东华理工大学第十四讲 固体激光材料

具有共振腔
实现光量子放大
至少达到阈值电流密度
光增益> 光损耗
1.1 激光原理
激Baidu Nhomakorabea的特点：
单色性 方向性 高强度
时间相干性 空间相干性 高简并
本质：高度的相干性
由于极高的光子简并度，再加上激光能量在时 间和空间上的高度集中，才使得激光具有普通 光源所达不到的高亮度。
1.2 激光晶体的组成
1.2 激光晶体的组成
基质材料
荧光辐射强、量子效率高、荧光寿命和受激发射截面适当 优良的静态光学均匀性 热膨胀系数小、强度高、热导率高、光照和化学稳定性好 易于加工，能制备大尺寸光学均匀的制品
主要分为晶体和玻璃两类
玻璃：大尺寸，光学质量好，但受激发射截面小，激 发阈值高，热导率小造成光学畸变 晶体：热导率、窄线宽等优于玻璃，但很难获得高的 光学质量和掺杂均匀性
钕-钇铝石榴石（Nd：YAG）
Nd：YAG为其英文简化名称，来自(Neodymium-doped Yttrium Aluminium Garnet; Nd：Y3Al5O12)或中文称之为钇铝石榴石晶体，钇铝石榴石晶体为 其激活物质，体晶体内之Nd原子含量为0.6～1.1％，属固体激光，可激发脉 冲激光或连续式激光，发射之激光为红外线波长 1.064μm。
1.1 激光原理
受激辐射与自发辐射的区别
受激辐射与自发辐射都是从高能级向低能级跃迁并发射光 子的过程。 由自发辐射所发射的光子的频率、相位、振动方向都有一 定的任意性。 而受激辐射所发出的光子在频率、相位、振动方向上与激 发的光子高度一致，即有高度的简并性。 一般说在自发辐射过程中，总伴有受激辐射产生，辐射场 越强，受激辐射也随之增加。 在热平衡状态下，受激辐射很弱，自发辐射占绝对优势， 但在激光器中，情况发生很大变化，这时已不是热平衡状 态，受激辐射的强度比自发辐射的强度大几个数量级。
红宝石激光器（三能级系统）
E3 E3 (10-9s) E3
(10-3s)
E2
E2
E2
h
E1
E1
E1
在Xe（氙）灯照射下，红宝石晶体中原来处于基态E1的粒 子，吸收了Xe灯发射的光子而被激发到E3能级。粒子在 E3能级的平均寿命很短（约10-9秒）。大部分粒子通过无 辐射跃迁到达激光上能级E2。粒子在E2能级的寿命很长， 可达3×10-3秒。所以在E2能级上积累起大量粒子，形成 E2和E1之间的粒子数反转，此时晶体对频率ν满足hV＝ E2—E1的成分就被放大。
E2
h
E1
h h
E2
E1
1.1 激光原理
激光器的基本结构
使入射光得 到放大，是 核心
泵浦源
光抽运
供给工作物 质能量
工作介质
激光束
只让与反射镜轴向平行的光 束能在激活介质中来回地反 射，连锁式地放大。最后形 成稳定的激光输出。
1.1 激光原理
综上所述，形成激光的必要条件 形成分布反转
使受激辐射占优势
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激光技术发展简史之一
美国休斯公司实验室一位从事 红宝石荧光研究的年轻人梅曼 在1960.5.16利用红宝石棒首 次观察到激光； 梅曼在7月7日正式演示了世 界第一台红宝石固态激光器； 他在Nature(8月16日)发表了 一个简短的通知。 Maiman
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1 激光晶体
1.1 激光原理
三种跃迁过程
1.1 激光原理
当（N2/N1）＜1时，粒子数服从波尔兹曼分布。此时有 dN12＞dN21，宏观效果表现为光被吸收。 当（N2/N1）＞1时，高能级E2上的粒子数N2大于低能级E1 上的粒子数N1，出现所谓的“粒子数反转分布”情况。此时 有dN21＞dN12，宏观效果表现为光被放大，或称光增 益。——形成激光的必要条件。 能造成粒子数反转分布的介质称为激活介质或增益介质。
1.2 激光晶体的组成
激光基质晶体
氧化物 红宝石晶体 钕-钇铝石榴石（Nd：YAG） 磷酸盐和硅酸盐 钨酸盐、钼酸盐、钒酸盐和铍酸盐 掺铬铝酸铍（Cr：BeAl2O4） 氟化物
红宝石激光器的工作物质
工作元件是一根淡红色的红宝石棒（AL２O3晶 体），其中掺0.05%的铬离子（Cr3+）。这些 铬离作为激活离均匀地分布在基质（即AL２O3 晶体）中，浓度大约为 1.62×10的19次方cm3，它们替代了晶格中一部分铝离子（AL3+） 的位置，红宝石激光器有关有能级和光谱性质 都来源于Cr3+。
激光器由工作物质（基质和激活离子）、激发源 （泵浦）和共振腔组成。 工作物质就是指借组外来能源激励实现粒子数反 转并产生受激辐射放大作用的物质系统——激光 材料。
激光器材料包括固体（晶体、玻璃）、气体（原 子、分子、离子）、液体和半导体。 激活离子主要有过渡金属离子、稀土离子、色心 三类。
E2 E2
h
E1 （a）自发辐射
h
E1 （b）受激吸收
h
E2
h
E1
（c）受激辐射
由于原子在各能级上有一定的统计分布，所以在满足上述频率条 件的外来光束照射下，两能级间受激吸收和受激辐射这两个相反的过 程总是同时存在，相互竞争，其宏观效果是二者之差。当吸收过程比 受激辐射过程强时，宏观看来光强逐渐减弱；反之，当吸收过程比受 激辐射过程弱时，宏观看来光强逐渐加强。
固体激光材料
激光
激光：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation （Laser）。 激光是光的受激辐射。 激光的特点：单色性好,方 向性好；相干性好；亮度高.
基本沿某一条直线传播,通 常发散角限制在10-6球面度 量级的立体角内.