第七章-固体激光材料

1绪：光电子技术的发展1960年以前，光学与电子学仍是两门独立的学科；1960年，美国梅曼成功研制第一台激光器——红宝石激光器，引起连锁反应。1960年5月15日，美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼设计和建造了一台小型的激光发生器。他将闪光灯线圈缠绕在指尖大小的红宝石棒上，从而产生一条相当集中的纤细红色光柱，当它射向某一点时，可使这一点达到比太阳还高的温度，激光时代由此开启，从此和人们的生活息息相关。•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。激光的出现极大地促进了光学材料的发展，目前已有数百种新型激光工作物质。3光电子技术的发展1961年，第一台激光测距机问世，随后各种激光武器相继研制成功。20世纪70年代，低损耗的光纤、半导体激光器的成熟、CCD图像传感器问世，导致光信息技术蓬勃发展。20世纪80年代，对量子阱材料等其他材料的深入研究，导致一些新的光电子器件的产生与应用。20世纪90年代，光电子技术在通信领域和光存储方面取得了极大成功。4是电子技术与光子技术相结合形成的一门新兴的综合性的交叉学科，主要研究光与物质中的电子相互作用及其能量相互转换的相关技术。电子技术：包括真空电子技术、气体电子技术、固体电子技术等，主要研究电子的特征与行为及其在真空或物质中的运动与控制。光子技术：研究光子的特征与行为及其与物质的相互作用以及光子在自由空间或物质中的运动和控制。光电子技术5激光器光纤6光电子材料•含义：在光电子技术领域应用的，以光子、电子为载体，处理、存储和传递信息的材料。•包含：固体激光材料、光纤材料、太阳能电池材料、光显示材料等激光材料激光的基本原理激光材料激光材料的应用1、激光定义受激辐射的光放大“镭射”、“莱塞”中文名：1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”“最快的刀”“最准的尺”“最亮的光”《奇异的激光》——小学五年级语文课文一、激光的基本原理激光（Laser）：LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation2、激光材料的物理基础1）波尔兹曼统计分布•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波耳兹曼分布规律，即kTEEeNN/)(1212/N2、N1分别为能级E2和E1上的粒子数。在热平衡条件下绝大部分粒子处于基态，即处于低能级上的粒子数总多于高能级上的粒子数，这叫粒子数正常分布。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、自发辐射和受激发射。受激吸收：当一个频率为ν21的准单色光波通过能隙hν21的二能级系数时，若能级满足辐射跃迁选择定则，这时处于低能级E1的原子吸收入射光子，跃迁到高能级E2上(图1)。图1粒子的受激吸收自发辐射：跃迁到能级E2上的原子是不稳定的，它会自发地通过辐射一个能量的光子返回到E1能级上（图2）。图2粒子的自发辐射各原子的自发发射是独自进行的，彼此无关。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ν21的光子感应下受激发射，跃迁到E1能级上（图3）。图3粒子的受激发射受激吸收处于低能级态的原子在一定条件下的辐射场作用下，吸收一个光子，跃迁到高能级态；宏观表现：光被吸收自发辐射处于高能级态的原子自发跃迁到低能级态，并同时向外辐射出一个光子；宏观表现：发光受激辐射处于高能级态的原子在一定条件下的辐射场作用下，跃迁到低能级态，并同时辐射出一个与入射光子完全一样的光子。宏观表现：光被放大受激辐射与其他两者区别：原子的自发辐射过程完全是一种随机过程，所辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方，另外位相、偏振状态也各不相同。由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一的，而有一个范围。受激辐射时,原子可发出与诱发光子全同的光子，不仅频率相同，而且发射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一样。受激辐射时,暂时处在高能级原子的行为受激吸收，是稳定处于低能级原子的行为结论1：受激辐射是产生激光的唯一渠道。受激辐射占主导之必要条件：受激辐射受激吸收一个诱发光子不仅能引起受激辐射，而且它也能引起受激吸收，所以只有当处在高能级的原子数目比处在低能级的还多时，受激辐射跃迁才能超过受激吸收，而占优势。要想使受激辐射占优势，即N2N1就必须借助于外界的激励，破坏粒子的热平衡分布，就可能使高能级E2的粒子数N2大于低能级E1的粒子数N1。3）粒子数反转（a）正常分布（b）反转分布结论2：实现受激辐射受激吸收的方法：17使处在高能级的原子数目比处在低能级的多—粒子数反转；如何实现粒子数反转？借助于外界的激励！什么结构可以实现粒子数反转呢?二能级系统不能充当激光工作物质，因为其不能实现粒子反转。4）形成粒子数反转的结构-----原子能级系统激光物质是三能级或四能级结构结论3：亚稳态能级的存在可实现粒子数反转！•三能级系统：•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E1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10-3s，允许粒子久留。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E1两能级间的粒子数的反转。•该系统能对诱发光子能量hν=E2-E1的光进行放大。受激吸收受激发射•四能级系统：•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。这样在热平衡状态下就可以认为E2几乎是空的。•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，并积累起来，在E3和E2间就容易形成粒子数反转而产生受激发射。受激吸收受激发射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。亚稳态能级的存在可实现粒子数反转！5）如何从技术上实现粒子数反转？泵浦源：用外界能量来激励工作物质，建立粒子数反转分布状态、使粒子从低能级抽运到高能级态的装置。泵浦方式：光激励方式，气体辉光放电或高频放电方式，直接注入电子方式，化学反应方式还有热激励、冲击波、电子束、核能等方式。技术上实现粒子数反转——设计思路激光器的设计激光器的构成激光器三部分构成：(1)工作物质(2)激励源(3)谐振腔激光工作物质激励能源谐振腔1M2M激光器结构示意图（1）工作物质：是激光器中借以发射激光的物质，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。（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。红宝石激光器中的激励源是脉冲氙灯。（3）谐振腔：激光器两端各有一反射镜，构成一谐振腔。其中一块为全反射，另一块为部分反射，激光从这一端输出。形成激光的三个条件实现粒子数反转使原子被激发要实现光放大——工作物质——光学谐振腔——激励能源部分反射镜激励能源全反射镜激光输出工作物质光学谐振腔L2：形成激光的三个条件26光振荡：受激辐射光在反射镜反射下产生新的受激辐射，使得谐振腔内沿轴向的光骤然增加，形成激光。——光学谐振腔•红宝石是在蓝宝石（Al2O3单晶）中加入0.05%Cr3+离子后得到的产物。Cr3+离子使红宝石呈红色，更重要的是提供了产生激光的所必要的电子能态。激光是由其中铬离子的2E能级到4A2能级的跃迁发射的。•通常将红宝石制成柱状，两端为高度抛光互相平行的平面。其中一个端面部分镀银，能部分透光；另一端面充分镀银，使之对光波有完全反射作用。2、红宝石激光器•红宝石激光器主要部分是激光工作物质（Al2O3单晶）和激活物质Cr3+离子提供亚稳态能级，从基态到激发态经亚稳能级构成三能级激光器。在激光管内，用氙气闪光灯辐照红宝石。红宝石在被辐照之前Cr3+离子都处于基态。但在氙气闪光灯（波长560nm）照射下，Cr3+中的电子受激转变为高能态，造成粒子数反转。受激高能电子首先衰变为亚稳态，停留10-3s后返回基态并发出光子。在电子运动过程中10-3s一般是很长的时间，因此在亚稳态能级上集聚了不少的电子，当有几个电子自发地从亚稳态返回基态时，发射出的光子带动更多电子以“雪崩”形式返回基态，从而发射出愈来愈多的光子。那些基本平行于红宝石轴向运动的光子，一部分穿过部分镀银端，而一部分被镀银端面反射回来，光波沿红宝石轴向来回传播，强度愈来愈强。这时，从部分镀银端面发射出来的光束就是高度准直的高强度相干波，这种单色激光的波长为694.3nm。3.激光具有下列特点：（1）相干性好。所有发射的光具有相同的相位。（2）单色性纯。因为光学共振腔被调谐到某一特定频率后，其他频率的光受到了相消干涉。（3）方向性好。光腔中不调制的偏离轴向的辐射经过几次反射后被逸散掉。（4）亮度高。激光脉冲有巨大的亮度，激光焦点处的辐射亮度比普通光高108～1010倍。二.激光材料及分类常用的激光材料激光晶体材料激光玻璃大多数激光晶体是含有激活离子的荧光晶体，按晶体的组成分类，它们可分为掺杂型激光晶体和自激活激光晶体两类。激光玻璃因储能大，制造工艺成熟，以及价格便宜等特点，在高功率光系统、纤维激光器和光放大器，以及其他重复频率不高的中小激光器中得到了广泛的应用，与激光晶体一起构成了固体激光材料的两大类，并得到了迅速的发展。常见激光器的种类固体激光器（晶体、玻璃）气体激光器（原子、分子、离子）液体激光器（用在液体中能发出荧光的有机染料分子作为激活剂）半导体激光器红宝石激光器半导体激光器33固体激光工作物质由基质材料和激活离子两部分组成基质材料：其作用主要是为激活离子提供一个适当的晶格场。决定工作物质的各种物理化学性质；激活离子：发光中心，实际上是少量掺杂离子，称为激活离子。激光的波长主要取决于激活离子的内部能级结构。（一）固体激光工作物质固体激光工作物质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。•基质包括晶体和非晶体基质两大类。•晶体基质又分为掺杂型、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。•非晶体基质主要是玻璃，如掺钕激光基质玻璃等。1.基质基质晶体优点：热导率高、硬度高、荧光谱线较窄。缺点：光学质量和掺杂的均匀性比基质玻璃差。①金属氧化物。如蓝宝石、钇铝石榴石、钇镓石榴石、钆镓石榴石和气体钇等；②磷酸盐、硅酸盐、铝酸盐、钼酸盐、钡酸盐、铍酸盐晶体，如氟磷酸钙、五磷酸钕、铝酸钇、铝酸镁镧、钨酸钙、钼酸钙、钡酸钇、铍酸镧等；③氟化物，氟化钇锂、氟化钙、氟化钡和氟化镁等。基质玻璃优点：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。缺点：热导率低、荧光谱线宽。硅酸盐、磷酸盐、氟磷酸盐、硼酸盐玻璃等。2.激活离子1.稀土离子三价：钕、镨、钐、铕、镝、钬、铒、镱等二价：钐、铒、铥、镝等2.过渡族金属离子三价铬、钛、镍、钴等3.锕系离子：U3+（二）气体激光工作物质原子、离子和分子气体三大类，品种很多。以气体为工作物质的激光器称为气体激光器。（三）液体激光工作物质含有稀土元素的二元酮有机溶液、有机燃料溶液、稀土元素的无机化合物溶液等三类。（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。半导体激光工作物质有几十种。三、激光的特点及应用发散角小：激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射出，光束的发散角极小，大约为0.001rad，接近平行。1962年，人类第一次用激光照射月球，地球距离月球的距离大