光学材料修

YAG的物理性质
化学式 Nd:Y3A15O12 晶体结构 立方晶系 晶格常数 12.01Ä 掺杂度 -1.2 x 1020 cm-3 熔点 1970 °C 密度 4.56 g/cm3 莫氏硬度 8.5 折射率 1.82 热膨胀系数 7.8 x 10-6 /K [111], 0 - 250 °C 热导率 14 W/m /K 20°C , 10.5 W /m /K 100°C
2.1.1氧化铝透明陶瓷
氧化铝透明陶瓷是最早投入生 产的透明陶瓷材料。这种透明 陶瓷不仅能有效透过可见光和 红外线 ，而且具有较高的热 导率、较大的高温强度、良好 的热稳定性和耐腐蚀性。 主要应用于高压钠灯灯管、高 温红外探测窗、高频绝缘材料 及集成电路基片材料等。
高压钠灯——“人造小太阳 °的高温 人造小太阳” 高压钠灯 1、钠蒸气放电会产生超过 ” 人造小太阳 、钠蒸气放电会产生超过1000°
透明材料、激光材料 透明材料 激光材料、光线材料、发光材料、 激光材料 光存储材料、非线性材料等
透明材料
1.简介 2.透明陶瓷的发展 3.影响透明陶瓷性能的主要因素
所谓透明陶瓷就是能透 过光线的陶瓷。 过光线的陶瓷。 通常陶瓷是不透明的， 通常陶瓷是不透明的， 选用高纯原料， 选用高纯原料，并通过工艺手段排 其原因是陶瓷材料内部 其原因是陶瓷材料内部 除气孔就可能获得透明陶瓷。 除气孔就可能获得透明陶瓷。 含有杂质和气孔， 含有杂质和气孔，前者 吸收光， 能吸收光，后者令光产 散射， 生散射，使得光线几乎 无法透过陶瓷体。 无法透过陶瓷体。
1.简介 简介
透明陶瓷具有陶瓷固有的耐高温、耐腐蚀、 透明陶瓷具有陶瓷固有的耐高温、耐腐蚀、 高绝缘、高强度等特性， 高绝缘、高强度等特性，又具有玻璃的光 学性能。 学性能。 在光学、照明技术、 高温技术、 在光学、照明技术、 高温技术、激光技 术及特种仪器制造等领域具有特殊的用途。 术及特种仪器制造等领域具有特殊的用途。
E2
hv = E2-E1
E1
Байду номын сангаас
上的粒子， 受激发射： 受激发射：处在高能级E2上的粒子，在发射前受到频率为hv 的光子作用下， = E2-E1 的光子作用下，受激跃迁到低能级E1上并发出频率为 v的光子的过程，称为受激辐射 的光子的过程，
E2
hv = E2-E1
E1
产生激光
hv = E2-E1 hv = E2-E1
激光器的结构
谐振腔 工作物质 激励源
激光工作物质
气体：氦氖、氩离子、 气体 氦氖、氩离子、CO2、N2、O2 液体：稀土元素的二元酮有机溶液， 液体 稀土元素的二元酮有机溶液，有机燃料 固体
晶 体: 非晶体：玻璃(硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐、氟化物)
固体激光材料组成
激活粒子
——在固体中提供亚稳态能级 在固体中提供亚稳态能级 由光泵作用激发振荡出一定波长的光 ——希望是四能级的 希望是四能级的 ——二价和三价的铁系、镧系、锕系元素 二价和三价的铁系、 二价和三价的铁系 镧系、
透射束 If= I0- I吸收- I反射 β
在金属中，由于价带与导带是重叠的，它们之间 金属中 由于价带与导带是重叠的， 没有能隙，因此，无论入射光子的能量hv多小 多小， 没有能隙，因此，无论入射光子的能量 多小， 电子都可以吸收它而跃迁到一个新的能态上去。 电子都可以吸收它而跃迁到一个新的能态上去。 金属能吸收各种波长的光，因而是不透明的。 金属能吸收各种波长的光，因而是不透明的。 对于多数绝缘体 绝缘体， 对于多数绝缘体，由于在价带和导带间有大的能 电子不能获得足够的能量逃逸出价带， 隙，电子不能获得足够的能量逃逸出价带，因此 也就不发生吸收。 也就不发生吸收。如果光子不与材料中的缺陷有 交互作用，则绝缘体就是透明的，如玻璃、 交互作用，则绝缘体就是透明的，如玻璃、高纯 度的结晶陶瓷和无定形聚合物等。 度的结晶陶瓷和无定形聚合物等。 半导体而言 因其能隙小于绝缘体，因此， 而言， 对半导体而言，因其能隙小于绝缘体，因此，在 不同波长的光照射下， 不同波长的光照射下，半导体可能允许某种光透 过，也可能对某种光是不透明的
激光波长 受激发射截面 弛豫时间 激发态寿命 自发荧光 损耗系数 有效发射截面 泵普波长 泵蒲波长的吸收带宽 线宽 偏振态 热双折射率
1064 nm 2.8x10-19 cm-2 30 ns 550 ms 230 ms 0.003 cm-1 @ 1064 nm 2.8 x 10-19 cm2 807.5 nm 1 nm 0.6 nm 非偏振 高
3.影响透明陶瓷性能的主要因素
1.气孔率 2.晶界结构 3.原料与添加剂 4.烧成气氛 5.表面加工光洁度
激光材料
物理化学性质 制备方法 应用
激光简介
LASER——
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受 年按照我国著名科学家钱学森建议将“ 年按照我国著名科学家钱学森建议将 激发射”改称“激光” 激发射”改称“激光”。 激光的特点
2、钠蒸气有强烈的腐蚀作用 、
高压钠灯是一种高压钠蒸气放电灯，在钠蒸气放电过程中，由于钠原子极不稳定，在很短的时间(约 为10-8秒)内把获得的动能以光的形式释放出来，而恢复到稳定的基态，这就是钠灯的发光原理。
2.1.2氧化钇透明陶瓷
由于氧化钇是立方晶系晶体，具有光学各向同性的 性质，使得其具有优越的透光性能。氧化钇透明陶 瓷在宽广的频率范围内，特别是在红外区中，具有 很高的透光率。由于高的耐火度，可用作高温炉的 观察窗以及作高温条件应用的透镜。此外，氧化钇 透明陶瓷还可用于微波基板、红外发生器管、天线 罩等。
YAG： YAG：Nd 3＋ 透明陶瓷 YAG： YAG：Y 3＋ 透明陶瓷 获得了波长为1030nm、最大功率为268mW的连续激光输出。
＋ 钕钇铝石榴石（ 钕钇铝石榴石（YAG：Nd 3＋） ：
＋ 基质： 激活粒子： 基质：Y3Al5O12 激活粒子： Nd 3＋ 缺点：荧光受命短， 缺点：荧光受命短，激光储能较低 优点：阈值低、增益大， 优点：阈值低、增益大，适于重复脉冲 唯一能在常温下连续工作、且有较大功率的激光器 唯一能在常温下连续工作、
基质晶体
——良好的机械强度、导热性，光弹性小，吸光小
氟化物晶体： 氟化物晶体：CaF2, BaF2,SrF2, MgF2, LaF3 含氧金属酸化物晶体:CaWO4, CaMnO4,LiNbO4 含氧金属酸化物晶体 金属氧化物晶体:Al2O3, Y3Al5O12, Er2O3, Y2O3 金属氧化物晶体
2.透明陶瓷的发展
透明陶瓷是二十世纪50年代末发展起来的。 经过几十年的发展，已制备了一系列的透明 陶瓷。如氧化铝透明陶瓷、氧化钇透明陶瓷、 氮化铝透明陶瓷以及电光透明陶瓷和激光透 明陶瓷等。
2.1氧化物透明陶瓷
氧化物透明陶瓷是研究得最早的一类透明陶 瓷也是研究较多的一类。因为非氧化物透明 陶瓷的制备比氧化物透明陶瓷的制备要困难 一些，这是由于非氧化物具有比较低的烧结 活性以及非氧化物中杂质含量高，尤其是氧 含量高。
光学材料
成员： 徐海栋、郭强、 傅一迈、颜廷芳
在外场（电、光、磁、热、声、力等）作用 下，利用材料本身光学性质（如折射率或感 应电极化）发生变化的原理，去实现对入射 光信号的探测、调制以及能量或频率转换作 用的光学材料的统称。
光的吸收与透过
反射束 吸收 α I0
当物质的电子吸收光子全部的能量，从价带跃迁至导带时， 当物质的电子吸收光子全部的能量，从价带跃迁至导带时， 光子将被吸收，该物质对所照射的光是不透明的； 光子将被吸收，该物质对所照射的光是不透明的； 当物质的电子不能实现从价带向导带的跃迁， 当物质的电子不能实现从价带向导带的跃迁，即电子被束缚 而不能被光子激发，则光子可以透过， 而不能被光子激发，则光子可以透过，该物质对所照射的光 是透明的
基质晶体
氟化物晶体： 氟化物晶体：CaF2, BaF2,SrF2, MgF2, LaF3 最早期，熔点低， 最早期，熔点低，易于长单晶 大多要在低温下才能工作 含氧金属酸化物晶体:CaWO4, CaMoO4,LiNbO4， 含氧金属酸化物晶体 Ca（PO4）3F （ Nd3+：CaWO4激光阈值低，能连续运转 激光阈值低， 金属氧化物晶体:Al 金属氧化物晶体 2O3, Y3Al5O12, Er2O3, Y2O3 研究最多， 研究最多，应用最广
激光是一种颜色最单纯的光 激光的方向性好 激光相干性强 激光亮度高,具有很大的能量 激光亮度高 具有很大的能量
激光的产生
光的产生总是和原子中电子的跃迁有关 处于高能级E2上的粒子，向低能级E1跃迁，则 它以辐射形式发出能量，其辐射频率为
E 2 − E1 v= h
能量发射有两种途径： 能量发射有两种途径： 自发发射: 自发发射 无规则转变