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1、LOGO3 材料的光学性能3 材料的光学性能3.1 光传播的基本性质3.2 光的反射和折射3.3 材料对光的吸收和色散3.4 光的散射3.5 材料的不透明性和半透明性3.6 电光效应、光折变效应、非线型光学效应3.7 光的传输与光纤材料3.8 特种光学材料及其应用3.1 光传播的基本性质3.2 光的反射和折射3.3 材料对光的吸收和色散3.4 光的散射3.5 材料的不透明性和半透明性3.6 电光效应、光折变效应、非线型光学效应3.7 光的传输与光纤材料3.8 特种光学材料及其应用Materials PLOGO3.8 特种光学材料及其应用3.8 特种光学材料及其应用 3.8.1 固体激光器材料及
2、其应用3.8.1 固体激光器材料及其应用Materials Physics(1) 自发辐射自发辐射 原子在没有外界干预的情况下原子在没有外界干预的情况下,电子会由处于激发 态的高能级自动跃迁到低能级电子会由处于激发 态的高能级自动跃迁到低能级, 这种跃迁称为这种跃迁称为自 发跃迁自 发跃迁。由自发跃迁而引起的光辐射称为由自发跃迁而引起的光辐射称为自发辐射自发辐射。2E1E.1E2E发光前发光前.。 2E1Eh发光后发光后自 发 辐 射自 发 辐 射一 光发射一 光发射LOGO3.8 特种光学材料及其应用3.8 特种光学材料及其应用 3.8.1 固体激光器材料及其应用3.8.1 固体激光器材料及
3、其应用Materials Physics(2) 光吸收光吸收原子吸收外来光子能量原子吸收外来光子能量, 并从低能级跃迁 到高能级并从低能级跃迁 到高能级, 且且, 这个过程称为这个过程称为光吸 收光吸 收。2E1E hEE=12h吸收后吸收后。. 2E1Eh吸收前吸收前.1E2E自 发 辐 射自 发 辐 射LOGO3.8 特种光学材料及其应用3.8 特种光学材料及其应用 3.8.1 固体激光器材料及其应用3.8.1 固体激光器材料及其应用Materials Physics(3) 受激辐射受激辐射 原子中处于高能级的电子原子中处于高能级的电子,会在外来光子会在外来光子(其频 率恰好满足其频 率恰
4、好满足)的诱发下向低能级跃迁的诱发下向低能级跃迁, 并 发出与外来光子一样特征的光子并 发出与外来光子一样特征的光子, 这叫这叫受激辐射受激辐射。由 受激辐射得到的放大了的光是相干光。由 受激辐射得到的放大了的光是相干光,称之为称之为激光激光。2E1E12EEh=.1E2E.。2E1E发光前发光后发光前发光后hhh受激辐射的光 放大示意图受激辐射的光 放大示意图LOGO3.8 特种光学材料及其应用3.8 特种光学材料及其应用 3.8.1 固体激光器材料及其应用3.8.1 固体激光器材料及其应用Materials Physics自发辐射与受激辐射的比较自发辐射与受激辐射的比较 自发辐射过程是一随
5、机过程自发辐射过程是一随机过程,各个原子的辐射是自 发地、独立地进行的各个原子的辐射是自 发地、独立地进行的,因而各个原子辐射因而各个原子辐射光子的频 率、相位、偏振状态、传播方向均不同光子的频 率、相位、偏振状态、传播方向均不同，所以自发 辐射的光是不相干的。 受激辐射发出的光，其所以自发 辐射的光是不相干的。 受激辐射发出的光，其光子状态光子状态(频率、相位、 偏振状态以及传播方向频率、相位、 偏振状态以及传播方向)完全相同，完全相同，是相干光。是相干光。LOGO3.8 特种光学材料及其应用3.8 特种光学材料及其应用 3.8.1 固体激光器材料及其应用3.8.1 固体激光器材料及其应用M
6、aterials Physics受激辐射引起雪崩式的光放大过程受激辐射引起雪崩式的光放大过程由于受激辐射出的大量光子状态由于受激辐射出的大量光子状态(频率、相位、传 播方向、偏振态频率、相位、传 播方向、偏振态)相同，即光子简并度大，所以受激 辐射发出的相同，即光子简并度大，所以受激 辐射发出的光相干性好，亮度极高光相干性好，亮度极高, 从而出现光源的 质的飞跃。 因此，从而出现光源的 质的飞跃。 因此，受激辐射是形成激光的基础受激辐射是形成激光的基础。LOGO3.8 特种光学材料及其应用3.8 特种光学材料及其应用 3.8.1 固体激光器材料及其应用3.8.1 固体激光器材料及其应用Mate
7、rials Physics(1) 粒子数正常分布和布居反转分布粒子数正常分布和布居反转分布二 激光原理二 激光原理kTE iiCN/e=2211ENENkTEENN/ )(2121e/=表明表明 , 处于低能级的电子数大于高能 级的电子数处于低能级的电子数大于高能 级的电子数,这种分布叫做这种分布叫做粒子数的正常分布粒子数的正常分布 。 叫做粒子数布居反转。 叫做粒子数布居反转 , 简称简称粒子数反 转或称布居反转粒子数反 转或称布居反转。12NN 21NN 12EE 已知已知LOGO3.8 特种光学材料及其应用3.8 特种光学材料及其应用 3.8.1 固体激光器材料及其应用3.8.1 固体激
8、光器材料及其应用Materials Physics二 激光原理二 激光原理粒子数的正常分布粒子数的正常分布1E2E. .。 。 。1N2N12EE 粒子数反转分布粒子数反转分布2E1E.。 。2N1N12EE LOGO3.8 特种光学材料及其应用3.8 特种光学材料及其应用 3.8.1 固体激光器材料及其应用3.8.1 固体激光器材料及其应用Materials Physics二 激光原理二 激光原理受激发射和光吸收两个过程，哪个过程是主要受激发射和光吸收两个过程，哪个过程是主要受激发射和光吸收两个过程，哪个过程是主要受激发射和光吸收两个过程，哪个过程是主要 的只与两个能级上的布居数有关。的只与
9、两个能级上的布居数有关。的只与两个能级上的布居数有关。的只与两个能级上的布居数有关。一般情况下，系统处于热平衡状态，低能级的一般情况下，系统处于热平衡状态，低能级的一般情况下，系统处于热平衡状态，低能级的一般情况下，系统处于热平衡状态，低能级的 布居数远大于高能级，光子一般是被吸收。布居数远大于高能级，光子一般是被吸收。布居数远大于高能级，光子一般是被吸收。布居数远大于高能级，光子一般是被吸收。为了使受激发射过程更可能，需要使得上能级为了使受激发射过程更可能，需要使得上能级为了使受激发射过程更可能，需要使得上能级为了使受激发射过程更可能，需要使得上能级 的布居数更多。因此，的布居数更多。因此，
10、的布居数更多。因此，的布居数更多。因此，粒子数反转是受激辐射粒子数反转是受激辐射粒子数反转是受激辐射粒子数反转是受激辐射 光放大的先决条件光放大的先决条件光放大的先决条件光放大的先决条件。LOGO3.8 特种光学材料及其应用3.8 特种光学材料及其应用 3.8.1 固体激光器材料及其应用3.8.1 固体激光器材料及其应用Materials Physics二 激光原理二 激光原理 (2) 激光的形成激光的形成 美国物理学家梅曼于美国物理学家梅曼于1960年年9月制成第一台红宝 石固体激光器。月制成第一台红宝 石固体激光器。激光工作物质 激励装置 光学谐振腔激光工作物质 激励装置 光学谐振腔LOG
11、O3.8 特种光学材料及其应用3.8 特种光学材料及其应用 3.8.1 固体激光器材料及其应用3.8.1 固体激光器材料及其应用Materials Physics二 激光原理二 激光原理 激光工作物质：棒状红宝石晶体激光工作物质：棒状红宝石晶体(Al2O3:Cr3+)Cr3+离 子 的离 子 的 2E能级寿命较长，与基态间 易形成粒子数 反转。能级寿命较 长，与基态间 易形成粒子数 反转。LOGO3.8 特种光学材料及其应用3.8 特种光学材料及其应用 3.8.1 固体激光器材料及其应用3.8.1 固体激光器材料及其应用Materials Physics二 激光原理二 激光原理 光学谐振腔光学
12、谐振腔.激光光束全反射镜激光光束全反射镜l光学谐振腔示意图部分透光反射镜光在粒子数反转的工作物质中往返传播光学谐振腔示意图部分透光反射镜光在粒子数反转的工作物质中往返传播,使谐振 腔内的光子数不断增加使谐振 腔内的光子数不断增加,从而获得很强的光从而获得很强的光,这种现象 叫做光振荡这种现象 叫做光振荡LOGO3.8 特种光学材料及其应用3.8 特种光学材料及其应用 3.8.1 固体激光器材料及其应用3.8.1 固体激光器材料及其应用Materials Physics三 激光器及其特性三 激光器及其特性 方向性好、单色性好、能量集中、相干性好方向性好、单色性好、能量集中、相干性好LOGO3.8
13、 特种光学材料及其应用3.8 特种光学材料及其应用 3.8.1 固体激光器材料及其应用3.8.1 固体激光器材料及其应用Materials Physics四 激光器工作物质四 激光器工作物质色心晶体 色心晶体主要由碱金属卤化物的离子缺位捕获电 子形成色心。色心晶体 色心晶体主要由碱金属卤化物的离子缺位捕获电 子形成色心。 其由束缚在基质晶体晶格周围的电子或其他元素 的离子与晶格相互作用形成发光中心。由于束缚在 缺位中的电子与周围晶格存在强耦合，电子能级显 著被加宽，使吸收光谱和荧光光谱呈连续谱特征， 可实现调谐激光输出。其由束缚在基质晶体晶格周围的电子或其他元素 的离子与晶格相互作用形成发光中
14、心。由于束缚在 缺位中的电子与周围晶格存在强耦合，电子能级显 著被加宽，使吸收光谱和荧光光谱呈连续谱特征， 可实现调谐激光输出。 主要色心晶体：主要色心晶体：LiF, KF, NaCl, KCl:Na, KCl:Li 等等LOGO3.8 特种光学材料及其应用3.8 特种光学材料及其应用 3.8.1 固体激光器材料及其应用3.8.1 固体激光器材料及其应用Materials Physics掺杂型激光晶体掺杂型激光晶体 含有激光离子的荧光晶体含有激光离子的荧光晶体自激活激光晶体自激活激光晶体某些晶体中激活离子成为基质的一种组分， 随提高激活离子的浓度而不产生猝灭效应。某些晶体中激活离子成为基质的一
15、种组分， 随提高激活离子的浓度而不产生猝灭效应。激光玻璃激光玻璃LOGO3.8 特种光学材料及其应用3.8 特种光学材料及其应用 3.8.2 光存储材料3.8.2 光存储材料Materials Physics光信息存储技术是建立在激光技术的基础上的。 激光的光信息存储技术是建立在激光技术的基础上的。 激光的单色性单色性和和相干性相干性。 信息的写入 将要存储的信息、模拟量或数学量，通过调制 激光聚集到记录介质上，是介质的光照微区信息的写入 将要存储的信息、模拟量或数学量，通过调制 激光聚集到记录介质上，是介质的光照微区(线 度一般在线 度一般在m以下以下)发生物理或化学变化以实现记 录。发生物理或化学变化以实现记 录。信息的读出 用低功率密度的激光扫描信息轨道，其反射光 通过光电探测器检测、解调以取出所学要的信 息。信息的读出 用低功
