光學材料(最新修正版)-精心整理

光學材料OpticalMaterials光是電磁波，其顏色由它們的波長（單位：cm或nm）決定C=光速C等于波長和頻率（單位：s–1）的乘積：——可見光的波長大約在400~700nm之間。光學材料是用來制作光學零件的材料，如玻璃、光學晶體、光學塑料等，包括：光纖材料發(fā)光材料紅外材料激光材料光色材料一、發(fā)光材料發(fā)光是物質(zhì)將某種方式吸收的能量轉(zhuǎn)化為光輻射的過程光子是固體中的電子在受激高能態(tài)返回較低能態(tài)時發(fā)射出來的當發(fā)出光子的能量在1.8~3.1eV時，便是可見光1.概述光輻射有平衡輻射和非平衡輻射兩大類：平衡輻射的性質(zhì)只與輻射體的溫度和發(fā)射本領有關，又稱為熱輻射非平衡輻射是在外界激發(fā)下物體偏離了原來的熱平衡態(tài)，繼而發(fā)出的輻射平衡輻射和非平衡輻射熱輻射與溫度的關系發(fā)光材料的晶格要具有結構缺陷或雜質(zhì)缺陷，材料才具有發(fā)光性能結構缺陷是晶格間的空位等晶格缺陷，由其引起的發(fā)光稱為自激活發(fā)光如果在基質(zhì)材料中有選擇地摻入微量雜質(zhì)在晶格中形成雜質(zhì)缺陷，由其引起的發(fā)光叫激活發(fā)光——摻入的微量雜質(zhì)一般充當發(fā)光中心，稱激活劑。——實際應用的發(fā)光材料大多是激活型發(fā)光材料。發(fā)光材料（非平衡輻射）的晶格發(fā)光材料的化學成分表示形式：MR:AMR為發(fā)光材料的基質(zhì)A為激活劑例如：ZnS:Cu被激發(fā)和去激發(fā)可能的過程價帶與導帶之間價帶與缺陷能級之間缺陷能級與導帶之間兩個不同能量的缺陷能級之間發(fā)光是去激發(fā)的一種方式，晶體中電子的被激發(fā)和去激發(fā)互為逆過程——被激發(fā)和去激發(fā)可能在價帶、導帶和缺陷能級中任意兩個之間進行：材料發(fā)光的基本性質(zhì)發(fā)射光譜是指在一定的激發(fā)條件下發(fā)射光強按波長的分布1）發(fā)射光譜（顏色）寬帶：半寬度100nm，如CaWO4窄帶：半寬度50nm，如Sr2(PO4)Cl:Eu3+線譜：半寬度0.1nm，如GdVO4:Eu3+——材料的發(fā)光光譜可分為下列3種類型：Y2O2S:Tb3+的線狀發(fā)射光譜——這種材料由于同時可發(fā)綠色和藍色光，常被選作黑白電視顯像材料。2）發(fā)光強度發(fā)光強度是隨激發(fā)強度而變的，通常用發(fā)光效率來表征材料的發(fā)光能力發(fā)光效率也同激發(fā)強度有關——激發(fā)強度較大，一般不發(fā)光或發(fā)光很弱的材料也可發(fā)出可覺察的光或較強的光。發(fā)光效率有三種表示方法：量子效率：發(fā)光的量子數(shù)與激發(fā)源輸入的量子數(shù)的比值能量效率：發(fā)光的能量與激發(fā)源輸入能量的比值光度效率：發(fā)光的光度與激發(fā)源輸入能量的比值發(fā)光體在激發(fā)停止之后持續(xù)發(fā)光時間的長短稱為發(fā)光壽命（熒光壽命或余輝時間）一般約定，從激發(fā)停止時的發(fā)光強度I0衰減到I0/10的時間稱為余輝時間發(fā)光最初分為熒光及磷光兩種3）發(fā)光壽命——當時對發(fā)光持續(xù)時間很短的發(fā)光無法測量，才有這種劃分法。固體吸收能量后，激發(fā)態(tài)的壽命極短，一般大約僅10?8s就會自動回到基態(tài)而放出光子——這種發(fā)光現(xiàn)象稱為熒光，撤去激發(fā)源后，熒光立即停止，延遲發(fā)射

<10?8s被激發(fā)的物質(zhì)在切斷激發(fā)源后仍能繼續(xù)發(fā)光，這種發(fā)光現(xiàn)象稱為磷光——延遲發(fā)射>10?8s根據(jù)余輝時間的長短可以把發(fā)光材料分為：超短余輝：<1s短余輝：1~10s中短余輝：10?2~1ms中余輝：1~100ms長余輝：0.1~1s超長余輝：>1s根據(jù)發(fā)光的類型，可把發(fā)光材料分為：光致發(fā)光材料陰極射線發(fā)光材料場致發(fā)光材料發(fā)光二極管X射線發(fā)光材料等離子體發(fā)光發(fā)光材料分類光致發(fā)光是指通過較高能量的光輻射（如紫外光）將材料中的電子激發(fā)到高能態(tài)從而導致發(fā)光2.光致發(fā)光材料——如可用于熒光燈的熒光粉，熒光粉涂在充滿汞的玻璃管內(nèi)側(cè)。早期的熒光粉是MgWO4與(Zn,Be)2SiO4:Mn2+1949年，出現(xiàn)了錳、銻激活的鹵磷酸鈣熒光粉3Ca3(PO4)2·Ca(F,Cl)2:

Mn,Sb（鹵粉）量子效率較高、穩(wěn)定性好、原料易得、價格便宜而且可以通過調(diào)整配方比例獲得冷白、暖白和日光色的輸出——這些突出的優(yōu)點使它一直沿用至今。電子轟擊Hg使其激發(fā)受激Hg放出紫外線紫外線使熒光粉中的Sb3+、Mn2+激發(fā)處于激發(fā)態(tài)的Sb3+和Mn2+返回基態(tài)時發(fā)出光熒光燈發(fā)光原理——二者的光譜范圍都較寬，幾乎遍及整個可見光譜范圍（一種白色光）。發(fā)紅光的熒光粉——Y2O3:Eu3+發(fā)綠光的熒光粉——

MgAl11O19:Ce3+,Tb3+發(fā)藍光的熒光粉——BaMg2Al16O27:Eu2+發(fā)彩色光熒光粉長余輝發(fā)光材料是一種通過環(huán)境光激發(fā)出可見光，而且在激發(fā)停止后仍可繼續(xù)發(fā)光的物質(zhì)長余輝發(fā)光材料常用的傳統(tǒng)長余輝材料主要是硫化鋅和硫化鈣熒光體——簡稱長余輝材料，又稱夜光材料?！L余輝材料不消耗電能，但能把吸收的環(huán)境光儲存起來，在較暗環(huán)境中呈現(xiàn)出明亮可辨的可見光，具有照明功能，可起到指示照明和裝飾照明的作用，是一種“綠色”光源材料。陰極射線發(fā)光是在真空中從陰極出來的電子經(jīng)加速后轟擊熒屏所發(fā)出的光3.陰極射線發(fā)光材料——發(fā)光區(qū)域只局限于電子所轟擊的區(qū)域附近。使用陰極射線發(fā)光材料時應考慮它的亮度及影響亮度的幾個因素還必須考慮另外兩個重要特性：發(fā)光顏色及衰減——如對于必須保證特定顏色的彩色電子束管，一般要犧牲一定的亮度。——飛點掃描管要求發(fā)光的上升及衰減都很快，約＜10?7s，從發(fā)光中心看，Ce2+可滿足這個要求?！猋2SiO3:Ce、Y3A15O12:Ce及它們的混合物的余輝約為10?7~10?8s。——雷達顯示屏要求長余輝，一般采用雙層屏。在電子束轟擊下，電子束激發(fā)第一層材料ZnS:Ag，發(fā)出短余輝的藍光它再激發(fā)第二層材料(Zn,Cd)S:Cu,Al，發(fā)射長余輝的黃光——由于電子的能量在幾千電子伏以上，所以除發(fā)光以外，還產(chǎn)生X射線?！猉射線對人體有害，因而在顯示屏的玻璃中常添加一些重金屬（如Pb），以吸收在電子轟擊下熒光屏所產(chǎn)生的X射線。陰極射線發(fā)光材料半導體材料在外電場作用下，出現(xiàn)發(fā)光的現(xiàn)象稱為場（電）致發(fā)光4.場致發(fā)光材料——場致發(fā)光材料是禁帶寬度比較大的半導體。在這些半導體內(nèi)場致發(fā)光的微觀過程主要是碰撞激發(fā)或離化雜質(zhì)中心它在與金屬電極相接的界面上形成一個勢壘——電子從金屬電極一側(cè)隧穿到半導體的幾率明顯增大，當電壓提高時，幾率進一步增大。電子進入半導體后隨即被半導體內(nèi)的電場加速，動能增加——沿電場方向的整個自由程內(nèi)，能量愈積愈高。當它與發(fā)光中心或基質(zhì)的某個原子發(fā)生碰撞，它就會將一部分能量交給中心或基質(zhì)的電子前者，由于電子沒有離開中心，當它從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時，就發(fā)射出光來后者，由于電子離開了中心，進入導帶而為整個晶格所有，電子與離化中心復合時，就發(fā)出光束——場致發(fā)光材料在交流電壓或直流電壓作用下都可發(fā)光?！顾鼈儽患ぐl(fā)或被離化。直流場致發(fā)光材料本身就是一個可傳導電流的半導體，最常用的直流場致發(fā)光粉末材料有：ZnS:Mn,Cu，亮度約350Cd/m2，發(fā)光效率為0.5lm/W，發(fā)黃光ZnS:Ag可以發(fā)出藍光(ZnCd)S:Ag可以發(fā)出綠光改變配比(ZnCd)S:Ag可以發(fā)出紅光交流場致發(fā)光的效率較高，可達15lm/W，場致發(fā)光的研究和應用都以交流場致發(fā)光為主當前，薄膜場致發(fā)光材料最受人重視，它的機理和粉末材料中的過程一樣，只是它不需要介質(zhì)而且可在高頻電壓下工作，發(fā)光亮度很高，發(fā)光效率也高，而且壽命可達104h以上交流場致發(fā)光材料場致發(fā)光顯示屏發(fā)光二極管（LED）是具有發(fā)光特性的半導體二極管5.發(fā)光二極管施加正向電壓時，通過p-n結分別把n區(qū)電子注入p區(qū)，p區(qū)空穴注入n區(qū)進入對方區(qū)域的少數(shù)載流子一部分與多數(shù)載流子復合而發(fā)光注入的電子或者與價帶空穴直接復合而發(fā)光或者先被發(fā)光中心捕獲后，再與空穴復合發(fā)光——由于復合是在少數(shù)載流子擴散區(qū)內(nèi)發(fā)光的，所以光僅在靠近PN結面數(shù)m以內(nèi)產(chǎn)生。假設發(fā)光是在P區(qū)中發(fā)生除了這種發(fā)光復合外，還有些電子被非發(fā)光中心（這個中心介于導帶、價帶中間附近）捕獲——而后再與空穴復合，每次釋放的能量不大，不能形成可見光?！l(fā)光的復合量相對于非發(fā)光復合量的比例越大，光量子效率越高。發(fā)光在可見光區(qū)，Eg≥1.8eV，≤700nm材料容易作成n型及p型發(fā)光二極管用材料應具有的特性——常用的是同質(zhì)結，也就是在p型及n型材料接觸面兩側(cè)是同一種基質(zhì)。有效率高的發(fā)光中心或復合發(fā)光效率降到初始值一半的時間要大于105h材料要能生長成單晶，并能規(guī)模生產(chǎn)且價廉發(fā)光二極管用主要半導體材料LED和器件已實現(xiàn)紅橙黃綠青藍紫七彩原色的生產(chǎn)和應用，并拓展到近紅外和近紫外范圍——如發(fā)紅光的GaAsP，發(fā)綠光的GaP等。LED的發(fā)光效率也提高上千倍：現(xiàn)使用GaN基材料的二極管，可發(fā)出高亮度的白光——在20mA的電流下，發(fā)光強度達到2Cd，能作為強光源使用。發(fā)光二極管最有前景的用途是照明，具有高效、節(jié)能、環(huán)保、壽命長、易維護等優(yōu)點發(fā)光二極管的應用——以LED為主的半導體照明被譽為是人類照明史上繼白熾燈、熒光燈之后的又一次革命。LED燈帶發(fā)光二極管也可做成指示器和數(shù)字顯示器——用于計算機、廣告、家用電器、車輛、交通信號及類似的儀表的顯示中。LED燈音頻指示器LED電視實際上還是液晶電視，只是將液晶電視中的CCFL背光燈管換成發(fā)光更穩(wěn)定的二極管主要的優(yōu)勢是發(fā)光均勻、色彩更好、節(jié)能環(huán)保、壽命更長RGB-LED有助提升液晶電視的色域，可達105%6.X射線激發(fā)發(fā)光材料X射線發(fā)光材料是由X射線輻射而發(fā)光的材料——如它將X射線透過人體或物體后所形成的X射線潛像轉(zhuǎn)換成可見圖像。X射線發(fā)光材料可使X光轉(zhuǎn)換為可見光并顯示成像——X射線發(fā)光材料在發(fā)光材料中使用較早，而且應用量很大?！猉射線掃描及計算機配合組成斷層分析系統(tǒng)，也就是常說的CT系統(tǒng)。X射線發(fā)光材料——X射線發(fā)光材料的發(fā)光或起源于原子團，或起源于摻雜離子的能級間的電子躍遷。7.等離子體發(fā)光等離子體發(fā)光是用氣體放電方法產(chǎn)生發(fā)光的顯示技術等離子發(fā)光一般用氖氣為基質(zhì)，另外摻一些其他氣體，如氦氣、氫氣等——這類氣體發(fā)光都是橙紅色?，F(xiàn)代顯示技術趨向彩色化，人們求助于光致發(fā)光——即在放電管的近旁涂上了發(fā)光粉。二、紅外材料紅外線同可見光一樣都是電磁波，它的波長范圍很寬，從0.7~1000m近紅外：0.7~15m中紅外：15~50m遠紅外：50~1000m——紅外線按波長可分為三個光譜區(qū)：紅外線同可見光一樣，具有波粒二象性——這個特征對于軍事觀察和測定肉眼看不見的物體具有特殊意義?！袷毓獾姆瓷浜驼凵涠?，在一定條件下產(chǎn)生干涉和衍射現(xiàn)象。在0K以上，一切物體均可產(chǎn)生熱輻射，除熾熱物體外，其他物體電磁波主要位于紅外區(qū)域基爾霍夫定律：1.紅外輻射的三個規(guī)律表明：若物體對某種波長的輻射有很強的吸收能力，則它對這種輻射的發(fā)射能力也很強推論：性能好的反射體或透明體，必然是性能差的輻射體同溫度物體紅外發(fā)射能力正比于其紅外吸收能力紅外平衡狀態(tài)時，物體吸收的紅外能量恒等于它所發(fā)射的紅外能量斯蒂芬-玻耳茲曼定律：物體輻射的紅外能量密度M與其自身的熱力學溫度T的四次方成正比：——可見，物體的溫度越高，紅外輻射能量越多。：黑體的輻射常數(shù)，或稱斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，等于5.6710-8W/m2·K4M：單位面積發(fā)射的能通量（W/m2）維恩位移定律：物體的紅外輻射能量密度大小，隨波長（頻率）不同而變化——與輻射能量密度最大峰值相對應的波長為峰值波長?！S恩通過大量實驗得出了峰值波長和物體熱力學溫度之間的關系：紅外輻射能量密度曲線2.紅外光學材料（透紅外材料）通常把可以透過紅外輻射的介質(zhì)稱為紅外光學材料，一般透過率要求在50%以上——許多對可見光透明的介質(zhì)，對紅外輻射卻是不透明的?！糜谥圃旒t外儀器的部件，如紅外探測器的窗口、紅外儀器光學系統(tǒng)的透鏡和棱鏡等。紅外光學材料主要是晶體一部分玻璃及高分子材料也可作為透紅外材料幾種紅外光學材料的透過率——每種材料都對某些波長范圍的紅外線有較高的透過率。單質(zhì)的鍺、硅可作為紅外光學材料（1）單質(zhì)晶體Si力學性能和抗熱沖擊性比鍺好，溫度影響也小但硅折射率高，使用時需鍍增透膜——以減少反射損失。堿鹵化合物晶體是一類離子晶體，如：LiF、NaF、KCl、NaCl、KBr等，其特點：（2）堿鹵化合物晶體熔點不高，容易生成大單晶具有較高的透過率和較寬的透過波段但容易受潮、硬度低、力學強度差應用范圍受限如CaF2、BaF2、SrF2、MgF2等，其特點：（3）堿土-鹵族化合物晶體具有較高的力學強度和硬度幾乎不溶于水適合制作窗口、濾光片、基板等方面——其中MgF2具有高于90%的紅外透過率，是較為滿意的導彈整流罩透紅外窗口材料。氧化物晶體如藍寶石（Al2O3）、石英（SiO2）、氧化鎂（MgO）和金紅石（TiO2）等（4）氧化物晶體熔點高、硬度大化學穩(wěn)定性好——作為優(yōu)良的紅外材料在火箭、導彈、人造衛(wèi)星、通訊、遙測等使用的紅外裝置中被廣泛地用作窗口和整流罩等。——具有優(yōu)良的物理和化學性質(zhì)：可作為紅外透射光學材料使用的主要有SrTiO3、Ba3Ta4O15、Bi4Ti3O2等（5）無機鹽化合物晶體SrTiO2單晶在紅外裝置中主要作浸沒透鏡使用Ba3Ta4O15單晶是一種耐高溫的近紅外透光材料如溴化鉈（TlBr）、氯化鉈（TlCl）、溴化鉈-碘化鉈（KRS-5）和溴化鉈-氯化鉈（KRS-6）（6）金屬鉈的鹵化合物晶體——這類晶體具有很寬的透過波段且只微溶于水?！允且环N適于在較低溫度下使用的良好的紅外窗口與透鏡材料。在半導體材料中，有些晶體也具有良好的紅外透過特性（7）半導體晶體HgCdTe材料是當前最重要的紅外探測器材料，可覆蓋1~25

m的紅外波段——是目前制備光伏列陣器件、焦平面器件的主要材料。ZnS和ZnSe兩種晶體都具有較寬的紅外透過波段——是作遠紅外導彈整流罩的候選材料。玻璃的光學均勻性好，易于加工成型、便宜；缺點是透過波長較短，使用溫度低于500℃（8）其他紅外光學破璃主要有以下幾種：硅酸鹽玻璃、鋁酸鹽玻璃、鎵酸鹽玻璃、硫化合物玻璃等塑料也可做紅外光學材料，但近紅外性能較差，多用于遠紅外，如聚四氟乙烯、聚丙乙烯等3.紅外材料的用途（1）紅外輻射測量非接觸溫度測量——農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、地面勘察探測焊接缺陷微重力下熱流過程研究紅外云圖（2）對能量輻射物的搜索和跟蹤空空紅外制導導彈干擾彈（3）紅外成像器件主動式紅外成像系統(tǒng)（紅外夜視儀）：自帶紅外光源，利用不同物體對紅外輻射反射率不同成像優(yōu)點：成像清晰、對比度高、不受環(huán)境光源影響缺點：易暴露，不利于軍事應用裝有紅外夜視儀的步槍紅外夜視圖像小圖是可見光圖像，大圖是熱圖像——熱圖像再現(xiàn)了景物各部分溫度和輻射發(fā)射率的差異，能夠顯示出景物的特征。紅外熱成像系統(tǒng)被動式紅外成像系統(tǒng)（紅外熱像儀）：利用物體自然發(fā)射的紅外輻射紅外成像的醫(yī)學應用優(yōu)點：（4）通信和遙控抗干擾性好，也不干擾其他信息不易被人發(fā)現(xiàn)和截獲，保密性好缺點：必須在直視距離內(nèi)通信，傳輸距離短要求通信設備的位置固定點對點的傳輸連接，無法靈活地組成網(wǎng)絡USB接口紅外通訊適配器紅外遙控器三、固體激光材料1.光與原子的相互作用受激吸收：固體吸收一個光子的過程，固體中粒子的能級由E1躍遷到E2自發(fā)輻射：處于高能態(tài)的原子不穩(wěn)定，在無外界作用下，激發(fā)態(tài)原子會自發(fā)地向低能態(tài)躍遷——并發(fā)射一個光子，光子的能量為：——1917年Einstein提出，光與物質(zhì)的相互作用包括受激吸收、自發(fā)輻射、受激輻射3種躍遷過程。h

=E2?E1受激輻射：處于高能態(tài)的原子，受到一個具有能量等于兩能級間差值（h

=E2?E1）的外來光子的作用時從高能級跳到低能級，并發(fā)出與外來光子性質(zhì)完全相同的另一光子——從而實現(xiàn)一個光子變兩個光子的光放大過程?！芗ぽ椛浒l(fā)出的光子的顯著特點是它與誘發(fā)光子完全相同，不僅頻率（能量）相同，而且發(fā)射方向、偏振方向以及相位都完全一樣。受激輻射中，一個入射光子作用的結果得到兩個狀態(tài)全同的光子這兩個光子再引起其他原子產(chǎn)生受激輻射這樣繼續(xù)下去，就能得到大量的特征相同的光子，從而實現(xiàn)光放大——可見，在連續(xù)誘發(fā)的受激輻射中，各原子發(fā)出的光頻率、相位、偏振態(tài)和傳播方向都相同?！虼诉@樣的受激輻射的光是相干光。2.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)統(tǒng)計物理理論指出，在通常的熱平衡狀態(tài)下，原子在各能級上的分布服從玻爾茲曼分布定律因此，處于E1和E2的原子數(shù)之比為：室溫T=300K，設E2?E1=1eV，得N2/N110?40——即在溫度T時，原子處于能級Ei的數(shù)目為：說明在正常狀態(tài)下，處于高能態(tài)的原子數(shù)遠小于處于低能態(tài)的原子數(shù)，這種分布稱為正常分布——光通過正常分布的物質(zhì)時，受激吸收過程較受激輻射過程占優(yōu)勢，不可能實現(xiàn)光放大。要使受激輻射勝過受激吸收而占優(yōu)勢，必須使處在高能態(tài)的原子數(shù)大于低能態(tài)的原子數(shù)——這種分布與正常分布相反，稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)?！獙崿F(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是產(chǎn)生激光的必要條件。用一個光子去激發(fā)位于高能級的電子或離子，使之放出光子，則受激發(fā)射產(chǎn)生的光就是激光如果使材料中多數(shù)能發(fā)生受激輻射的原子或離子都處于激發(fā)狀態(tài)再用外界光感應，使所有處于激發(fā)狀態(tài)的原子和離子幾乎同時受激發(fā)射而回到低能態(tài)這將發(fā)出強大的光束3.激光的特點——因而激光具有強大的能量密度。激光較普通光具有如下突出特點：單色性相干性極好方向性極好亮度極高4.

激光器工作原理抽運過程：在外界能源（電源或光源等）的激勵下，使基態(tài)上的粒子躍遷到激發(fā)態(tài)的過程粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：當亞穩(wěn)態(tài)上的粒子數(shù)多于基態(tài)上的粒子數(shù)時，實現(xiàn)了粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)受激輻射：當由于某種原因使粒子從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時，頻率為

=(E2?E1/h)的光就被放大——激光產(chǎn)生。三能級系統(tǒng)——亞穩(wěn)態(tài)能級更好地為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)創(chuàng)造條件。原子中可能存在這樣一些能級，一旦電子被激發(fā)到這種能級上，由于不滿足躍遷的選擇規(guī)則，使它在這種能級上的壽命很長，不易發(fā)生自發(fā)躍遷到低能級上，這種高能態(tài)能級稱為亞穩(wěn)態(tài)能級根據(jù)愛因斯坦的受激輻射理論，處在亞穩(wěn)態(tài)能級的電子在外來光子的誘發(fā)和刺激下可以使其迅速躍遷到低能級，并放出光子亞穩(wěn)態(tài)能級和受激輻射激光器的組成——三要素工作物質(zhì)：又稱激光晶體，由基質(zhì)晶體與激活離子組成泵浦：激勵能源，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)光學諧振腔：兩個高度平行的鍍銀面之間形成的空間——激活離子的作用在于提供亞穩(wěn)態(tài)能級。在實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)內(nèi)，初始誘發(fā)工作物質(zhì)原子發(fā)生受激輻射的光子來源于自發(fā)輻射而原子的自發(fā)輻射是隨機的，因而在這樣的光子激勵下發(fā)生的受激輻射也是隨機的——所輻射的光的相位、偏振態(tài)、頻率和傳播方向都互不相關，也是隨機的。光學諧振腔光學諧振腔（兩個高度平行的鍍銀面之間形成的空間）工作物質(zhì)：紅寶石——-Al2O3（含0.05%Cr3+），Cr3+離子提供產(chǎn)生激光所必要的電子能態(tài)。將紅寶石制成柱狀，兩端為高度拋光互相平行的平面一個端面部分鍍銀，能部分透光；另一端面充分鍍銀，使之對光波有完全反射作用在激光管內(nèi)，用氙氣閃光燈輻照紅寶石紅寶石激光器的組成5.紅寶石激光器（三能級系統(tǒng)）——紅寶石是世界上第一臺固體激光器的工作物質(zhì)。外部激勵：用氙氣閃光燈（波長560nm）照射紅寶石，其中Cr3+離子中的電子受激轉(zhuǎn)變?yōu)楦吣軕B(tài)——實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。許多電子返回基態(tài)時先在亞穩(wěn)態(tài)（中間能級）停留較長時間當少數(shù)電子自發(fā)地從亞穩(wěn)態(tài)返回基態(tài)時，帶動更多電子以“雪崩”形式返回基態(tài)——從而發(fā)射出愈來愈多的同頻光子。激光產(chǎn)生過程通過反射作用得到高度準直的相干波——激光平行于紅寶石軸運動的光子部分透過半反射鏡，部分被半反射鏡反射回來光波沿紅寶石軸向來回傳播，強度越來越強——從半反射鏡出來的是高度準直的高強度相干波，波長694.3nm，單色光。6.激光材料生產(chǎn)激光系統(tǒng)最重要的是激光工作物質(zhì)，可分為：固體、液體和氣體激光工作物質(zhì)——固體激光器是最重要的一種，它不但激活離子密度大，振蕩頻帶寬并能產(chǎn)生譜線窄的光脈沖，而且具有良好的機械性能和穩(wěn)定的化學性能。（1）晶體激光材料——按照組成分類，激光晶體又可分為：摻雜型激光晶體：摻雜型激光晶體由激活離子和基質(zhì)晶體兩部分組成自激活激光晶體——絕大部分激光晶體是含有激活離子的熒光晶體。——現(xiàn)有的激活離子主要有四類：1）激活離子——常用的是前兩類，如下表所示。過渡族金屬離子三價稀土離子二價稀土離子錒系離子離子Ti4+V2+Cr3+Mn2+Fe3+Co2+Ni2+Cu2+3d殼層電子數(shù)133567810離子半徑/nm0.0670.0790.0620.0650.0640.0650.0690.096離子Pr3+Nd3+Sm4+Eu3+Dy4+Ho3+Er3+Tm4+Yb3+4f殼層電子數(shù)2356910111213離子半徑/nm0.1140.1120.1090.1070.1030.1020.1000.0990.098金屬激活離子三類：氧化物、含氧金屬酸化物和氟化物2）基質(zhì)晶體氟化物和復合氟化物晶體：如CaF2、BaF2、MgF2、SrF2、MnF2、ZnF2等早期研究的激光晶體材料氟化物熔點較氧化物晶體要低，晶體生長相對而言較容易它們大多需在低溫下工作，因而現(xiàn)在較少應用含氧金屬酸化物晶體：如CaWO4、SrWO4、CaMoO4、SrMoO4、LiNbO3等晶體這類材料是較早研究的激光晶體材料之一均以三價稀土離子為激活離子摻雜時需要考慮電荷補償問題通常熔點高、硬度大物理化學性能穩(wěn)定摻入三價激活離子不需要電荷補償研制最多、應用最廣氧化物和復合氧化物晶體：如Al2O3,Y2O3,La2O3,Gd2O3；Y3Al5O12(YAG),Gd3Al5O12(GAG),Ho3Al5O12(HAG),Y3Ga5O12(YGG)紅寶石激光晶體Nd:YAG激光晶體棒——Al2O3、Y3Al5O12（YAG，釔鋁石榴石）等氧化物晶體已獲得較為廣泛的應用。（2）激光玻璃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、受激發(fā)射截面較低等激光玻璃儲能大，基質(zhì)玻璃的性質(zhì)可按要求在很大范圍內(nèi)變化，而且制造工藝成熟、價格便宜——因而，激光玻璃在高功率激光系統(tǒng)、纖維激光器以及其他重復頻率不高的中小激光器中得到廣泛的應用。由于基質(zhì)玻璃配位場的作用，使極大部分3d過渡金屬離子在玻璃中實現(xiàn)激光的可能性較少而稀土離子由于5s和5p外層電子對4f電子的屏蔽作用，使它在玻璃中仍保持與自由離子相似的光譜特性，容易獲得較窄的熒光1）激活離子——因此，激光玻璃中激活離子是以Nd3+離子為代表的三價稀土離子。2）基質(zhì)玻璃硅酸鹽激光玻璃：Nd3+離子在硅酸鹽玻璃中發(fā)光量子效率高，熒光壽命較長硅酸鹽玻璃化學穩(wěn)定性好機械和熱機械性能優(yōu)越，制造工藝成熟——這些特點使摻釹硅酸鹽玻璃成為最早的并適于工業(yè)生產(chǎn)的激光玻璃。磷酸鹽激光玻璃：摻釹磷酸鹽玻璃具有受激發(fā)射截面大、發(fā)光量子效率高和非線性折射率低等優(yōu)點通過調(diào)整玻璃組成還可獲得折射率溫度系數(shù)為負值、熱光穩(wěn)定的玻璃——典型的體系有BaO-Al2O3-P2O5和K2O-BaO-P2O5等，它們已用于高功率激光系統(tǒng)中。氮化物激光玻璃：氮化物玻璃具有較強的離子鍵性，基質(zhì)對激活離子的作用較小發(fā)光量子效率高激活離子的發(fā)光特性與離子晶體較接近氟化物激光玻璃：氟鈹酸鹽玻璃光學性能十分優(yōu)異，但其劇毒，這給氟鈹酸鹽的玻璃制備和加工帶來很大的因難氟鋯酸鹽玻璃是一種超低損耗紅外光纖材料，在中紅外區(qū)具有高的透過率近年來，氟鋯酸鹽玻璃作為纖維激光器工作物質(zhì)得到了很大的發(fā)展Nd3+、Er3+、Tm3+、Ho3+等稀土離子在氟鋯酸鹽玻璃光纖中都獲得了激光輸出在某些波段還可實現(xiàn)可調(diào)諧激光輸出（3）半導體激光材料受激輻射的激發(fā)方式主要有三