但双掺或多掺警惕生长困难，制备工艺复杂，成本然有效，但双掺或多掺警惕生长困难，制备工艺复杂，成本高高