固體激光材料

章固體激光材料

8.1固體激光材料物理基礎(chǔ)8.2基質(zhì)與激活離子8.3激光晶體8.4激光玻璃2021/6/271激光激光英文單詞為：Laser,它是英文LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation的縮寫,意思是受激輻射的光放大。2021/6/2721、三種躍遷

受激吸收概率：為愛因斯坦吸收系數(shù),只與粒子本身的性質(zhì)有關(guān)。為輻射場(chǎng)能量密度

為E1能級(jí)上的原子數(shù)密度,(1)受激吸收處于低能級(jí)態(tài)的原子在一定條件下的輻射場(chǎng)作用下，吸收一個(gè)光子，躍遷到高能級(jí)態(tài)。8.1固體激光材料的物理基礎(chǔ)2021/6/273(2)自發(fā)輻射

光子能量：自發(fā)躍遷概率：處于高能級(jí)態(tài)的原子自發(fā)躍遷到低能級(jí)態(tài)，并同時(shí)向外輻射出一個(gè)光子（自發(fā)輻射只與原子本身性質(zhì)有關(guān)，與輻射場(chǎng)的無關(guān)）。2021/6/274(3)受激輻射受激輻射的概率：稱為愛因斯坦受激發(fā)射系數(shù)。處于高能級(jí)態(tài)的原子在一定條件下的輻射場(chǎng)作用下，躍遷到低能級(jí)態(tài)，并同時(shí)輻射出一個(gè)與入射光子完全一樣的光子。受激輻射與自發(fā)輻射的重要區(qū)別在于其相干性。2021/6/2752.自發(fā)輻射與受激輻射的區(qū)別原子的自發(fā)輻射過程完全是一種隨機(jī)過程，各發(fā)光原子的發(fā)光過程各自獨(dú)立，互不關(guān)聯(lián)，即所輻射的光在發(fā)射方向上是無規(guī)則的射向四面八方，另外位相、偏振狀態(tài)也各不相同。由于激發(fā)能級(jí)有一個(gè)寬度，所以發(fā)射光的頻率也不是單一的，而有一個(gè)范圍。受激輻射時(shí),原子可發(fā)出與誘發(fā)光子全同的光子，不僅頻率（能量）相同，而且發(fā)射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一樣。2021/6/276必要條件：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布和減少振蕩模式充分條件：起振和穩(wěn)定振蕩（形成穩(wěn)定激光）3、激光產(chǎn)生的條件2021/6/2774、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

一個(gè)誘發(fā)光子不僅能引起受激輻射，而且它也能引起受激吸收，所以只有當(dāng)處在高能級(jí)的原子數(shù)目比處在低能級(jí)的還多時(shí)，受激輻射躍遷才能超過受激吸收，而占優(yōu)勢(shì)。由此可見，為使光源發(fā)射激光的關(guān)鍵是發(fā)光原子處在高能級(jí)的數(shù)目比低能級(jí)上的多，這種情況，稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。但在熱平衡條件下，原子幾乎都處于最低能級(jí)（基態(tài)）。因此，如何從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)則是產(chǎn)生激光的必要條件。2021/6/2785、工作物質(zhì)、亞穩(wěn)態(tài)

前面分析了產(chǎn)生激光的必要條件是受激輻射，而粒子數(shù)反轉(zhuǎn)又是產(chǎn)生激光的一個(gè)條件，激光的產(chǎn)生必須選擇合適的工作介質(zhì)，可以是氣體、液體、固體或半導(dǎo)體。在這種介質(zhì)中可以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，以制造獲得激光的必要條件。顯然亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的存在對(duì)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是非常必須的。2021/6/279①

二能級(jí)系統(tǒng)不能充當(dāng)激光工作物質(zhì),因?yàn)槠洳荒軐?shí)現(xiàn)粒子反轉(zhuǎn)。如果激光器運(yùn)轉(zhuǎn)過程中有關(guān)的能級(jí)只有兩個(gè)，用有效的激勵(lì)手段把處于下能級(jí)E1的原子盡可能多地抽運(yùn)到上能級(jí)E2。設(shè)能級(jí)E1和E2上單位體積內(nèi)的原子數(shù)分別為n1和n2，自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射的概率分別為A21、W12和W21。如果能級(jí)統(tǒng)計(jì)權(quán)重相等，因而W12=W21=W。E2能級(jí)上粒子數(shù)n2的速率方程為

dn2/dt=W(n1-n2)-A21n2,當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，dn2/dt=0，n2/n1=W/(W+A21)，可見，不管激勵(lì)手段如何強(qiáng)，（A21+W）總是大于W，所以n2＜n1。這表明，對(duì)二能級(jí)系統(tǒng)的物質(zhì)來說，不能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。6、形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)-----原子能級(jí)系統(tǒng)2021/6/2710②激光物質(zhì)是三能級(jí)或四能級(jí)結(jié)構(gòu)。如果激勵(lì)過程使原子從基態(tài)E1以很大概率W13抽運(yùn)到E3能級(jí)，處于E3的原子可以通過自發(fā)輻射躍遷回到E2或E1。假定從E3回到E2的概率A32大大超過從E3回到E1的概率A31，也超過從E2回到E1的概率A21，則利用泵浦抽運(yùn)使W13＞W(wǎng)23或W13＞W(wǎng)12時(shí)，E2和E1之間就可能形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。

三能級(jí)系統(tǒng)n2n1n3E1E2E32021/6/2711

在外界激勵(lì)下，基態(tài)E1的粒子大量地躍遷到E4，然后迅速轉(zhuǎn)移到E3。E3能級(jí)為亞穩(wěn)態(tài)，壽命較長(zhǎng)。E2能級(jí)壽命較短，因而到達(dá)E2上的粒子會(huì)很快回到基態(tài)E1。所以在E3和E2之間可能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。由于激光下能級(jí)不是基態(tài)，而是激發(fā)態(tài)E2，所以在室溫下激光下能級(jí)的粒子數(shù)很少，因而E3和E2間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)比三能級(jí)系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)。n1四能級(jí)系統(tǒng)E1E2E3E4N2n3n4(快）(慢）2021/6/27127、光放大物質(zhì)的增益增益系數(shù):光通過單位長(zhǎng)度激活物質(zhì)后光強(qiáng)增加的百分?jǐn)?shù).①若n2-n1不隨z變化,則增益系數(shù)g(z)為一常數(shù)g0(線性增益或小信號(hào)增益),將上式積分,得2021/6/2713增益系數(shù)②n2(z)-n1(z)隨z的變化而變化,增益系數(shù)g(z)隨z的增加而減小,稱為增益飽和效應(yīng).當(dāng)I?Is時(shí),g(I)=g0為常數(shù),且不隨z變化,即小信號(hào)情況.當(dāng)I?Is不能滿足時(shí),g(I)為大信號(hào)增益系數(shù)或飽和增益系數(shù).2021/6/27148、光的自激振蕩損耗系數(shù):光通過激活物質(zhì)單位距離后光強(qiáng)衰減的百分?jǐn)?shù).同時(shí)考慮增益和損耗，則有當(dāng)時(shí)，說明Im只與放大器本身的參數(shù)有關(guān)，而與初始光強(qiáng)I0無關(guān)。無論初始光強(qiáng)I0多么微弱，只要放大器足夠長(zhǎng)，就能形成確定大小的光強(qiáng)Im，這種現(xiàn)象稱為自激振蕩。這表明,當(dāng)放大器足夠長(zhǎng)時(shí),它可能成為一個(gè)自激振蕩器.2021/6/27159、諧振腔諧振腔的作用是模式選擇和提供軸向光波模的反饋.光學(xué)諧振腔結(jié)構(gòu)2021/6/271610、起振條件－－閾值條件，穩(wěn)定振蕩條件－－增益飽和效應(yīng)

由于R2<1，光在鏡面上總有透射損失，鏡面和腔內(nèi)激活介質(zhì)還存在吸收、散射等損失。因此光的增益超過損失時(shí)，光波才能被放大，進(jìn)而振蕩，即有閾值。激光強(qiáng)度將隨傳播距離的增加而呈指數(shù)關(guān)系上升，但是激光強(qiáng)度不會(huì)無限制的增大。當(dāng)入射光強(qiáng)度足夠弱時(shí)，增益系數(shù)與光強(qiáng)無關(guān)，是一個(gè)常量；而當(dāng)入射光強(qiáng)增加到一定時(shí)，增益系數(shù)將減小，這種現(xiàn)象稱為增益飽和現(xiàn)象。2021/6/271711、泵浦源必須用外界能量來激勵(lì)工作物質(zhì)，建立粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)。將粒子從低能級(jí)抽運(yùn)到高能級(jí)態(tài)的裝置，稱為泵浦源。它是形成激光的外因。激光器是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換器件，它將泵浦源輸入的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榧す饽芰俊闹苯油瓿闪Ｗ訑?shù)反轉(zhuǎn)的方式來分，泵浦方式可分為：光激勵(lì)方式，氣體輝光放電或高頻放電方式，直接注入電子方式，化學(xué)反應(yīng)方式還有熱激勵(lì)、沖擊波、電子束、核能等方式。2021/6/271812、激光產(chǎn)生和激光器的組成激光器有三部分組成：工作物質(zhì)、諧振腔和泵浦源2021/6/2719燈泵浦的激光器結(jié)構(gòu)圖2021/6/272013、激光的特點(diǎn)激光的四大特征

1方向性好

2單色性好

3相干性好

4亮度高2021/6/272115、常見激光器的種類固體激光器（紅寶石激光器）氣體激光器（氦—氖激光器）染料激光器（用在液體中能發(fā)出熒光的有機(jī)染料分子作為激活劑）半導(dǎo)體激光器2021/6/27228.2基質(zhì)與激活離子一、對(duì)固體激光材料的基本要求①具有高的熒光量子效率.②光學(xué)質(zhì)量高,缺陷少,內(nèi)應(yīng)力小.在材料中不產(chǎn)生入射光的波面畸變偏振態(tài)的變化.③在激光工作頻率范圍透明,當(dāng)光激勵(lì)產(chǎn)生色心時(shí),不會(huì)引起吸收的顯著增加.④摻入的激活離子具有有效的激勵(lì)光譜和大的受激發(fā)射截面,吸收光譜與泵浦光的輻射光譜有盡可能多的重疊.⑤能摻入較高濃度的激活離子,濃度猝滅效應(yīng)小,熒光壽命足夠長(zhǎng).⑥具有良好的物理、化學(xué)和機(jī)械性能.熱導(dǎo)率高,熱膨脹系數(shù)小,化學(xué)穩(wěn)定性好,機(jī)械強(qiáng)度高,耐水性好,熔點(diǎn)高,能承受高功率密度等.⑦制備工藝簡(jiǎn)單,加工容易,成本低,并可獲得足夠大的尺寸.2021/6/2723二、基質(zhì)材料基質(zhì)晶體優(yōu)點(diǎn)：熱導(dǎo)率高、硬度高、熒光譜線較窄。缺點(diǎn)：光學(xué)質(zhì)量和摻雜的均勻性比基質(zhì)玻璃差。①金屬氧化物。如藍(lán)寶石、釔鋁石榴石、釔鎵石榴石、釓鎵石榴石和氣體釔等；②磷酸鹽、硅酸鹽、鋁酸鹽、鉬酸鹽、鋇酸鹽、鈹酸鹽晶體，如氟磷酸鈣、五磷酸釹、鋁酸釔、鋁酸鎂鑭、鎢酸鈣、鉬酸鈣、鋇酸釔、鈹酸鑭等；③氟化物，氟化釔鋰、氟化鈣、氟化鋇和氟化鎂等?；|(zhì)玻璃優(yōu)點(diǎn)：易制造、成本低，易摻雜、均勻性好，是大功率和高能量激光器中使用的重要基質(zhì)材料。缺點(diǎn)：熱導(dǎo)率低、熒光譜線寬。硅酸鹽、磷酸鹽、氟磷酸鹽、硼酸鹽玻璃等。2021/6/2724三、激活離子1.稀土離子三價(jià)：釹、鐠、釤、銪、鏑、鈥、鉺、鐿等二價(jià)：釤、鉺、銩、鏑等過渡族金屬離子三價(jià)