四光学材料PPT课件
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第四章 光学材料
Chapter 4 Optical Materials
主要内容：
激光材料 光纤材料 发光材料
液晶材料 光存储材料
第四章 光学材料－§4.1 激光材料
第一节 激光材料
一、激光的特性和激光器的基本结构
激光的特性
①定向性或准直性好 一般光线是发散开来的。
②波长单一，即单色性好 一般光通常是由几种不同频率的光组成的。
二、固体激光器材料
固体激光器材料应具备的条件
①应具有合适的光谱特性 ②激发态吸收要小 ③具有良好的光学均匀性和稳定性 ④应具有良好的物化性能
固体激光工作物质
固体激光工作物质由激活离子பைடு நூலகம்基质晶体两部分构成。
1、激活离子
（1）激活离子的作用 实现粒子数反转。 激活离子在固体中提供亚稳态能级，由光泵作用激发振荡出一定波
第四章 光学材料－§4.1 激光材料
缺点：
荧光寿命较短，荧光谱线较窄，工作 粒子在激光跃迁到高能级上不易得到大 量积累，激光储能较低，以脉冲方式运 转时，输出激光脉冲的能量和峰值功率 都受到限制。
能 E3 量
非辐射跃迁
E2 受激辐射跃迁
E1 E0
钕钇铝石榴石激光晶体中 Nd+3的四能级系统示意图
主要用途：
主要应用于军用激光测距仪和制导用激光照明器。这种激光器还是唯一能 在常温下连续工作，且有较大功率的固体激光器。
第四章 光学材料－§4.1 激光材料
2、基质晶体
（1）基质晶体的要求 基质晶体一般是单晶体，应有良好的机械强度、良好的导热性和较小
的光弹性，对产生激光的吸收应接近零，且光学性能均匀。 基质晶体都是“宝石”。
YAG : Nd（Y3Al5O12）
KTP（KTiOPO4）
一些常见的激光晶体
CLBO（CsLiB6O12）
第四章 光学材料－§4.1 激光材料
三、半导体激光器的基本结构
基本结构
激光束
空穴流
电极
+ +p区+ +
活性区 - -n区- -
电子流
激光束 +
反射镜面
（晶体劈开面）
半导体激光器的基本结构
第四章 光学材料－§4.1 激光材料
半导体激光器产生激光的条件
（1）利用电流注入的少数载流子复合时放出的能量须高效率变换为光。 一般必须是直接带隙半导体。
③具有相干性 激光的光波都是同相位的，可以互相增强，而一般光是非相干的。
④强度大，亮度高。
激光的上述四个特性都很重要，每一个特性都能开发出许 多重要的应用。
第四章 光学材料－§4.1 激光材料
激光器的基本结构
①激光介质
高
部
即激光材料。
分
反
透
②激励装置
过
激光产生的能源，作用
射
反
是把原子源源不断地激励
向
镜
镜
到高能级上，实现“粒子
数反转”。激励装置也叫
“泵浦”，它可以是光源
泵、电流泵，也可以是激
光器泵另一个激光器。
激光器的三个基本组成部分
③反馈系统
又称谐振腔。通常由两端各一个反射镜组成，镜子能将激光介质所产
生的相干光反射回到介质中，使其来回振荡，光子就越积越多，产生 “放
大”的作用。
第四章 光学材料－§4.1 激光材料
第四章 光学材料－§4.1 激光材料
（2）基质晶体的种类 ①氟化物晶体 CaF2、BaF2、SrF2、LaF3、MgF2等，立方形晶体结构。 特点：熔点较低，易于生长单晶。宜在低温下工作，现应用较少。 适用的激活离子：锕系离子U3+，稀土元素Sm3+、Dy3+、Tm3+、Nd3+和过 渡金属离子Co2+、Ni2+等。 ②含氧金属酸化物晶体（阴离子络合物） CaWO4、CaMnO4、LiNbO4、Ca(PO4)3F等。 特点：掺杂时需要电荷补偿，是一种四能级机构的工作物质。 适用的激活离子：三价稀土离子。 ③金属氧化物晶体 如Al2O3、Y3Al5O12、Er2O3、Y2O3等。 特点：熔点高、硬度大、物理化学性能稳定，应用最广泛。 适用的激活离子：三价过渡金属或三价稀土离子，如Cr3+、Nd3+等。
第四章 光学材料－§4.1 激光材料
红宝石激光晶体（Al2O3:Cr3+）
优点：晶体的物化性能好，硬度高，抗破坏能力强，同时对泵浦光的吸 收特性好，可在室温条件下获得694.3nm的可见激光振荡。 缺点：属三能级结构，产生激光的阈值较高。 工作原理：
红宝石激光器的基本构造
能 量
E3 E2
非辐射跃迁
长的激光，即实现将低能级上的粒子“抽运”到高能级上去。激活离子 是激光晶体的发光中心，激光的波长即由激活离子的种类决定。
第四章 光学材料－§4.1 激光材料
（2）激活离子的种类 ①过渡金属离子 Ti3+、V2+、Cr3+、Co2+、Ni2+和Cu+等，在不同晶体中，其光谱特性有 很大差异。 ②三价稀土离子 镧系稀土元素Nd3+(钕)、Pr3+(镨)、Sm3+(钐)、Eu3+(铕)、Dy3+(镝)、 Ho3+(钬)、Er3+(铒)、Tm3+(铥)和Yb3+(镱)等，以Nd3+最常见。对一般光 泵的吸收效率较低，因此应采用敏化技术或提高掺杂浓度等措施来提 高效率。 ③二价稀土离子 Sm2+、Tm2+、Er2+和Dy2+等。有利于泵浦光的吸收，但不稳定。 ④锕系离子 主要是U3+。由于有放射性，不易制备，使用不方便，实用较困难。
（2）在引起反转分布时要注入足够浓度的载流子。 载流子浓度低于某一阈值，仅引起注入发光，但不会发生激光。
（3）具备谐振器。 利用垂直于结面而且平行的二极管两个侧面作为反射镜即可。
小提示：
直接带隙半导体——又称直接跃迁半导体，导带的最小值和价带的最大值均位于 布里渊区内同一波数处的半导体，毋须声子参与，其中自由电子和空穴间能直接 复合。它具有量子效率高的特点，GaAs是一种典型的直接带隙半导体。 间接带隙半导体——又称间接跃迁半导体，导带底和价带顶都不在布里渊区内相 同波数处的半导体，其中自由电子和空穴间不能直接复合，必须有声子参与才能 复合，量子效率低。GaP是此类半导体之一。
E1 694.3nm 受激辐射跃迁
E0
红宝石中铬离子能级示意图
主要用途： 激光器基础研究、强光光学研究、激光光谱研究、激光照相和全息技
术、激光雷达与测距技术等。
第四章 光学材料－§4.1 激光材料
钕钇铝石榴石激光晶体 (YAG:Nd3+)
优点：
属四能级系统，产生激光的阈值较低。 力学、热学和光学性能良好。
Chapter 4 Optical Materials
主要内容：
激光材料 光纤材料 发光材料
液晶材料 光存储材料
第四章 光学材料－§4.1 激光材料
第一节 激光材料
一、激光的特性和激光器的基本结构
激光的特性
①定向性或准直性好 一般光线是发散开来的。
②波长单一，即单色性好 一般光通常是由几种不同频率的光组成的。
二、固体激光器材料
固体激光器材料应具备的条件
①应具有合适的光谱特性 ②激发态吸收要小 ③具有良好的光学均匀性和稳定性 ④应具有良好的物化性能
固体激光工作物质
固体激光工作物质由激活离子பைடு நூலகம்基质晶体两部分构成。
1、激活离子
（1）激活离子的作用 实现粒子数反转。 激活离子在固体中提供亚稳态能级，由光泵作用激发振荡出一定波
第四章 光学材料－§4.1 激光材料
缺点：
荧光寿命较短，荧光谱线较窄，工作 粒子在激光跃迁到高能级上不易得到大 量积累，激光储能较低，以脉冲方式运 转时，输出激光脉冲的能量和峰值功率 都受到限制。
能 E3 量
非辐射跃迁
E2 受激辐射跃迁
E1 E0
钕钇铝石榴石激光晶体中 Nd+3的四能级系统示意图
主要用途：
主要应用于军用激光测距仪和制导用激光照明器。这种激光器还是唯一能 在常温下连续工作，且有较大功率的固体激光器。
第四章 光学材料－§4.1 激光材料
2、基质晶体
（1）基质晶体的要求 基质晶体一般是单晶体，应有良好的机械强度、良好的导热性和较小
的光弹性，对产生激光的吸收应接近零，且光学性能均匀。 基质晶体都是“宝石”。
YAG : Nd（Y3Al5O12）
KTP（KTiOPO4）
一些常见的激光晶体
CLBO（CsLiB6O12）
第四章 光学材料－§4.1 激光材料
三、半导体激光器的基本结构
基本结构
激光束
空穴流
电极
+ +p区+ +
活性区 - -n区- -
电子流
激光束 +
反射镜面
（晶体劈开面）
半导体激光器的基本结构
第四章 光学材料－§4.1 激光材料
半导体激光器产生激光的条件
（1）利用电流注入的少数载流子复合时放出的能量须高效率变换为光。 一般必须是直接带隙半导体。
③具有相干性 激光的光波都是同相位的，可以互相增强，而一般光是非相干的。
④强度大，亮度高。
激光的上述四个特性都很重要，每一个特性都能开发出许 多重要的应用。
第四章 光学材料－§4.1 激光材料
激光器的基本结构
①激光介质
高
部
即激光材料。
分
反
透
②激励装置
过
激光产生的能源，作用
射
反
是把原子源源不断地激励
向
镜
镜
到高能级上，实现“粒子
数反转”。激励装置也叫
“泵浦”，它可以是光源
泵、电流泵，也可以是激
光器泵另一个激光器。
激光器的三个基本组成部分
③反馈系统
又称谐振腔。通常由两端各一个反射镜组成，镜子能将激光介质所产
生的相干光反射回到介质中，使其来回振荡，光子就越积越多，产生 “放
大”的作用。
第四章 光学材料－§4.1 激光材料
第四章 光学材料－§4.1 激光材料
（2）基质晶体的种类 ①氟化物晶体 CaF2、BaF2、SrF2、LaF3、MgF2等，立方形晶体结构。 特点：熔点较低，易于生长单晶。宜在低温下工作，现应用较少。 适用的激活离子：锕系离子U3+，稀土元素Sm3+、Dy3+、Tm3+、Nd3+和过 渡金属离子Co2+、Ni2+等。 ②含氧金属酸化物晶体（阴离子络合物） CaWO4、CaMnO4、LiNbO4、Ca(PO4)3F等。 特点：掺杂时需要电荷补偿，是一种四能级机构的工作物质。 适用的激活离子：三价稀土离子。 ③金属氧化物晶体 如Al2O3、Y3Al5O12、Er2O3、Y2O3等。 特点：熔点高、硬度大、物理化学性能稳定，应用最广泛。 适用的激活离子：三价过渡金属或三价稀土离子，如Cr3+、Nd3+等。
第四章 光学材料－§4.1 激光材料
红宝石激光晶体（Al2O3:Cr3+）
优点：晶体的物化性能好，硬度高，抗破坏能力强，同时对泵浦光的吸 收特性好，可在室温条件下获得694.3nm的可见激光振荡。 缺点：属三能级结构，产生激光的阈值较高。 工作原理：
红宝石激光器的基本构造
能 量
E3 E2
非辐射跃迁
长的激光，即实现将低能级上的粒子“抽运”到高能级上去。激活离子 是激光晶体的发光中心，激光的波长即由激活离子的种类决定。
第四章 光学材料－§4.1 激光材料
（2）激活离子的种类 ①过渡金属离子 Ti3+、V2+、Cr3+、Co2+、Ni2+和Cu+等，在不同晶体中，其光谱特性有 很大差异。 ②三价稀土离子 镧系稀土元素Nd3+(钕)、Pr3+(镨)、Sm3+(钐)、Eu3+(铕)、Dy3+(镝)、 Ho3+(钬)、Er3+(铒)、Tm3+(铥)和Yb3+(镱)等，以Nd3+最常见。对一般光 泵的吸收效率较低，因此应采用敏化技术或提高掺杂浓度等措施来提 高效率。 ③二价稀土离子 Sm2+、Tm2+、Er2+和Dy2+等。有利于泵浦光的吸收，但不稳定。 ④锕系离子 主要是U3+。由于有放射性，不易制备，使用不方便，实用较困难。
（2）在引起反转分布时要注入足够浓度的载流子。 载流子浓度低于某一阈值，仅引起注入发光，但不会发生激光。
（3）具备谐振器。 利用垂直于结面而且平行的二极管两个侧面作为反射镜即可。
小提示：
直接带隙半导体——又称直接跃迁半导体，导带的最小值和价带的最大值均位于 布里渊区内同一波数处的半导体，毋须声子参与，其中自由电子和空穴间能直接 复合。它具有量子效率高的特点，GaAs是一种典型的直接带隙半导体。 间接带隙半导体——又称间接跃迁半导体，导带底和价带顶都不在布里渊区内相 同波数处的半导体，其中自由电子和空穴间不能直接复合，必须有声子参与才能 复合，量子效率低。GaP是此类半导体之一。
E1 694.3nm 受激辐射跃迁
E0
红宝石中铬离子能级示意图
主要用途： 激光器基础研究、强光光学研究、激光光谱研究、激光照相和全息技
术、激光雷达与测距技术等。
第四章 光学材料－§4.1 激光材料
钕钇铝石榴石激光晶体 (YAG:Nd3+)
优点：
属四能级系统，产生激光的阈值较低。 力学、热学和光学性能良好。