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1、Shanghai Institute of Technology第七章 稀土激光材料 激光与普通光比较具有三个突出的特点: 第一方向性好、亮度高; 第二单色性好; 第三相干性好。 这些特性使激光很快就应用到工、农、医和国防等部门。Shanghai Institute of Technology第一节第一节 激光产生的原理激光产生的原理一、光的吸收和发射一、光的吸收和发射 辐射与物质的相互作用主要包括受激吸辐射与物质的相互作用主要包括受激吸收、自发发射和受激发射。见图收、自发发射和受激发射。见图7.1。1.光的吸收和发射光的吸收和发射 (1)受激吸收受激吸收:当一个频率为当一个频率为21的准单色
2、光波的准单色光波通过能隙通过能隙h21的二能级原子系统时，若能级的二能级原子系统时，若能级满足辐射跃迁选择定则，这时处于低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，然后跃迁到高能级的原子吸收入射光子，然后跃迁到高能级E2上上(图图7.l(a)，这种过程称为，这种过程称为受激吸收受激吸收。 Shanghai Institute of Technology 图7.1Shanghai Institute of Technology(2)自发发射:跃迁到能级E2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7.l(b)。 (3)受激发射:处于高能级的原子
3、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7.1 (c) ，这种过程称为受激发射。 所产生的受激发射光子与入射光子 有相向的模式。 Shanghai Institute of Technology2.粒子数反转 要想使受激辐射占优势或者说占主导地位，就必须使要想使受激辐射占优势或者说占主导地位，就必须使N2 (能级能级E2上的粒子数上的粒子数)大于大于N1(能级能级E1上的粒子数上的粒子数)。如果借助于外界的激。如果借助于外界的激励，破坏粒子的热平衡分布，就有可能使励，破坏粒子的热平衡分布，就有可能使N2 N1 由于它与正常分布相反，所以叫粒子数反转分
4、布，见图由于它与正常分布相反，所以叫粒子数反转分布，见图7.2。 7.2Shanghai Institute of Technology二、激光产生的原理二、激光产生的原理 稀土固体或液体激光器: 7.3Shanghai Institute of Technology 7.4Shanghai Institute of Technology 在稀土激光材料的两端装有两面对在稀土激光材料的两端装有两面对激光波长具有不同反射率的反射镜，放激光波长具有不同反射率的反射镜，放在内衬银或铝等反射材料的聚光器内，在内衬银或铝等反射材料的聚光器内，用脉冲氙灯、氪灯、发光二极管或激光用脉冲氙灯、氪灯、发光二极管
5、或激光等作为激发光源等作为激发光源(或称光泵或称光泵) ，由光泵发，由光泵发出的光被稀土激活离子吸收后，使稀土出的光被稀土激活离子吸收后，使稀土离子从基态离子从基态E1激发至激发至E4上，再无辐射弛豫上，再无辐射弛豫至亚稳态至亚稳态E3。Shanghai Institute of Technology 当从当从E3以辐射弛豫的方式返回基以辐射弛豫的方式返回基态态E1 (三能级系统三能级系统)或返回或返回E2(四能级四能级系统系统)时，发出的光在材料两端的反时，发出的光在材料两端的反射镜之间来回产生振荡，当增益大于射镜之间来回产生振荡，当增益大于损耗，满足产生激光的条件时，就从损耗，满足产生激光
6、的条件时，就从镜子反射率低的一端输出激光。镜子反射率低的一端输出激光。Shanghai Institute of Technology产生激光的必要条件：产生激光的必要条件：是在是在E3上实上实现粒子数反转。现粒子数反转。 在三能级系统中，在在三能级系统中，在E1上的粒子上的粒子必须有必须有50%以上被激发至以上被激发至E3上才能实上才能实现粒子数的反转，所以产生激光的现粒子数的反转，所以产生激光的阈值阈值(开始产生激光时所需输入的能开始产生激光时所需输入的能量或功率称为阈值量或功率称为阈值)比较高比较高。Shanghai Institute of Technology 在四能级系统中，只要求
7、在四能级系统中，只要求E2的能量的能量大于大于kT， 因此，在因此，在E2上由于温度而产生上由于温度而产生热反转的粒子数很小。如果从热反转的粒子数很小。如果从E3跃迁至跃迁至E2上的粒子又可以很快地驰豫至上的粒子又可以很快地驰豫至E1而不而不是积累在是积累在E2上，则在上，则在E2上的粒子数很少，上的粒子数很少，其时，相对于其时，相对于E2 ，在，在E3上比较容易实现上比较容易实现粒子数的反转，所以在四能级系统中，粒子数的反转，所以在四能级系统中，产生激光的阈值较低。产生激光的阈值较低。Shanghai Institute of Technology三、激光工质材料的特征值三、激光工质材料的特
8、征值 激光工作物质是激光器中借以发射激激光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。光的物质。它是激光器的核心。1.材料的吸收光谱、荧光光谱和激发光谱材料的吸收光谱、荧光光谱和激发光谱 (1)材料的吸收光谱材料的吸收光谱:是指物质在光频范围是指物质在光频范围里的吸收系数按光频率分布的总体。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材料的吸收光谱直接表征发光中心与材料的组成、与材料的组成、 结构的关系以及环境对结构的关系以及环境对它的影响。它的影响。 Shanghai Institute of Technology(2)材料的荧光光谱材料的荧光光谱:发光物质发
9、射发光物质发射光子的能量按频率光子的能量按频率(或波长或波长) 分布的分布的总体称为该物质的荧光光谱，也称总体称为该物质的荧光光谱，也称发射光谱。发射光谱。 (3)材料的激发光谱材料的激发光谱:是指使物质产是指使物质产生发光时激励光按频率分布的总体。生发光时激励光按频率分布的总体。 Shanghai Institute of Technology2.荧光量子效率 荧光量子效率荧光量子效率是表征辐射系统功效大小是表征辐射系统功效大小的物理量，也是激光器的重要系数。的物理量，也是激光器的重要系数。荧光量子效率荧光量子效率 0定义为发射荧光的光子定义为发射荧光的光子数数n2与被激活物质从激励源吸收的
10、光子与被激活物质从激励源吸收的光子数数n1之比，即之比，即: 0 = n2 / n1 (7-1) 也可表示为荧光转换效率。也可表示为荧光转换效率。 Shanghai Institute of Technology 荧光转换效率荧光转换效率 E定义为发射荧光的定义为发射荧光的能量与被激活物质从激励源吸收的能能量与被激活物质从激励源吸收的能量之比，即量之比，即: E =(h21 n2)/ (hp n1) (7一一2) 式中式中: h一普朗克常数一普朗克常数; 21一荧光频率一荧光频率; p一激励源的频率。一激励源的频率。 Shanghai Institute of Technology将(7-1)
11、代入式(7-2 ) ，化简后得: E = 0 (21 )/ (p )Shanghai Institute of Technology 3.激发态寿命激发态寿命 粒子在激发态上的停留时间，称粒子在激发态上的停留时间，称激激发态寿命发态寿命，也称荧光寿命，通常用，也称荧光寿命，通常用表表示。当切断外界激发源后，荧光的强度示。当切断外界激发源后，荧光的强度随时间呈指数型衰减随时间呈指数型衰减: I= I0e -t/式中式中:I一任意时刻的荧光强度一任意时刻的荧光强度; I0一一t=0时刻的荧时刻的荧光强度光强度; 一激发态寿命一激发态寿命; t一时间一时间当当t= 时，时， I = I0/e ，所以
12、，所以也可理解为辐射荧光也可理解为辐射荧光强度强度I衰减至衰减至 初始值初始值I0的的1/e时所经历的时间。时所经历的时间。 Shanghai Institute of Technology 4.激光阈值激光阈值 激光阈值是指维持激光器内激光振激光阈值是指维持激光器内激光振荡不停止的最低条件。荡不停止的最低条件。 激光阈值常用的表达式为激光阈值常用的表达式为: R1R2e2aL= 1 (7- 5) 式中式中: R1,R2一谐振腔两个反射镜的反射率一谐振腔两个反射镜的反射率; ; L一工作物质的长度一工作物质的长度; ; a一工作物质的光放大系数。一工作物质的光放大系数。 Shanghai In
13、stitute of Technology 5.激光输出效率激光输出效率 激光器的输出特性曲线激光器的输出特性曲线:以输入激以输入激光器的能量光器的能量Ein作为横坐标作为横坐标,以激光器以激光器的输出的能量的输出的能量Eout为纵坐标作图，得为纵坐标作图，得到的曲线为激光器的输出特性曲线，到的曲线为激光器的输出特性曲线，如图如图7.5。Shanghai Institute of Technology 激光器的效率通常有激光器的效率通常有两种两种定义定义:总体效率功总体效率功 t :指输出能量或功率指输出能量或功率Pout与输入能量或功率与输入能量或功率Pin之比之比: t = Eout/Ei
14、n或或 t = Pout / Pin (7-6) 由于特性曲线不是通过原点的直由于特性曲线不是通过原点的直线，所以线，所以 t随输出能量的变化而异。随输出能量的变化而异。 Shanghai Institute of Technology斜率效率斜率效率 s :是指当输入功率是指当输入功率超出阈值很高时，激光器的输出超出阈值很高时，激光器的输出特性曲线接近直线的直线斜率，特性曲线接近直线的直线斜率，它反映输出功率随输入功率的增它反映输出功率随输入功率的增长速率。长速率。 Shanghai Institute of Technology6.谐振腔的谐振腔的Q值值 Q值即为谐振腔的品质因数，由值即为
15、谐振腔的品质因数，由下式表示下式表示: Q = 2 n L /(1- R)c 式中式中:一激光频率一激光频率; n一激光工作物质的折射率一激光工作物质的折射率; L一谐振腔的长度一谐振腔的长度; R一半反射镜的反射率一半反射镜的反射率; C一光速。一光速。 Shanghai Institute of Technology第二节第二节 稀土激光材料稀土激光材料 激光与稀土激光材料是同时诞生的。自激光与稀土激光材料是同时诞生的。自从从1960年在红宝石中出现激光以来年在红宝石中出现激光以来,同年就同年就发现用掺钐的氟化钙发现用掺钐的氟化钙(CaF2: Sm3+ )可输出脉可输出脉冲激光。稀土是激光
16、工作物质中很重要的冲激光。稀土是激光工作物质中很重要的元素，元素，90%的激光材料都与稀土有关。稀土的激光材料都与稀土有关。稀土激光材料可分为固体、液体和气体三大类，激光材料可分为固体、液体和气体三大类，以稀土以稀土 固体激光材料的应用最广。固体激光材料的应用最广。 Shanghai Institute of Technology一、稀土固体激光材料一、稀土固体激光材料 固体激光工作物质主要用于固体固体激光工作物质主要用于固体激光器中，它应具备的激光器中，它应具备的基本条件基本条件是是:材料应具有合适的光谱特性，激发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态吸收要小，应具有
17、良好的光学均匀性、稳定性和物化性能。匀性、稳定性和物化性能。 稀土固稀土固体激光工作物质分为晶体和非晶体体激光工作物质分为晶体和非晶体两种。两种。 Shanghai Institute of Technology 1.稀土晶体激光材料稀土晶体激光材料 绝大部分的激光晶体是含有激绝大部分的激光晶体是含有激活离子的荧光晶体。按照晶体的活离子的荧光晶体。按照晶体的组成分类，它们又可分为组成分类，它们又可分为掺杂型掺杂型激光晶体和激光晶体和自激活自激活的激光晶体两的激光晶体两类，类， 前者占了现有激光晶体的绝前者占了现有激光晶体的绝大部分。稀土激光晶体占激光晶大部分。稀土激光晶体占激光晶体的体的 90
18、%以上。以上。 Shanghai Institute of Technology (1)掺杂型激光晶体掺杂型激光晶体: 掺杂型激光晶体由激活离子和基质晶掺杂型激光晶体由激活离子和基质晶体两部分组成。体两部分组成。 现有的激活离子主要有现有的激活离子主要有:Ce3+、Pr3+ 、Nd3+ 、Sm3+ 、Eu3+ 、Tb3+ 、 Dy3+ 、Ho3+ 、Er3+ 、Tm3+ 、Yb3+ 、Sm2+、Dy2+和和Tm2+ ，但只用了，但只用了48 个个f-f跃迁，跃迁，激光波长的范围从约激光波长的范围从约0.45-5.15m;近来又近来又实现了实现了 d一一f跃迁的激光输出，使激光波跃迁的激光输出，
19、使激光波长的范围扩展至真空紫外长的范围扩展至真空紫外(约约 6.17m)。 Shanghai Institute of Technology 可作为激光晶体的稀土基质很多，可作为激光晶体的稀土基质很多，目前已研究过的基质有以下目前已研究过的基质有以下 几类几类: (1)氟化物氟化物:如如CaF2，LaF3等等; (2)复合氟化物复合氟化物:如如LiHoF4， K5NdLi2Fl0等等; (3)无序的复合氟化物无序的复合氟化物:如如SrF2 - REF3 (RE = La，Ce，Nd，Gd，Er，Lu， Y，SC)等等; Shanghai Institute of Technology(4)卤化
20、物卤化物:如如LaCI3、PrBr3等等; (5)简单氧化物简单氧化物:如如Y2O3，ZrO2Er2O3 等等; (6)硫氧化物硫氧化物:如如La2O2S，Y2O2S; (7)铍酸盐铍酸盐:如如La2BeO5等等; (8)硼酸盐硼酸盐: YAl3 (BO3)4， NdAl3 (BO3)4 等等; (9)钪酸盐钪酸盐: GdScO3 ， CaSc2O4等等; (10)铝酸盐铝酸盐:ErAlO3，SrAl12O19等等; Shanghai Institute of Technology(11)石榴石石榴石: (Er,Yb) 3Al5O12， Y3Sc2Gd3O12等等;(12)硅酸盐硅酸盐: Lu
21、2SiO5 Nd3Ga5SiO12等等; (13)锗酸盐锗酸盐:Bi4Ge3O12,Sr3Ga2Ge4O14等等; (14)磷酸盐磷酸盐: PrP5O14 ，KNdP4O12等等; (15)钒酸盐钒酸盐: ErVO4 ，Ca3 (VO4) 2等等; (16)铌酸盐铌酸盐: LiNbO3， LaNbO4等等;(17)钨酸盐钨酸盐: CaWO4 ,Na0.5Gd0.5 WO4等等;(18)钼酸盐钼酸盐: Gd2(MoO4)3, K5Bi (MoO4) 4 Shanghai Institute of Technology较好的晶体材料较好的晶体材料有有: Y3Al5O12: Nd3+； Gd3Sc2
22、Ga3O12: Nd 3+,Cr 3+ ； (Gd,Ca)3(Ga,Mg,Zr)5O12: Nd3+,Cr3+ ; YVO4: Nd3+和和 YLiF4:Nd 3+ 。 表表7.1列出已经实现激光振荡的稀列出已经实现激光振荡的稀土晶体材料及其激光性能。土晶体材料及其激光性能。 Shanghai Institute of Technology (2)自激活激光晶体自激活激光晶体自激活激光晶体：自激活激光晶体：当激活离子成为基质的当激活离子成为基质的一种组成时，形成所谓的一种组成时，形成所谓的自激活晶体自激活晶体。 在在一般激光材料一般激光材料中，当激活离子的浓中，当激活离子的浓度增度增高高时，由
23、于它们彼此之间的间隔减时，由于它们彼此之间的间隔减小小而易引起离子对的而易引起离子对的相互作用相互作用或交叉弛豫，或交叉弛豫，从而发生浓度从而发生浓度猝灭猝灭。Shanghai Institute of Technology 但在但在自激活晶体自激活晶体NdP5O14中中,由由于激活离子之间被于激活离子之间被 (PO4)3-等基因所等基因所隔离隔离,使激活离子之间的间隔使激活离子之间的间隔大大至至50 - 60pm，减少减少了离子之间的多极了离子之间的多极相互作用及交换作用相互作用及交换作用,从而从而减少减少了了浓度浓度猝灭猝灭.Shanghai Institute of Technology
24、 2.稀土非晶体激光材料稀土非晶体激光材料 非晶体基质主要是玻璃。尽管在非晶体基质主要是玻璃。尽管在玻璃中激活离子的发光性能不如在晶玻璃中激活离子的发光性能不如在晶体中的好，如荧光谱线较宽等。但因体中的好，如荧光谱线较宽等。但因其容易制成光学质量高的大型元件，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，能够均匀地掺入高浓度的激活离子，获得高的激光效率等，获得高的激光效率等，激光玻璃激光玻璃己成己成为为大大能量、能量、高高功率固体激光器重要的功率固体激光器重要的工作物质。工作物质。 Shanghai Institute of Technology 在玻璃中可产生激光的稀土激在
25、玻璃中可产生激光的稀土激活离子有活离子有Nd3+ 、Er3+ 、Ho3+ 、Tm3+等三价离子。激光基质玻璃有硅等三价离子。激光基质玻璃有硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、氟磷酸酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、氟磷酸盐玻璃、氟铍酸盐玻璃、氟锆酸盐玻璃、氟铍酸盐玻璃、氟锆酸盐玻璃、锗酸盐玻璃、碲酸盐玻盐玻璃、锗酸盐玻璃、碲酸盐玻璃和硼酸盐玻璃等。璃和硼酸盐玻璃等。 Shanghai Institute of Technology 光纤材料光纤材料：光通信中用于传播：光通信中用于传播光信息的光学纤维所用的材料，称光信息的光学纤维所用的材料，称为光纤材料，又称为光波导纤维材为光纤材料，又称为光波导纤维材料。料。 Nd3+ 、Er3+ 、Ho3+ 、Tm3+等稀土等稀土离子掺杂的氟锆酸盐玻璃光纤均已离子掺杂的氟锆酸盐玻璃光纤均已获得激光输出，波长从获得激光输出，波长从0.82m到到 2.8m，有许多波段还实现了可调，有许多波段还实现了可调谐激光输出。谐激光输出。
