稀土精細(xì)化學(xué)品化學(xué) 第七章稀土激光材料

1、第七章 稀土激光材料 激光與普通光比較具有三個(gè)突出的特點(diǎn): 第一方向性好、亮度高; 第二單色性好; 第三相干性好。 這些特性使激光很快就應(yīng)用到工、農(nóng)、醫(yī)和國防等部門。第一節(jié) 激光產(chǎn)生的原理一、光的吸收和發(fā)射 輻射與物質(zhì)的相互作用主要包括受激吸收、自發(fā)發(fā)射和受激發(fā)射。見圖7.1。1.光的吸收和發(fā)射 (1)受激吸收:當(dāng)一個(gè)頻率為21的準(zhǔn)單色光波通過能隙h21的二能級(jí)原子系統(tǒng)時(shí)，若能級(jí)滿足輻射躍遷選擇定則，這時(shí)處于低能級(jí) E1的原子吸收入射光子，然后躍遷到高能級(jí)E2上(圖7.l(a)，這種過程稱為受激吸收。 圖7.1(2)自發(fā)發(fā)射:躍遷到能級(jí)E2的原子是不穩(wěn)定的，它會(huì)自發(fā)地通過輻射一個(gè)能量的光子返回

2、到E1能級(jí)上(圖7.l(b)。 (3)受激發(fā)射:處于高能級(jí)的原子不僅可以自發(fā)發(fā)射;而且可以在入射頻率為21的光子感應(yīng)下受激發(fā)射，躍遷到E1能級(jí)上(圖7.1 (c) ，這種過程稱為受激發(fā)射。 所產(chǎn)生的受激發(fā)射光子與入射光子 有相向的模式。 2.粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 要想使受激輻射占優(yōu)勢(shì)或者說占主導(dǎo)地位，就必須使N2 (能級(jí)E2上的粒子數(shù))大于N1(能級(jí)E1上的粒子數(shù))。如果借助于外界的激勵(lì)，破壞粒子的熱平衡分布，就有可能使N2 N1 由于它與正常分布相反，所以叫粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，見圖7.2。 7.2二、激光產(chǎn)生的原理 稀土固體或液體激光器: 7.3 7.4 在稀土激光材料的兩端裝有兩面對(duì)激光波長具有不同反射

3、率的反射鏡，放在內(nèi)襯銀或鋁等反射材料的聚光器內(nèi)，用脈沖氙燈、氪燈、發(fā)光二極管或激光等作為激發(fā)光源(或稱光泵) ，由光泵發(fā)出的光被稀土激活離子吸收后，使稀土離子從基態(tài)E1激發(fā)至E4上，再無輻射弛豫至亞穩(wěn)態(tài)E3。 當(dāng)從E3以輻射弛豫的方式返回基態(tài)E1 (三能級(jí)系統(tǒng))或返回E2(四能級(jí)系統(tǒng))時(shí)，發(fā)出的光在材料兩端的反射鏡之間來回產(chǎn)生振蕩，當(dāng)增益大于損耗，滿足產(chǎn)生激光的條件時(shí)，就從鏡子反射率低的一端輸出激光。產(chǎn)生激光的必要條件：是在E3上實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 在三能級(jí)系統(tǒng)中，在E1上的粒子必須有50%以上被激發(fā)至E3上才能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)，所以產(chǎn)生激光的閾值(開始產(chǎn)生激光時(shí)所需輸入的能量或功率稱為閾值)比

4、較高。 在四能級(jí)系統(tǒng)中，只要求E2的能量大于kT， 因此，在E2上由于溫度而產(chǎn)生熱反轉(zhuǎn)的粒子數(shù)很小。如果從E3躍遷至E2上的粒子又可以很快地馳豫至E1而不是積累在E2上，則在E2上的粒子數(shù)很少，其時(shí)，相對(duì)于E2 ，在E3上比較容易實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)，所以在四能級(jí)系統(tǒng)中，產(chǎn)生激光的閾值較低。三、激光工質(zhì)材料的特征值 激光工作物質(zhì)是激光器中借以發(fā)射激光的物質(zhì)。它是激光器的核心。1.材料的吸收光譜、熒光光譜和激發(fā)光譜 (1)材料的吸收光譜:是指物質(zhì)在光頻范圍里的吸收系數(shù)按光頻率分布的總體。 材料的吸收光譜直接表征發(fā)光中心與材料的組成、 結(jié)構(gòu)的關(guān)系以及環(huán)境對(duì)它的影響。 (2)材料的熒光光譜:發(fā)光物質(zhì)發(fā)射

5、光子的能量按頻率(或波長) 分布的總體稱為該物質(zhì)的熒光光譜，也稱發(fā)射光譜。 (3)材料的激發(fā)光譜:是指使物質(zhì)產(chǎn)生發(fā)光時(shí)激勵(lì)光按頻率分布的總體。 2.熒光量子效率 熒光量子效率是表征輻射系統(tǒng)功效大小的物理量，也是激光器的重要系數(shù)。熒光量子效率 0定義為發(fā)射熒光的光子數(shù)n2與被激活物質(zhì)從激勵(lì)源吸收的光子數(shù)n1之比，即: 0 = n2 / n1 (7-1) 也可表示為熒光轉(zhuǎn)換效率。 熒光轉(zhuǎn)換效率 E定義為發(fā)射熒光的能量與被激活物質(zhì)從激勵(lì)源吸收的能量之比，即: E =(h21 n2)/ (hp n1) (7一2) 式中: h一普朗克常數(shù); 21一熒光頻率; p一激勵(lì)源的頻率。 將(7-1)代入式(7-

6、2 ) ，化簡后得: E = 0 (21 )/ (p ) 3.激發(fā)態(tài)壽命 粒子在激發(fā)態(tài)上的停留時(shí)間，稱激發(fā)態(tài)壽命，也稱熒光壽命，通常用表示。當(dāng)切斷外界激發(fā)源后，熒光的強(qiáng)度隨時(shí)間呈指數(shù)型衰減: I= I0e -t/式中:I一任意時(shí)刻的熒光強(qiáng)度; I0一t=0時(shí)刻的熒光強(qiáng)度; 一激發(fā)態(tài)壽命; t一時(shí)間當(dāng)t= 時(shí)， I = I0/e ，所以也可理解為輻射熒光強(qiáng)度I衰減至 初始值I0的1/e時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間。 4.激光閾值 激光閾值是指維持激光器內(nèi)激光振蕩不停止的最低條件。 激光閾值常用的表達(dá)式為: R1R2e2aL= 1 (7- 5) 式中: R1,R2一諧振腔兩個(gè)反射鏡的反射率; L一工作物質(zhì)的長度

7、; a一工作物質(zhì)的光放大系數(shù)。 5.激光輸出效率 激光器的輸出特性曲線:以輸入激光器的能量Ein作為橫坐標(biāo),以激光器的輸出的能量Eout為縱坐標(biāo)作圖，得到的曲線為激光器的輸出特性曲線，如圖7.5。 激光器的效率通常有兩種定義:總體效率功 t :指輸出能量或功率Pout與輸入能量或功率Pin之比: t = Eout/Ein或 t = Pout / Pin (7-6) 由于特性曲線不是通過原點(diǎn)的直線，所以 t隨輸出能量的變化而異。 斜率效率 s :是指當(dāng)輸入功率超出閾值很高時(shí)，激光器的輸出特性曲線接近直線的直線斜率，它反映輸出功率隨輸入功率的增長速率。 6.諧振腔的Q值 Q值即為諧振腔的品質(zhì)因數(shù)，

8、由下式表示: Q = 2 n L /(1- R)c 式中:一激光頻率; n一激光工作物質(zhì)的折射率; L一諧振腔的長度; R一半反射鏡的反射率; C一光速。 第二節(jié) 稀土激光材料 激光與稀土激光材料是同時(shí)誕生的。自從1960年在紅寶石中出現(xiàn)激光以來,同年就發(fā)現(xiàn)用摻釤的氟化鈣(CaF2: Sm3+ )可輸出脈沖激光。稀土是激光工作物質(zhì)中很重要的元素，90%的激光材料都與稀土有關(guān)。稀土激光材料可分為固體、液體和氣體三大類，以稀土 固體激光材料的應(yīng)用最廣。 一、稀土固體激光材料 固體激光工作物質(zhì)主要用于固體激光器中，它應(yīng)具備的基本條件是:材料應(yīng)具有合適的光譜特性，激發(fā)態(tài)吸收要小，應(yīng)具有良好的光學(xué)均勻性

9、、穩(wěn)定性和物化性能。 稀土固體激光工作物質(zhì)分為晶體和非晶體兩種。 1.稀土晶體激光材料 絕大部分的激光晶體是含有激活離子的熒光晶體。按照晶體的組成分類，它們又可分為摻雜型激光晶體和自激活的激光晶體兩類， 前者占了現(xiàn)有激光晶體的絕大部分。稀土激光晶體占激光晶體的 90%以上。 (1)摻雜型激光晶體: 摻雜型激光晶體由激活離子和基質(zhì)晶體兩部分組成。 現(xiàn)有的激活離子主要有:Ce3+、Pr3+ 、Nd3+ 、Sm3+ 、Eu3+ 、Tb3+ 、 Dy3+ 、Ho3+ 、Er3+ 、Tm3+ 、Yb3+ 、Sm2+、Dy2+和Tm2+ ，但只用了48 個(gè)f-f躍遷，激光波長的范圍從約0.45-5.15m

10、;近來又實(shí)現(xiàn)了 d一f躍遷的激光輸出，使激光波長的范圍擴(kuò)展至真空紫外(約 6.17m)。 可作為激光晶體的稀土基質(zhì)很多，目前已研究過的基質(zhì)有以下 幾類: (1)氟化物:如CaF2，LaF3等; (2)復(fù)合氟化物:如LiHoF4， K5NdLi2Fl0等; (3)無序的復(fù)合氟化物:如SrF2 - REF3 (RE = La，Ce，Nd，Gd，Er，Lu， Y，SC)等; (4)鹵化物:如LaCI3、PrBr3等; (5)簡單氧化物:如Y2O3，ZrO2Er2O3 等; (6)硫氧化物:如La2O2S，Y2O2S; (7)鈹酸鹽:如La2BeO5等; (8)硼酸鹽: YAl3 (BO3)4， Nd

11、Al3 (BO3)4 等; (9)鈧酸鹽: GdScO3 ， CaSc2O4等; (10)鋁酸鹽:ErAlO3，SrAl12O19等; (11)石榴石: (Er,Yb) 3Al5O12， Y3Sc2Gd3O12等;(12)硅酸鹽: Lu2SiO5 Nd3Ga5SiO12等; (13)鍺酸鹽:Bi4Ge3O12,Sr3Ga2Ge4O14等; (14)磷酸鹽: PrP5O14 ，KNdP4O12等; (15)釩酸鹽: ErVO4 ，Ca3 (VO4) 2等; (16)鈮酸鹽: LiNbO3， LaNbO4等;(17)鎢酸鹽: CaWO4 ,Na0.5Gd0.5 WO4等;(18)鉬酸鹽: Gd2(

12、MoO4)3, K5Bi (MoO4) 4 較好的晶體材料有: Y3Al5O12: Nd3+； Gd3Sc2Ga3O12: Nd 3+,Cr 3+ ； (Gd,Ca)3(Ga,Mg,Zr)5O12: Nd3+,Cr3+ ; YVO4: Nd3+和 YLiF4:Nd 3+ 。 表7.1列出已經(jīng)實(shí)現(xiàn)激光振蕩的稀土晶體材料及其激光性能。 (2)自激活激光晶體自激活激光晶體：當(dāng)激活離子成為基質(zhì)的一種組成時(shí)，形成所謂的自激活晶體。 在一般激光材料中，當(dāng)激活離子的濃度增高時(shí)，由于它們彼此之間的間隔減小而易引起離子對(duì)的相互作用或交叉弛豫，從而發(fā)生濃度猝滅。 但在自激活晶體NdP5O14中,由于激活離子之間被 (PO4)3-等基因所隔離,使激活離子之間的間隔大至50 - 60pm，減少了離子之間的多極相互作用及交換作用,從而減少了濃度猝滅. 2.稀土非晶體激光材料 非晶體基質(zhì)主要是玻璃。盡管在玻璃中激活離子的發(fā)光性能不如在晶體中的好，如熒光譜線較寬等。但因其容易制成光學(xué)質(zhì)量高的大型元件，能夠均勻地?fù)饺敫邼舛鹊募せ铍x子，獲得高的激光效率等，激光玻璃己成為大能量、高功率固體激光器重要的工作物質(zhì)。 在玻璃中可產(chǎn)生激光的稀土激活離子有Nd3+ 、Er3+ 、