激光材料基础知识

1、1 绪：1 什么是光电子技术？ l 是是电子技术与光子技术电子技术与光子技术相结合形成的一门新兴的综合性的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。相互转换的相关技术。 电子电子技术：包括真空电子技术、气体电子技术、固体技术：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或物质中的运动与控制 光子光子技术：研究光子的特征与行为及其与物质的相互技术：研究光子的特征与行为及其与物质的

2、相互 作用以及光子在自由空间或物质中的运动和控制。作用以及光子在自由空间或物质中的运动和控制。 2激光器激光器 光纤光纤 3 2 光电子技术的发展 l 1960年以前，光学与电子学仍是两门独立的学科；年以前，光学与电子学仍是两门独立的学科； l 1960年，美国梅曼成功研制第一台激光器年，美国梅曼成功研制第一台激光器红宝石红宝石 激光器，引起连锁反应。激光器，引起连锁反应。 1960年年5月月15日，美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家日，美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼梅曼设计和建造了设计和建造了 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，一台小型的激光发生器。他将

3、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。，激光时代由此开启，从此和人们的生活息息相关。 4 2 光电子技术的发展 l 1961年，第一台激光测距机问世，随后各种激光年，第一台激光测距机问世，随后各种激光 武器相武器相 继研制成功。继研制成功。 l 20世纪世纪70年代，低损耗的光纤、半导体激光器的年代，低损耗的光纤、半导体激光器的 成熟、成熟、 CCD图像传感器问世，导致光信息技

4、术蓬图像传感器问世，导致光信息技术蓬 勃发展。勃发展。 l 20世纪世纪80年代，对量子阱材料等其他材料的深入年代，对量子阱材料等其他材料的深入 研研 究，导致一些新的光电子器件的产生与应用。究，导致一些新的光电子器件的产生与应用。 l 20世纪世纪90年代，光电子技术在通信领域和光存储年代，光电子技术在通信领域和光存储 方面方面 取得了极大成功。取得了极大成功。 5 3 光电子技术 l 光电子技术与微电子技术构成了当今信息技术的光电子技术与微电子技术构成了当今信息技术的 两大支柱；两大支柱； l 光子独特的优点：极大的响应速度、极大的频宽、光子独特的优点：极大的响应速度、极大的频宽、 极大的

5、信息容量；极大的信息容量； l 美国：通信和计算机研究与发展的未来世界属于美国：通信和计算机研究与发展的未来世界属于 光光 子学领域；子学领域； l 中国：国家中国：国家863计划与计划与973计划两个高科技计划计划两个高科技计划 的重点是光电子产业；的重点是光电子产业； l 中国的光谷：武汉东湖新技术开发区中国的光谷：武汉东湖新技术开发区 6 4 光电子材料 在光电子技术领域应用的，以光子、电子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。为载体，处理、存储和传递信息的材料。 固体激光材料、光纤材料、太阳能电池材固体激光材料、光纤材料、太阳能电池材 料、光显示材料

6、等料、光显示材料等 20世纪四大发明：世纪四大发明：原子能原子能 计算机计算机 半导体半导体 激光器激光器 激光材料激光材料 n激光的基本原理激光的基本原理 n激光材料激光材料 n激光材料的应用激光材料的应用 激光激光 l英文名：英文名：LASER(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) 受激辐射的光放大受激辐射的光放大“镭射镭射”、“莱塞莱塞” l中文名：中文名：1964年按照我国著名科学家钱学森建议将年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受光受 激发射激发射”改称改称“激光激光” “最快的刀最快的刀” “最准的尺最准的

7、尺” “最亮的光最亮的光” 奇异的激光奇异的激光小学五年级语文课文小学五年级语文课文 n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。 1960年美国科学家梅曼红宝石激光器 激光的基本原理激光的基本原理 n1、波尔兹曼统计分布、波尔兹曼统计分布 n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 kTEE eNN / )( 12 12 / nN2、N1分别为能级E2和E1上的粒子数。 n在热平衡条件下绝

8、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。 n2、光的吸收和发射、光的吸收和发射 n辐射与物质的相互作用主要包括辐射与物质的相互作用主要包括受激吸收、自发受激吸收、自发 辐射和受激发射辐射和受激发射。 n（1）受激吸收受激吸收：当一个频率为21的准单色光波通 过能隙h21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 n（2）自发辐射自发辐射：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

9、射 各原子的自发发射是独自进行的，彼此无关。 n （3）受激发射受激发射：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21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 (b)：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 (a)：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 (c)：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 自发辐射与受激辐射的区别

10、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。围。 受激辐射时受激辐射时, 原子可发出与诱发光子全同的光子，不仅频率原子可发出与诱发光子全同的光子，不仅频率 （能量）

11、相同，而且发射方向、偏振方向以及光波的相位都完全（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。一样。 图4 粒子数的分布 （a）正常分布 （b）反转分布 n粒子数反转分布的作用在于当外来光辐射时，受激辐射总粒子数反转分布的作用在于当外来光辐射时，受激辐射总 是大于受激吸收，因而产生了光的放大信号。实验证明，是大于受激吸收，因而产生了光的放大信号。实验证明， 许多物质给予一定激励后，能实现这种反转分布，它为激许多物质给予一定激励后，能实现这种反转分布，它为激 光的产生提供了基础。光的产生提供了基础。 n3、粒子数反转、粒子数反转 n要想使受激辐射占优势或者说占主导地位，就必须使

12、 N2N1。如果借助于外界的激励，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。由于它同正常分布相反，所以叫粒子数反 转分布，见图4。 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。但在热平衡条件在热平衡条件 下，原子几乎都处于最低能级（基态）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如何从技术上实现粒子数反转

13、则是产生 激光的必要条件激光的必要条件。 p结论：受激辐射是产生激光的唯一渠道。 18 受激辐射占主导之必要条件；受激辐射受激吸收 1 1）二能级系统不能充当激光工作物质二能级系统不能充当激光工作物质, ,因为其不能因为其不能 实现粒子反转。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)

14、-A21n2, 当达到稳定时，dn2/dt=0，n2/n1=W/(W+A21) ，可见，不管激励手不管激励手 段如何强，（段如何强，（A A21 21+W +W）总是大于）总是大于W W，所以，所以n n2 2n n1 1。这表明，对二能 级系统的物质来说，不能实现粒子数反转。 4 4 形成粒子数反转的结构形成粒子数反转的结构-原子能级系统原子能级系统 spstst dt dn dt dn dt dn dt dn 2121122 n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

15、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h=E2-E1的光 进行放大。 2）激光物质是三能级或四能级结构）激光物质是三能级或四能级结构 受 激 吸 收 受 激 发 射 n四能级系统四能级系统：四能级系统中产生受 激辐射的低能级上不像三能级系统 那样总有很多粒子，在热平衡条件 下可以认为经常是空的。也不是系 统中的基态能级，所以容易实现粒 子数反转。 n图中E4到E3、E2到E

16、1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；E2与E1间的 能量差足够大。这样在热平衡状态 下就可以认为E2几乎是空的。 2）激光物质是三能级或四能级结构）激光物质是三能级或四能级结构 受 激 吸 收 受激发射 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。 l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 l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，

17、化学反应方式还有 热激励、冲击波、电子束、核能等方式。 5 如何从技术上实现粒子数反转？ 5 如何从技术上实现粒子数反转？ 1.激光器的构成激光器的构成 红宝石激光器是由掺少量Cr的蓝宝石单晶组成，呈棒状，两端 面要求平行。靠近两个端面各放置一面镜子，以便使一些自发 发射的光通过激光棒来回反射。其中一个镜子起完全反射的作 用，另一个镜子只是部分反射。激光棒沿着它的长度方向被闪 光灯激发。大部分闪光的能量以热的形式散失，一小部分被激 光棒吸收，用来激发Cr离子到高能级。在宽的频带内激发的能 量被吸收；而在6943处三价Cr离子以窄的谱线进行发射，构成 输出的辐射，自激光棒的一端（部分反射端）穿出

18、。 红宝石激光器红宝石激光器 激光 工作物质 激励能源 谐振腔 1 M 2 M 激光器结构示意图激光器结构示意图 n（1）工作物质工作物质：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。激光是由其中铬离子 的2E能级到4A2能级的跃迁发射的。 n（2）激励源激励源：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。 n（3）谐振腔谐振腔：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

19、块为部分反射， 激光从这一端输出。 n2、红宝石激光器、红宝石激光器 n红宝石是在蓝宝石（Al2O3单晶单晶）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。 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。 n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。 n处于高能态的电子可通过两个途径返回基态：处于高能态的电

20、子可通过两个途径返回基态： n（1）直接从受激高能态返回基态，同时发出光子，由此 产生的光不是激光。 n（2）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高度准直的高强度相干波，这

21、种单色激光 的波长为694.3nm。 n该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。 n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。 3. 激光具有下列特点：激光具有下列特点： （1）相干性好相干性好。所有发射的光具有相同的相位。 （2）单色性纯单色性纯。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 10

22、81010 倍。 激光材料激光材料 n 对激光工作物质的要求是，它有一对有利于 产生激光的能级，其中的上能级有足够长的寿命， 即粒子被激发到该能级后能在其中滞留较长的时 间。因而能在该能级上积累比较多的粒子，与下 能级之间形成粒子数反转。同时还要求这一对能 级间有一定强度的跃迁，以产生激光。工质材料 的质量优劣将直接影响激光器件的性能。 一、一、激光工质材料的种类激光工质材料的种类 激光工质材料按照材料的性质可以分为固体固体、 气体、液体和半导体四种。 n固体激光工作物质应具备的基本条件是： n（1）材料应具有合适的光谱特性； n（2）激发态吸收要小； n（3）应具有良好的光学均匀性和稳定性；

23、 n（4）应具有良好的物化性能。 （一）固体激光工作物质（一）固体激光工作物质 n固体激光工作物质由激活离子和基质两部分构 成。 n基质包括晶体和非晶体基质两大类。 n晶体基质又分为掺杂型、自激活型和色心型掺杂型、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。 n非晶体基质主要是玻璃，如掺钕激光基质玻璃 等。 基质晶体基质晶体 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

24、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。 基质基质 激活离子激活离子 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+ n（二）气体激光工作物质（二）

25、气体激光工作物质 n原子、离子和分子气体三大类，品种很多。 n以气体为工作物质的激光器称为气体激光器气体激光器。 n（三）液体激光工作物质（三）液体激光工作物质 n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。 n（四）半导体激光工作物质（四）半导体激光工作物质 n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。 n激光工质材料的发展方向主要有以下几个方面： n（1）发展高功率大尺寸激光工质材料。 n（2）提高掺杂浓度和激光功率。 n（3）开拓新波段的固体激光材料。 n（4）拓宽新的固体可调谐激光材料。 n（5）采用敏化技术

26、。 二、激光工质材料的应用和发展方向二、激光工质材料的应用和发展方向 38 激光的特点及应用激光的特点及应用 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 约为38万公里，但激光在月球表面的光斑不到两公里； 1.方向性好： 39 激光的特点及应用激光的特点及应用 应用激光测距 40 激光的特点及应用激光的特点及应用 亮度高：由于激光的发射能力强和能量的高度集中，所 以亮度很高，它比普通光源高亿万倍，比太阳表面的亮度 高几百亿倍。亮度是衡量一个光源质量的重要指标，若将 中等强

27、度的激光束经过会聚，可在焦点出产生几千到几万 度的高温。 1.方向性好： 激光能量在时间和空间上高度集中，能在极 小区域产生几百万度的高温。 激光加工、激光手 术、激光武器等就利用 了高亮度的特点。 激光切割 激光的特点及应用激光的特点及应用 42 应用激光打孔 激光的特点及应用激光的特点及应用 43 激光的特点及应用激光的特点及应用 应用激光核聚变 44 激光的特点及应用激光的特点及应用 单色性好 ：光的颜色由光的不同波长决定，不同的颜色， 是不同波长的光作用于人的视觉的不同而反映出来。激光 的波长基本一致，谱线宽度很窄，颜色很纯，单色性很好。 由于这个特性，激光传递信息的容量大，实现光通信。 2.单色性好： 计