光功能材料资料

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1、光 功 能 材 料 固体的光性质，从本质上讲，就是固体和电磁波 的相互作用，这涉及晶体对光辐射的反射和吸收， 晶体在光作用下的发光，光在晶体中的传播和作用 以及光电作用、光磁作用等。基于这些性质，可以 开发出光学晶体材料、光电材料、发光材料、激光 材料以及各种光功能转化材料等。 导带 能隙 （禁带） 价带 固体光吸收的本固体光吸收的本质质 我们先讨论纯净 物质对光的吸收。 基基础础吸收或固有吸收吸收或固有吸收 固体中电子的能带结构，绝 缘体和半导体的能带结构如图 所示，其中价带相当于阴离子的 价电子层，完全被电子填满。 导带和价带之间存在一定宽度 的能隙（禁带），在能隙中不能 存在电子的能级。

2、这样，在固 体受到光辐射时，如果辐射光子 的能量不足以使电子由价带跃迁 至导带，那么晶体就不会激发， 也不会发生对光的吸收。 例如，离子晶体的能隙宽度一般为几个电子伏，相当 于紫外光的能量。因此，纯净的理想离子晶体对可见光以 至红外区的光辐射，都不会发生光吸收，都是透明的。碱 金属卤化物晶体对电磁波透明的波长可以由25m到 250nm，相当于0.055ev的能量。当有足够强的辐射（如 紫光）照射离子晶体时，价带中的电子就有可能被激发跨 过能隙，进入导带，这样就发生了光吸收。这这种与种与电电子子 由价由价带带到到导带导带 的的跃跃迁相关的光吸收迁相关的光吸收，称作基称作基础础吸收或固有吸收或固有

3、 吸收吸收。例如，CaF2的基础吸收带在200nm(约6ev)附近， NaCl的基础吸收约为8ev，Al2O3的基础吸收约在9ev 导带 激子能级 能隙(禁带） 价带 除了基础吸收以外，还有一类吸收 ，其能量低于能隙宽度，它对应于电电 子由价带向稍低于导带底处的能级的 跃迁有关。这些能级可以看作是一些 电子 - 空穴（或叫做激子，excition） 的激发能级（图2）。处于这种能级 上的电子，不同于被激发到导带上的 电子，不显示光导电现 象，它们和价 带中的空穴偶合成电子-空穴对，作为 整体在晶体中存在着或运动着，可以在 晶体中运动一段距离（1m）后再复 合湮灭。 激子吸收激子吸收 一、激 光

4、 材 料 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。激光的出现又极大的促进了光学材 料的发展。到目前为止，就各种激光器而言，已 经产生了数百种新型激光工作物质如各种激活晶 体和玻璃,半导体、有机液体及气体等。 激光材料包括激光工质材料、激光调Q材料、 激光调频材料和偏转材料。 一、激光的基本原理 1、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受激吸收、自自发发发发 射射和受激受激发发射射。 1）受激吸收：当处于低能级E1的原子吸收入射光子，然后 跃迁到高能级E2上。这种过程称为受激吸收。 2）自发发射：跃迁到能级E2的原子不稳定

5、，它会自发地 通过辐射一个能量的光子返回到E1能级上。 3）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21的光子感应下受激发射，跃迁到E1能级 上。这种过程称为受激发射。 2、粒子数反转：要想使受激辐射占优势，就必须使N2大 于N1。如果借助于外界的激励，破坏粒子的热平衡分布，就 有可能使高能级E2的粒子数N2大于低能级E1的粒子数N1，称 为粒子数反转分布。 二、激光的产生 1、激光器的构成 激光器通常由工作物工作物质质、激励源激励源和谐谐振腔振腔三部分组 成的。 1）工作物质：是激光器中借以发射激光的物质，它 是激光器的核心。如含Cr3+的红宝石。 2）激励源：为了将

6、工作物质中处于基态的粒子激发 到激发态能级，以获得粒子数的反转，就需要激励 源供给能量。 3）谐振腔：激光器两端各有一反射镜，构成一谐振 腔。 2 2、激光工作物、激光工作物质质 1 1、激光激励装置、激光激励装置 3 3、激光放大、激光放大谐谐振腔振腔 如红宝石激光激励装置 为脉冲氙灯 产生激光的材料如红宝 石、钇铝 石榴石等晶体 放大激光装置，一面镜 子全反射相应波长的激 光，另一面镜子部分透 过激光。 激光发生装置原理图 2、激光的产生 当激光工作物质的粒子吸收了外来能量后，就要 从基态跃迁到不稳定的高能态，很快无辐射跃迁达 到一个亚稳态 能级。粒子在亚稳态 的寿命较长,所以 粒子数目不

7、断积累增加,这就是泵泵浦浦过过程程。当亚稳态 粒子数目大于基态粒子数，即实现粒子数反转分布 ，粒子就要跌落到基态并放出同一性质的光子，光子 又激发其他粒子也跌落到基态，释放出新的光子， 这样便起到了放大作用。如果光的放大在一个光谐 振腔里反复作用，便构成光振荡，并发出强大的激光 。 激光的特点： 1）相干性好相干性好。所有发射的光具有相同的相位。 2）单单色性色性纯纯。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 几次发射后被逸散掉。 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108-

8、1010倍。 三、激光材料 对激光工作物质的要求是，它有一对有利于产生一对有利于产生 激光的能级激光的能级，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粒子数反转。同时还要求这一对能能 级间有一定强度的跃迁，以产生激光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。 1、激光材料的特征值 1）材料的吸收光材料的吸收光谱谱 吸收光谱是指物质在光频范围里的吸收系数按光频率 分布的总体。材料的吸收光谱直接表征发光中心与材料 的组成、结构的关系，以及环境对它的影响。 2）材料

9、的材料的荧荧光光光光谱谱 发光物质发射光子的能量按频率分布的总体称为该物 质的荧光光谱，也称发射光谱。 3）材料的激材料的激发发光光谱谱 激发光谱是指使物质产生发光时激励光按频率分布的 总体。通过激发光谱的测定可以确定有效吸收带有效吸收带的位置 ，即吸收光谱中哪些吸收带对产生某个荧光光谱带是有 贡献的。 4）荧荧光量子效率光量子效率 也可表示为荧光转换效率，是表征辐射系统功效大小 的物理量，也是激光器的重要参数。 荧光量子效率0定义为发 射荧光的光子数n2与被激活 物质从激励源吸收的光子数n1之比。 0=n2/n1 荧光转换效率取决于工作物质特性、粒子数跃迁方式 及无辐射跃迁几率和辐射跃迁几率

10、等因数。 常见的三种固体工作物质的量子效率分别为：红宝石 为0.7，钕玻璃为0.4，YAG:Nd3+约为1。 I ； 7)激光激光输出效率输出效率 以输入激光器的能量Ein作为横坐标，以激光器输出 的能量Eout为纵坐标，作出激光器的输出特性曲线。 激光器的效率通常有两种定义，一种叫总体效率t， 又称绝对效率，是指输出能量与输入能量之比： 另一种叫斜率效率s，是指当输入功率超过阈值很高 时，激光器的输出特性曲 线接近直线的直线斜率，它 反映了输出功率随输入功率 的增长速率。 8）谐谐振腔的振腔的Q Q值值 是指谐振腔的品质因数。 2、激光材料的种类 1.固体激光工作物固体激光工作物质质主要用于

11、固体激光器中，它应该 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。主要由激活离子激活离子和基基质质两 部分组成。 现有的激活离子激活离子主要有四类： （1）过过渡金属离子渡金属离子：它们的3d电子无外层电子屏 蔽，在晶体中受到周围晶体场的直接作用。因此， 在不同晶体中，其光谱特性有很大的不同。这类离 子包括Ti3+ V2+ Cr3+ Co2+ Ni2+和Cu2+。 （2）三价稀土离子三价稀土离子：它们的4f电子受5s和5p电子 的屏蔽，受周围晶体场影响较弱。为了提高效率， 须提高掺杂浓 度或采用敏化技术。这类离子最常 见的

12、为Nd3+，还有Pr3+、Sm3+、Eu3+、Dy3+、Ho3+ 、Er3+、 Tm3+和Yb3+ （3）二价稀土离子二价稀土离子：它们的4f电子比三价稀土离子多 一个，使5d态能量降低，4f-5d跃迁的吸收带处于可 见光区，有利于泵浦光的吸收。但这类离子不稳定。 （4）锕锕系离子系离子：U3+离子已能激活基质而产生激光， 但其大多数是放射性元素，实用比较困难。 固体激光材料的基固体激光材料的基质质包括晶体基质和非晶体（玻璃） 基质两类。 （1）晶体基晶体基质质晶体基质可分为掺杂掺杂 型 型、自激活型自激活型 和色心型色心型三种。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

13、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 或其他与晶格相互作用形成发光中心。 掺杂掺杂 型晶体基型晶体基质质：按化学组成有三类： 一一类类是氧化物是氧化物：如第类元素的氧化物，有红宝石- Al2O3（Cr3+），掺钕钇铝 石榴石（YAG）-Y5Al5O12 （Cr3+、Nd3+）等。 属于稀土元素的氧化物有掺钕的镧氧化物-La2O3（ Nd3+），掺钕的钆氧化物-Gd2O3（Nd3+），掺钬、铥 的铒氧化物-Er2O3（Ho3+、Tm3+）、掺钕、铒的钇氧 化物-Y2O3（Nd3+、Eu3+）等。 属于以第族元素的氧化物作为基质的材料有钒酸盐 基质是Ca2VO4、YVO

14、4、GdVO4、LaVO4、ThLn（ VO4）3，掺入的杂质有Nd、Eu、Tb、Dy、Er等。掺 杂铌酸钙-Ca（NbO3）2（Nd3+、Pr3+、Er3+、Ho3+、 Tm3+）和掺杂铌 酸锂。 属于以第族元素的氧化物为基质的材料有钨酸盐 和钼酸盐等。如CaWO4、SrWO4和Na0.5Gd0.5WO4, 它们分别可掺Nd3+、Pr3+、Tm3+、 Er3+、Ho3+、Dy3+ 等。 二二类类是非氧化物是非氧化物。主要指一些金属氟化物（LaF3、 HoF3、CaF2、SrF2、MgF2、BaF2）作为基质，另加 有激活元素的材料。激活元素有U3+，稀土元素Tm3+ 、 Sm3+、Dy3+和

15、某些其他元素Nd3+、Ni2+、Co2+等 。 三三类类是其他晶体是其他晶体。这类材料包括氟氧或硫氧阴离子的 化合物Ca5（PO4）3F：Nd3+ 、Ho3+、La2O2S：Nd3+ 氯化物（LaCl3：Pr3+）和溴化物（PrBr3：Pr3+）晶体 。 自激活晶体基自激活晶体基质质：如NdxLa1-xP5O15、LiNdxLa1- xP4O12、KNdxGa1-xP4O12、NdxLa1-xNa5（WO4）4、 NdxLa1-xP3O9。 色心晶体基色心晶体基质质：主要由碱金属卤化物的离子缺位捕 获电子，形成色心。如：LiF、KF、NaCl、KCl：Na 、KCl：Li。 （2）非晶体基非晶

16、体基质质 主要是玻璃，因其容易制成光学质量高的大型元件 ，能够均匀地掺入高浓度的激活离子，获得高的激 光效率等，激光玻璃已成为大能量、高功率固体激 光器最重要的工作物质。 在玻璃基质中，激活离子除三价钕外几乎所有的稀 土离子都先后实现了激光振荡，其中掺钕的激光 玻璃性能最好。 掺钕激光基质玻璃有硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、 氟化物玻璃、氟磷玻璃等多种。 以下是几种国产激光钕玻璃： Na2O-K2O-BaO-B2O3-SiO2 Na2O-K2O-CaO-SiO2 Na2O-K2O-BaO-Al2O3-ZnO-SiO2 Li2O-CaO-SiO2 BaO-SrO-Al2O3-P2O5 固体激光材料的主要缺点是器件不能做固体激光材料的主要缺点是器件不能做 得太大，得太大，连续连续 工作有一定的困工作有一定的困难难。 Al2O3红宝石激光材料 红宝石激光器能级图 红宝石激光材料是 Al2O3单晶体掺杂 0.05%Cr3+构成