章固體激光材料

8.1固體激光材料物理基礎8.2基質與激活離子8.3激光晶體8.4激光玻璃2021/6/271激光激光英文單詞為：Laser,它是英文LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation的縮寫,意思是受激輻射的光放大。2021/6/2721、三種躍遷

受激吸收概率：為愛因斯坦吸收系數,只與粒子本身的性質有關。為輻射場能量密度

為E1能級上的原子數密度,(1)受激吸收處于低能級態的原子在一定條件下的輻射場作用下，吸收一個光子，躍遷到高能級態。8.1固體激光材料的物理基礎2021/6/273(2)自發輻射

光子能量：自發躍遷概率：處于高能級態的原子自發躍遷到低能級態，并同時向外輻射出一個光子（自發輻射只與原子本身性質有關，與輻射場的無關）。2021/6/274(3)受激輻射受激輻射的概率：稱為愛因斯坦受激發射系數。處于高能級態的原子在一定條件下的輻射場作用下，躍遷到低能級態，并同時輻射出一個與入射光子完全一樣的光子。受激輻射與自發輻射的重要區別在于其相干性。2021/6/2752.自發輻射與受激輻射的區別原子的自發輻射過程完全是一種隨機過程，各發光原子的發光過程各自獨立，互不關聯，即所輻射的光在發射方向上是無規則的射向四面八方，另外位相、偏振狀態也各不相同。由于激發能級有一個寬度，所以發射光的頻率也不是單一的，而有一個范圍。受激輻射時,原子可發出與誘發光子全同的光子，不僅頻率（能量）相同，而且發射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一樣。2021/6/276必要條件：粒子數反轉分布和減少振蕩模式充分條件：起振和穩定振蕩（形成穩定激光）3、激光產生的條件2021/6/2774、粒子數反轉

一個誘發光子不僅能引起受激輻射，而且它也能引起受激吸收，所以只有當處在高能級的原子數目比處在低能級的還多時，受激輻射躍遷才能超過受激吸收，而占優勢。由此可見，為使光源發射激光的關鍵是發光原子處在高能級的數目比低能級上的多，這種情況，稱為粒子數反轉。但在熱平衡條件下，原子幾乎都處于最低能級（基態）。因此，如何從技術上實現粒子數反轉則是產生激光的必要條件。2021/6/2785、工作物質、亞穩態

前面分析了產生激光的必要條件是受激輻射，而粒子數反轉又是產生激光的一個條件，激光的產生必須選擇合適的工作介質，可以是氣體、液體、固體或半導體。在這種介質中可以實現粒子數反轉，以制造獲得激光的必要條件。顯然亞穩態能級的存在對實現粒子數反轉是非常必須的。2021/6/279①

二能級系統不能充當激光工作物質,因為其不能實現粒子反轉。如果激光器運轉過程中有關的能級只有兩個，用有效的激勵手段把處于下能級E1的原子盡可能多地抽運到上能級E2。設能級E1和E2上單位體積內的原子數分別為n1和n2，自發輻射、受激吸收和受激輻射的概率分別為A21、W12和W21。如果能級統計權重相等，因而W12=W21=W。E2能級上粒子數n2的速率方程為

dn2/dt=W(n1-n2)-A21n2,當達到穩定時，dn2/dt=0，n2/n1=W/(W+A21)，可見，不管激勵手段如何強，（A21+W）總是大于W，所以n2＜n1。這表明，對二能級系統的物質來說，不能實現粒子數反轉。6、形成粒子數反轉的結構-----原子能級系統2021/6/2710②激光物質是三能級或四能級結構。如果激勵過程使原子從基態E1以很大概率W13抽運到E3能級，處于E3的原子可以通過自發輻射躍遷回到E2或E1。假定從E3回到E2的概率A32大大超過從E3回到E1的概率A31，也超過從E2回到E1的概率A21，則利用泵浦抽運使W13＞W23或W13＞W12時，E2和E1之間就可能形成粒子數反轉。

三能級系統n2n1n3E1E2E32021/6/2711

在外界激勵下，基態E1的粒子大量地躍遷到E4，然后迅速轉移到E3。E3能級為亞穩態，壽命較長。E2能級壽命較短，因而到達E2上的粒子會很快回到基態E1。所以在E3和E2之間可能實現粒子數反轉。由于激光下能級不是基態，而是激發態E2，所以在室溫下激光下能級的粒子數很少，因而E3和E2間的粒子數反轉比三能級系統容易實現。n1四能級系統E1E2E3E4N2n3n4(快）(慢）2021/6/27127、光放大物質的增益增益系數:光通過單位長度激活物質后光強增加的百分數.①若n2-n1不隨z變化,則增益系數g(z)為一常數g0(線性增益或小信號增益),將上式積分,得2021/6/2713增益系數②n2(z)-n1(z)隨z的變化而變化,增益系數g(z)隨z的增加而減小,稱為增益飽和效應.當I?Is時,g(I)=g0為常數,且不隨z變化,即小信號情況.當I?Is不能滿足時,g(I)為大信號增益系數或飽和增益系數.2021/6/27148、光的自激振蕩損耗系數:光通過激活物質單位距離后光強衰減的百分數.同時考慮增益和損耗，則有當時，說明Im只與放大器本身的參數有關，而與初始光強I0無關。無論初始光強I0多么微弱，只要放大器足夠長，就能形成確定大小的光強Im，這種現象稱為自激振蕩。這表明,當放大器足夠長時,它可能成為一個自激振蕩器.2021/6/27159、諧振腔諧振腔的作用是模式選擇和提供軸向光波模的反饋.光學諧振腔結構2021/6/271610、起振條件－－閾值條件，穩定振蕩條件－－增益飽和效應

由于R2<1，光在鏡面上總有透射損失，鏡面和腔內激活介質還存在吸收、散射等損失。因此光的增益超過損失時，光波才能被放大，進而振蕩，即有閾值。激光強度將隨傳播距離的增加而呈指數關系上升，但是激光強度不會無限制的增大。當入射光強度足夠弱時，增益系數與光強無關，是一個常量；而當入射光強增加到一定時，增益系數將減小，這種現象稱為增益飽和現象。2021/6/271711、泵浦源必須用外界能量來激勵工作物質，建立粒子數反轉分布狀態。將粒子從低能級抽運到高能級態的裝置，稱為泵浦源。它是形成激光的外因。激光器是一個能量轉換器件，它將泵浦源輸入的能量轉變為激光能量。從直接完成粒子數反轉的方式來分，泵浦方式可分為：光激勵方式，氣體輝光放電或高頻放電方式，直接注入電子方式，化學反應方式還有熱激勵、沖擊波、電子束、核能等方式。2021/6/271812、激光產生和激光器的組成激光器有三部分組成：工作物質、諧振腔和泵浦源2021/6/2719燈泵浦的激光器結構圖2021/6/272013、激光的特點激光的四大特征

1方向性好

2單色性好

3相干性好

4亮度高2021/6/272115、常見激光器的種類固體激光器（紅寶石激光器）氣體激光器（氦—氖激光器）染料激光器（用在液體中能發出熒光的有機染料分子作為激活劑）半導體激光器2021/6/27228.2基質與激活離子一、對固體激光材料的基本要求①具有高的熒光量子效率.②光學質量高,缺陷少,內應力小.在材料中不產生入射光的波面畸變偏振態的變化.③在激光工作頻率范圍透明,當光激勵產生色心時,不會引起吸收的顯著增加.④摻入的激活離子具有有效的激勵光譜和大的受激發射截面,吸收光譜與泵浦光的輻射光譜有盡可能多的重疊.⑤能摻入較高濃度的激活離子,濃度猝滅效應小,熒光壽命足夠長.⑥具有良好的物理、化學和機械性能.熱導率高,熱膨脹系數小,化學穩定性好,機械強度高,耐水性好,熔點高,能承受高功率密度等.⑦制備工藝簡單,加工容易,成本低,并可獲得足夠大的尺寸.2021/6/2723二、基質材料基質晶體優點：熱導率高、硬度高、熒光譜線較窄。缺點：光學質量和摻雜的均勻性比基質玻璃差。①金屬氧化物。如藍寶石、釔鋁石榴石、釔鎵石榴石、釓鎵石榴石和氣體釔等；②磷酸鹽、硅酸鹽、鋁酸鹽、鉬酸鹽、鋇酸鹽、鈹酸鹽晶體，如氟磷酸鈣、五磷酸釹、鋁酸釔、鋁酸鎂鑭、鎢酸鈣、鉬酸鈣、鋇酸釔、鈹酸鑭等；③氟化物，氟化釔鋰、氟化鈣、氟化鋇和氟化鎂等。基質玻璃優點：易制造、成本低，易摻雜、均勻性好，是大功率和高能量激光器中使用的重要基質材料。缺點：熱導率低、熒光譜線寬。硅酸鹽、磷酸鹽、氟磷酸鹽、硼酸鹽玻璃等。2021/6/2724三、激活離子1.稀土離子三價：釹、鐠、釤、銪、鏑、鈥、鉺、鐿等二價：釤、鉺、銩、鏑等過渡族金屬離子三價