第8章激光材料.ppt
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，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，,受激辐射的相干性如前所述，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EE1,所以n2n1，便可以实现光放大。n2n1时，称为粒（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,.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(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。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：具有高的荧光量子效率光学只来年感高，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。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。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。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。具有良好的物理、换学和机械性能。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，并具有优良的机械性能和高的光学质量。常用的基质材料有晶体和玻璃两大类。1.基质晶体 在基质晶体中离子呈有序排列，掺杂后，形成掺杂的离子型晶体。有序的晶格场对各离子的影响相同，离子谱线为均匀加宽。基质晶体热导率高、硬度高、荧光谱线较窄，但其光学质量和掺杂的均匀性通常比基质玻璃差。2.基质玻璃 玻璃中主要元素以共价键结合，形成网络结构，其结构特点是近程有序而长程无序，掺入激活离子处于网络之外的空隙中。与晶体基质相比，玻璃基质的主要缺点是热导率低和荧光谱线宽，但玻璃基质易制造、成本低，易掺杂、均匀性好，是大功率和高能量激光器中使用的重要基质材料。,二、基质材料,激活离子是发光中心，离子的电子组态中，未被填满层的电子处于不同轨道运动和自旋运动状态，形成一系列能级。激活离子主要包括稀土离子、过渡族金属离子和锕系离子。,三、激活离子,激活离子本身是基质晶体组成部分的激光工作物质，称为正分高浓度晶体。它可实现高掺杂而无明显的浓度猝灭效应，并且具有高效率和低阈值等优点，因而微型激光器较位理想的工作物质。,四、正分高浓度激光晶体,为提高固体激光器的效率，有时采用多掺杂进行敏化。敏化是指在晶体中除了发光中心的激活离子外，再掺入一种或多种敏化剂的施主离子。敏化剂的作用是吸收激活离子不吸收的光谱能量，并将吸收的能量转移给激活俩。敏化途径虽然有效，但双掺或多掺警惕生长困难，制备工艺复杂，成本高。,五、多掺杂敏化,稀土离子（RE）掺入晶体基质，一般摩尔分式在1%左右。虽然目前已有200多种掺RE离子的激光晶体，但只有少数几种具有实际应用价值。1.掺稀土离子晶体的激光发射 稀土离子掺入不同的氧化物和氟化物晶体中，存在数百条激光发射谱线。RE3+离子的4f4f和4f5d能级跃迁，覆盖了从紫外线至红外的波长,如图8.7所示。,8.3、激光晶体,一、掺稀土离子的激光晶体,（1）掺Nd3+钇铝石榴石 掺Nd3+钇铝石榴石（Nd3+：Y3Al5O12）是钇铝石榴石Y3Al5O12（YAG）基质晶体中的部分Y3+被激活离子Nd3+取代后形成的。图8.8所示为Nd3+的能级结构，图中4F3/2为亚稳能级。Nd:YAG晶体具有优良的物理、化学和激光性能，量子效率高，大于99.5%；荧光寿命长大230*；激光特性稳定、受温度影响小。Nd:YAG晶体是目前实现化程度最高的激光晶体。（2）掺Nd3+铝酸钇 掺Nd3+铝酸钇晶体，简写为Nd:YAP，化学式为Nd3+：YAlO3，Nd:YAP的物理和机械性质与Nd:YAP接近，它们都是Y2O3和Al2O3 的二元化合物，只是两者的成分、比例不同。（1(3)掺Nd3+的氟化钇锂 氟化钇锂YLiF4,，简记为YLF，是一种可实现多种激光波长的晶体。掺Nd3+的氟化钇锂，简记为Nd:YLF，单轴晶体，四方晶系，其机械性能和导热性均不如Nd:YAG，它具有非线性折射率小、损伤阈值高等优点。惯性约束聚变磷酸盐钕玻璃MOPA系统中，常用Nd:YLF作为调Q工作主振荡器的工作物质，提供高稳定、高光束质量的纳秒脉冲种子光源。,2.掺Nd3+离子激光晶体,掺Er 3+、Tm 3+、Ho 3+离子晶体可产生许多辐射跃迁，能获得有实用价值的近红外激光输出。,3.掺Er3+、Tm 3+、Ho 3+离子激光晶体,(1)掺Er3+离子的激光晶体 图8.12示出Er 3+离子在晶体中的简化能级。,(2)掺Tm 3+离子的激光晶体 图8.13所示为离子在晶体中的简化能级，激光发射是通过两组能级的跃迁，即Tm 3+的3H4和3F4。,（3）掺Ho3+离子的激光晶体 图8.14示出Ho3+离子在晶体中的简化能级。,Pr 3+的3P0-3H4能级跃迁可获得激光发射，其波长约为0.5 m，由于其阈值高且低温运转，实际应用价值低，而3P0至3F子能级跃迁的激光输出更有意义。,3、掺Pr3+和Yb 3+离子激光晶体,1.掺过渡金属离子（TM）晶体的发射晶体 在产生激光的过渡族金属离子中主要是电子组态为3d的离子，如Ti3+、Cr4+、Cr3+、V2+、Ni2+、Co2+。与RE离子激活的激光晶体相比，掺TM离子的激光晶体由于具有更宽的荧光线宽，不易发生受激辐射。2.掺Cr3+、V2+离子的激光的晶体 离子的4T2和2E能级间隔取决于晶体场强（Dq）。高场情况下发生2E 4A2跃迁，荧光线宽窄；低场情况下产生4T2 4A2 跃迁的宽带荧光。,二、掺过渡金属离子的激光晶体,(1)红宝石激光晶体 红宝石的化学表达式为Cr3+:Al2O3，是在蓝宝石晶体（刚玉Al2O3中掺入少量Cr3+，使激活离子Cr3+部分取代Al3+而形成的。红宝石硬度高、热导率高、化学组分和结构稳定，而且具有强的抗腐蚀和抗光损伤能力。红宝石为典型的三能级系统，与激光跃迁有关的简化能级结构见图8.15。图8.16示出红宝石中的Cr3+吸收光谱。由图可知，红宝石有来年各个很强且很宽的吸收带，带宽约为100nm。温度对红宝石性能的影响十分显著，主要表现为温度升高，输出的中心波长想长波方向移动，荧光谱线加宽和来年工资效率下降等。红宝石的突出优点是：机械强度高，能承受很高的功率密度，易生长大尺寸晶体，亚稳态寿命长，储能大，输出能来年感高；荧光谱线窄，易获得大能量单模输出；输出为可见光，使用于需要可见光的场合。主要缺点是阈值高，性能随温度变化明显，在低温下不能用做连续和高重复率器件。用红宝石制成的脉冲器件，输出能量达数千焦耳，峰值功率达107W，多级放大后可达1091010W。,（）掺V2+的激光晶体 V2+离子与Cr3+离子具有相同的电子构型（3d3），但与Cr3+离子相比，由于其价态低，晶格场相对较弱，因此掺V2+晶体的激光波长位于长波段。掺V2+离子的氟化物晶体具有长的荧光寿命、宽的吸收带和高的激光损伤阈值，使用于长脉冲闪光灯泵浦的激光器和放大器。,3掺Co2+和Ni2+离子的激光晶体,从氟化物到氧化物基质，Ni2+离子的吸收和荧光谱带向短波长移动。Ni2+：GGG晶体的激光性介于Ni2+：MgF2和Ni2+：MgO晶体之间。,波长可调谐的激光发射大多数掺杂过渡金属离子(TM)的晶体，由于掺杂离子与基质晶体间强烈的相互作用，在可见和近红外区具有很强的吸收，可以选择各种泵浦而产生可调谐激光。图8.17示出掺TM激光晶体的可调谐波长范围。掺钛蓝宝石激光晶体掺钛蓝宝石激光晶体（Ti3+:Al2O3）是最吸引人注目的宽带可调谐固体激光材料。采用不同的泵浦源，如调Q Nd:YAG倍频激光、铜蒸发激光、氩离子激光和准分子激光泵浦Ti3+:Al2O3，晶体获得脉冲、准连续和连续激光输出。图8.18示出了Ti3+:Al2O3吸收和荧光光谱。由于离子与基质晶格之间的强耦合引起吸引带和荧光带增宽、间隔变大，这对于大范围的可调谐激光输出起到了关键的作用。除了具有优良的光谱和激光特性外，还有蓝宝石基质自身的材料优势，如热导率非常高和化学性质异常稳定等，且晶体的生长技术成熟，是一种应用广泛的可调谐激光晶体。,三、可调谐激光晶体,1掺铬铝酸铍激光晶体（绿宝石）掺铬铝酸铍激光晶体（Cr3+:BeAl2O4），图8.19所示为绿宝石的吸收光谱，由图可见，绿宝石的吸收带和红宝石非常接近。绿宝石具有较高的硬度、强度、化学稳定以及高热导率（是红宝石的2/3倍，YAG的2倍），因而在大平均功率泵浦时不会因发热而断裂。绿宝石的主要缺点是：发射截面低，损伤几率和热透镜效应高。（通过提高晶体质量和合理设计激光系统，可克服上述缺点。）掺铬氟铝酸盐激光晶体掺铬氟铝酸盐激光晶体主要有两种，Cr:LiCaAlF6和Cr:LiSrAlF6。与Ti3+:Al2O3晶体相比，它们具有宽的吸收带，覆盖了Xe灯发射带,并且荧光寿命较高,可作为闪光等泵浦的高功率激光放大介质。Cr:LiSrAlF6基质晶体的机械性能远低于钛蓝宝石晶体，且稳定性差，限制了其广泛应用。,掺铬镁橄榄石和钇铝石榴石激光晶体 调谐波长扩展至近红外区.掺稀土离子可调谐激光晶体当三价稀土离子掺入低对称的晶体时，由于上下能级出现大量多重子能级，使激光发射谱带加宽。掺稀土离子的可调谐激光晶体中最引人注目的是掺Ce3+氟化物晶体，它能使可调谐激光向紫外区扩展，其振动特性的激光起源于5d2F7/2和2F5/2(4f)能级跃迁。,激光玻璃的激光特性取决于基质玻璃的结构和掺杂离子的格位状态，目前，只有稀土离子在基质玻璃中实现了激光运转。在这一节中首先讨论掺杂稀土离子玻璃的激光发射，然后介绍钕玻璃和铒玻璃两种主要的激光玻璃。,8.4 激光玻璃,一、掺稀土离子的激光发射由于玻璃基质无序结构的随机效应，玻璃中稀土离子的发光线宽被扩大，因而必须根据稀土离子的光谱特性，选择与稀土离子4fn电子组态有关的能级来满足光学泵浦产生激光的需要。玻璃中的激光发射只能在三价稀土离子中观察到。,二、钕激光玻璃钕激光玻璃是在某种成分的基质玻璃中掺入适量的Nd2O3制成的。目前，常用的钕玻璃主要是硅酸盐和磷酸盐钕玻璃。Nd3+在玻璃中和在晶体中的能级结构相似，只是能级的高度和宽度略有不同。图.22为玻璃中Nd3+的简化能级图，玻璃中的Nd3+离子属四能级系统。,图.23为硅酸盐钕玻璃的吸收光谱，它与Nd:YAG的吸收光谱相似，但吸收带较宽，对应于4F3/2向4I9/2、4I11/2和4I13/2的跃迁有三条荧光谱线。,表8.21列出了硅酸盐和磷酸盐钕玻璃的物理和光学性质。与硅酸盐钕玻璃相比较，磷酸盐的主要特点是，有较大的受激发射截面和较小的非线性折射率，4F3/24I11/2中心波长为1.054m。磷酸盐钕玻璃是目前核聚变固体激光器驱动器中的主要激光工作物质。钕玻璃荧光寿命长，且具有高储能特点，适用于高能量脉冲工作。钕玻璃的荧光线宽很宽，适于制作超短脉冲锁模器件。钕玻璃的主要缺点是热导率低（约为Nd:YAG的1/10），热膨胀系数不大，不适用于连续或重复频率非常高的激光运转。,三、铒激光玻璃铒激光玻璃最主要的激光波长是近红外区的1.51.6m。Er激光玻璃常用Er3+Yb3+离子共掺杂来敏化Er3+离子的激光发射。图8.24给出了Er3+Yb3+离子共掺杂激光玻璃的吸收光谱。Er3+离子和Yb3+离子之间的能量转移方案由图8.25给出。由于硼酸盐玻璃基质和Er3+离子相互作用强，以至Er3+离子的发射寿命很短，因此，磷酸盐玻璃是掺铒激光玻璃较合适的基质。采用Nd3+-Yb3+-Er3+敏化，获得了一种低重复速率、闪光灯泵浦的1.54m磷酸盐激光玻璃，其2.5ms脉冲的输出能量达350mJ。1.54m的铒玻璃对人眼安全，应用前景广阔，因而备受重视。,
