《激光材料》PPT课件

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1、第八章固体激光材料固体激光器在各种激光器中占主导地位，并且广泛应用于国防、工业、医学和科研等领域。固体激光材料是发展固体激光器的核心和关键。本章首先讨论固体激光材料的物理基础，然后重点介绍典型的激光警惕和激光玻璃的性能特点、制备和应用。8.1、固体激光材料物理基础一、光的受激辐射光和物质共振作用中的受激辐射是激光材料的物理基础。1.黑体辐射如果某一物质能够完全吸收任何波长的电磁辐射，则称为绝对黑体，简称黑体。黑体处于某一温度T的热平衡时，它所吸收的辐射能量等于发出的辐射能量，即黑体与辐射场之间处于能量（热）平衡状态。这种平衡

2、导致黑体（空腔）内具有完全确定的辐射场，这种辐射场称为黑体辐射或平衡辐射。2.受激辐射和自发辐射黑体辐射是辐射场和构成黑体的物质原子相互作用的结果。为简化问题，只考虑两个能级和，并有单位体积内处于二能级的原子数分别为和,如图8.1所示。爱因斯坦从辐射与原子相互作用的量子理论观点出发提出：上述相互作用包含三个过程，即原子的自发辐射跃迁、受激吸收跃迁和受激辐射跃迁，如图8.2所示。（1）自发辐射处于高能级的一个原子自发想跃迁，并发射出一个能量为的光子，这个过程称为自发跃迁（图8.2(a)）。由原子自发跃迁发出的光波称为自发辐射，

3、自发跃迁过程用自发跃迁几率描述。只决定于原子本身的性质。（2）受激吸收处于低能级的一个原子，在频率为的辐射场作用（激励）下，吸收一个能量为的光子并向能级跃迁，这个过程称为受激吸收跃迁（图8.2(b)）。用受激吸收系数W12描述,公式W12不仅与原子的性质有关,还与辐射场的成正比。（3）受激辐射处于高能级的原子在频率的辐射场的作用下,跃迁至低能级并发射一个能量为的光子,这个过程称为受激辐射跃迁,它是受激吸收跃迁的反过程（图8.2(c)）。受激辐射跃迁发出的光波称为受激辐射。受激辐射跃迁几率用W12表示，３．受激辐射的相干性如前

4、所述，自发辐射是原子在不受外界辐射场控制下的自发过程，因此，大量原子的自发辐射场的相位是无规则分布的受激辐射是在外界辐射场控制下的发光过程，因此受激辐射光子与入射光子属于同一光子态。1.光放大条件――粒子数反转物质处于热平衡状态时，各能级上的原子数服从玻耳兹曼统计分布，令公式中f1=f2。因E２>E1,所以n2n1，便可以实现光放大。n2>n1时，称为粒（

5、原）子数反转（也可称为集居数反转），是光的放大条件。二、光放大２.光放大物质的增益处于离子数反转状态的物质成为激活物质。异端激活物质就是一个噶放大器，放大作用的大小通常用增益系数g来描述。如图8.5所示的增益物质的光放大，设在光的传播方向上z处的光强为I(z)，则增益系数定义为式中g(z)――光通过单位长度即或物质后光强增加的百分数。在光放大的同时，通常还存在着光的损耗，并用损耗系数来描述。定义为光通过激活物质单位距离后光强衰减的百分数，表示为同时考虑增益和损耗，则有若有光强为I0的微弱光进入一无限放大器，起初，光强I(

6、z)将按小信号放大规律增大。但随I(z)的增加，g(I)将由于饱和效应而减小，因而I(z)的增长将逐渐变缓。最后，当g(I)=时，I(z)达到一个稳定的极限值Im。由上述公式可见，Im只与放大器本身的参数有关，而与初始光强I0无关。无论初始光强I0多么微弱，只要放大器足够长，就能形成确定大小的光强Im，这种现象称为自激振荡。实际上并不需要真正把激活物质（放大器）的长度无限增加，而只要在具有一定长度的光的放大器两端放置光谐振腔，便可实现自激振荡，如图8.6所示。三、光的自动振荡固体激光工作物质是将激活离子掺入基质材料而构成的

7、。即或离子是发光中心，他的能级结构决定激光光谱特性，而基质材料主要决定物质的物理、化学和机械性能。8.2基质与激活离子为了获得高的输出功率，降低激光运行阈值，要求如下：１．具有高的荧光量子效率２．光学只来年感高，缺陷少，内应力小。在材料中不产身入射光的波面畸变和偏振态的变化。３．在激光工作频率范围透明，当光激励产生色新时，不会引起吸收的显著增加。４．掺入的激活离子具有有效的激励光谱和大的受激发射截面，吸收光谱与泵浦光的辐射谱有尽可能的重叠。５．能掺入较高浓度的激活离子，浓度猝灭效应小，荧光寿命足够长。６．具有良好的物理、换学

8、和机械性能。７．制备工艺简单，加工容易，成本低，并可获得足够大的尺寸。常见固体激光工作物质有红宝石、掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）和钕玻璃三种。其中Nd:YAG是使用化固体激光器件中主要使用的激光工作物质。一、对固体激光材料的基本要求基质材料应能为激活离子提供合适的配位物，并具有优良的机械