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第八章固体激光材料 8 1固体激光材料物理基础8 2基质与激活离子8 3激光晶体8 4激光玻璃 1 激光 激光英文单词为 Laser 它是英文LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation的缩写 意思是受激辐射的光放大 2 1 三种跃迁 受激吸收概率 为爱因斯坦吸收系数 只与粒子本身的性质有关 为辐射场能量密度 为E1能级上的原子数密度 1 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 8 1固体激光材料的物理基础 3 2 自发辐射 光子能量 自发跃迁概率 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 自发辐射只与原子本身性质有关 与辐射场的无关 4 3 受激辐射 受激辐射的概率 称为爱因斯坦受激发射系数 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 受激辐射与自发辐射的重要区别在于其相干性 5 2 自发辐射与受激辐射的区别 原子的自发辐射过程完全是一种随机过程 各发光原子的发光过程各自独立 互不关联 即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 能量 相同 而且发射方向 偏振方向以及光波的相位都完全一样 6 必要条件 粒子数反转分布和减少振荡模式充分条件 起振和稳定振荡 形成稳定激光 3 激光产生的条件 7 4 粒子数反转 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 由此可见 为使光源发射激光的关键是发光原子处在高能级的数目比低能级上的多 这种情况 称为粒子数反转 但在热平衡条件下 原子几乎都处于最低能级 基态 因此 如何从技术上实现粒子数反转则是产生激光的必要条件 8 5 工作物质 亚稳态 前面分析了产生激光的必要条件是受激辐射 而粒子数反转又是产生激光的一个条件 激光的产生必须选择合适的工作介质 可以是气体 液体 固体或半导体 在这种介质中可以实现粒子数反转 以制造获得激光的必要条件 显然亚稳态能级的存在对实现粒子数反转是非常必须的 9 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 如果激光器运转过程中有关的能级只有两个 用有效的激励手段把处于下能级E1的原子尽可能多地抽运到上能级E2 设能级E1和E2上单位体积内的原子数分别为n1和n2 自发辐射 受激吸收和受激辐射的概率分别为A21 W12和W21 如果能级统计权重相等 因而W12 W21 W E2能级上粒子数n2的速率方程为dn2 dt W n1 n2 A21n2 当达到稳定时 dn2 dt 0 n2 n1 W W A21 可见 不管激励手段如何强 A21 W 总是大于W 所以n2 n1 这表明 对二能级系统的物质来说 不能实现粒子数反转 6 形成粒子数反转的结构 原子能级系统 10 激光物质是三能级或四能级结构 如果激励过程使原子从基态E1以很大概率W13抽运到E3能级 处于E3的原子可以通过自发辐射跃迁回到E2或E1 假定从E3回到E2的概率A32大大超过从E3回到E1的概率A31 也超过从E2回到E1的概率A21 则利用泵浦抽运使W13 W23或W13 W12时 E2和E1之间就可能形成粒子数反转 三能级系统 11 在外界激励下 基态E1的粒子大量地跃迁到E4 然后迅速转移到E3 E3能级为亚稳态 寿命较长 E2能级寿命较短 因而到达E2上的粒子会很快回到基态E1 所以在E3和E2之间可能实现粒子数反转 由于激光下能级不是基态 而是激发态E2 所以在室温下激光下能级的粒子数很少 因而E3和E2间的粒子数反转比三能级系统容易实现 n1 12 7 光放大物质的增益 增益系数 光通过单位长度激活物质后光强增加的百分数 若n2 n1不随z变化 则增益系数g z 为一常数g0 线性增益或小信号增益 将上式积分 得 13 增益系数 n2 z n1 z 随z的变化而变化 增益系数g z 随z的增加而减小 称为增益饱和效应 当I Is时 g I g0为常数 且不随z变化 即小信号情况 当I Is不能满足时 g I 为大信号增益系数或饱和增益系数 14 8 光的自激振荡 损耗系数 光通过激活物质单位距离后光强衰减的百分数 同时考虑增益和损耗 则有 当 时 说明Im只与放大器本身的参数有关 而与初始光强I0无关 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强Im 这种现象称为自激振荡 这表明 当放大器足够长时 它可能成为一个自激振荡器 15 9 谐振腔 谐振腔的作用是模式选择和提供轴向光波模的反馈 光学谐振腔结构 16 10 起振条件 阈值条件 稳定振荡条件 增益饱和效应 由于R2 1 光在镜面上总有透射损失 镜面和腔内激活介质还存在吸收 散射等损失 因此光的增益超过损失时 光波才能被放大 进而振荡 即有阈值 激光强度将随传播距离的增加而呈指数关系上升 但是激光强度不会无限制的增大 当入射光强度足够弱时 增益系数与光强无关 是一个常量 而当入射光强增加到一定时 增益系数将减小 这种现象称为增益饱和现象 17 11 泵浦源 必须用外界能量来激励工作物质 建立粒子数反转分布状态 将粒子从低能级抽运到高能级态的装置 称为泵浦源 它是形成激光的外因 激光器是一个能量转换器件 它将泵浦源输入的能量转变为激光能量 从直接完成粒子数反转的方式来分 泵浦方式可分为 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 18 12 激光产生和激光器的组成 激光器有三部分组成 工作物质 谐振腔和泵浦源 19 灯泵浦的激光器结构图 20 13 激光的特点 激光的四大特征1方向性好2单色性好3相干性好4亮度高 21 15 常见激光器的种类 固体激光器 红宝石激光器 气体激光器 氦 氖激光器 染料激光器 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 22 8 2基质与激活离子 一 对固体激光材料的基本要求 具有高的荧光量子效率 光学质量高 缺陷少 内应力小 在材料中不产生入射光的波面畸变偏振态的变化 在激光工作频率范围透明 当光激励产生色心时 不会引起吸收的显著增加 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 吸收光谱与泵浦光的辐射光谱有尽可能多的重叠 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 具有良好的物理 化学和机械性能 热导率高 热膨胀系数小 化学稳定性好 机械强度高 耐水性好 熔点高 能承受高功率密度等 制备工艺简单 加工容易 成本低 并可获得足够大的尺寸 23 二 基质材料 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 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 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 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 24 三 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 镝等过渡族金属离子三价铬 钛 镍 钴等锕系离子 U3 四 正分高浓度激光晶体