第4章 激光晶体 PPT课件
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这两个吸收谱带,吸收带宽均约 0.1um左右，比较宽。
在入射光的振动方向与晶体光轴
C相垂直或平行这两种情况下,其吸收 曲线略有差别。
4.2红宝石晶体
吸收系数：A=Ln（I0/I1)/L 单位：CM-1
波长0.41um的线偏振光， 偏振方向垂直红宝石的光轴， 经过3cm厚度的红宝石晶体后， 光强衰减为入射光的多少倍？
制造简单
六.激活离子的分类（元素周期表 中的位置）：
过渡金属离子：最外层和次外层
的部分电子都可以作为价电子， 可形成多种价态的正离子。Cr
稀土金属离子：Nd
稀土元素：17个。
1、原子最外层都是s2结构，都是活泼金属； 2、次外层具有nd0～1ns2np6结构，3价稀土离
子均具有ns2np6稳定结构； 3、从铈到镥，电子开始填充在倒数第三层的
4f轨道上。使得从镧到镥，最外层和次外层 电子结构基本相同，只是倒数第三层上4f电 子数不同。因此镧系元素尤其是镧系元素的 化合物的物理性质和化学性质表现出极大的 相似性和一定程度的有规律的变化趋势。
4.2红宝石晶体
一、红宝石晶体组成： 化学式：Cr3+: Al203；
激活离子：Cr3+； 基质：刚玉晶体(化学成分是 A12O3)。
荧光是一种光致发光的冷发 光现象。当某种物质经某种波 长的入射光（通常是紫外线或X 射线）照射，吸收光能后进入 激发态，然后跃迁回基态，并 发射光子。 ZnS、CaS
另一种光致发光现象：磷光 （余辉时间长）
日光灯中的荧光辐射：
➢灯管中有氩气和少量的水银蒸汽 ；
➢放电时，水银原子吸收电子撞击的 能量，激发到不稳定的激发态，当 跃迁到基态时，辐射254nm的紫外光 ；
• 结构：灯、棒、腔。
4.1 固体激光器工作物质的性质
4.1 固体激光器工作物质的性质
一.工作物质在激光器中的作用：
吸收泵浦源的能量，形成粒子数 反转； 受激辐射。
4.1 固体激光器工作物质的性质
红宝石激光器工作物质的组成： 掺铬Cr的Al2O3 ，其中 基质材料——Al2O3 刚玉 激活离子—— Cr 离子 （Cr2O3重量比 0.05%）
掺入Cr2O3的最佳量为0.05%(重量 比)。
红宝石的光谱特性主要取决于 Cr3+，外层电子为3d3。
Cr原子24个核外电子依次排列 为 （2 8 13 1）
电子的分布为(spdf)
1s22s22p63s23p63d54s1
二.红宝石中铬离子的吸收光谱： 吸收紫蓝光和黄绿光，峰值波长
在0.41um附近的称为蓝带;峰值波长 在0.55μm附近的称为绿带。
• 容易生长成较大尺寸;
•Fra Baidu bibliotek红宝石激光器输出的红光(0.6943um),不 仅能为人眼可见,而且很容易被探测接收( 目前大多数光电元件对红光的感应灵敏度 较高)。
• 亚稳态寿命长,储能大,可得到大能量输 出，单级调Q器件很容易得到几十兆瓦的 峰值功率输出(脉冲输出）。
• E上的粒子跃迁后,2A上的粒子 便迅速地(约10ns)转移到E上去,这 就加强了R1线,而抑制了R2线。在 激光脉冲持续时间远大于10-9s时, 亚稳态上的位子均将通过R1线的受 激辐射回到基态。
五.红宝石激光器的特点： 缺点：阈值高(三能级)。
• 优点:
• 机械强度高,能承受很高的激光功率密 度;
e 3.23
三.能级图：
吸收带
无辐射快速跃迁
亚稳态：3ms
激光跃迁
基态
4.2红宝石晶体
红宝石有两条强荧光谱线(R1和 R2线),分别为E和2A能态向4A2跃迁产 生的,室温下对应的中心波长分别为 0.6943um（R1）和0.6929um （R2）。
R1和R2的相对强度7：5，R1荧 光谱线的强度更高。
注意：荧光是自发辐射
四.激光输出： 红宝石激光器通常只产生
0.6943um的受激辐射，原因？
4.2红宝石晶体
• 按波尔兹曼分布规律,2A能级上 约占47%,E能级上约占53%；
• R1线荧光强度比R2线高,使得R1 线的受激辐射几率比R2线高，因此 ,R1线容易达到阈值而形成激光振 荡；
4.2红宝石晶体
➢灯管壁上涂有荧光物质，该物质在 紫外线的照射下，辐射光谱很宽的 电磁波，在可见光波段。
X光的探测和成像
4.1 固体激光器工作物质的性质
四、基质的特点： 透明 稳定性好 熔点高 膨胀系数小 热导率高 机械强度高
五、基质的分类： 晶体 玻璃 陶瓷
目前最常用的是金属氧化物和氟化物。 氧化物：稳定、熔点高，制造困难 氟化物：稳定性差、熔点低、
4、激光晶体
4.1 固体激光器工作物质的性质 4.2 红宝石激光晶体 4.3 Nd:YAG激光晶体
4、激光晶体
• 掌握固体激光器工作物质组成和 各组分的特点；
• 掌握常用的激光晶体的吸收光谱 和荧光辐射光谱；
4.1 固体激光器工作物质的性质
• 第一台激光器： (693.4nm)1960 年，梅曼。通用公司用于航空拍 摄的螺旋形闪光灯，红宝石直径 1CM，长2CM，端面镀银，其中 一面留有小孔。
4.1 固体激光器工作物质的性质
二、工作物质的组成： 基质：为激活离子提供载体； 激活剂（发光中心）：产生受激
辐射。
4.1 固体激光器工作物质的性质
三、激活剂的特点： 1、在光源辐射区有较强的吸收， 而在发射波段上无吸收； 2、要有较强的荧光辐射，高的量 子效率（发射的光子数/吸收的光 子数）。
在入射光的振动方向与晶体光轴
C相垂直或平行这两种情况下,其吸收 曲线略有差别。
4.2红宝石晶体
吸收系数：A=Ln（I0/I1)/L 单位：CM-1
波长0.41um的线偏振光， 偏振方向垂直红宝石的光轴， 经过3cm厚度的红宝石晶体后， 光强衰减为入射光的多少倍？
制造简单
六.激活离子的分类（元素周期表 中的位置）：
过渡金属离子：最外层和次外层
的部分电子都可以作为价电子， 可形成多种价态的正离子。Cr
稀土金属离子：Nd
稀土元素：17个。
1、原子最外层都是s2结构，都是活泼金属； 2、次外层具有nd0～1ns2np6结构，3价稀土离
子均具有ns2np6稳定结构； 3、从铈到镥，电子开始填充在倒数第三层的
4f轨道上。使得从镧到镥，最外层和次外层 电子结构基本相同，只是倒数第三层上4f电 子数不同。因此镧系元素尤其是镧系元素的 化合物的物理性质和化学性质表现出极大的 相似性和一定程度的有规律的变化趋势。
4.2红宝石晶体
一、红宝石晶体组成： 化学式：Cr3+: Al203；
激活离子：Cr3+； 基质：刚玉晶体(化学成分是 A12O3)。
荧光是一种光致发光的冷发 光现象。当某种物质经某种波 长的入射光（通常是紫外线或X 射线）照射，吸收光能后进入 激发态，然后跃迁回基态，并 发射光子。 ZnS、CaS
另一种光致发光现象：磷光 （余辉时间长）
日光灯中的荧光辐射：
➢灯管中有氩气和少量的水银蒸汽 ；
➢放电时，水银原子吸收电子撞击的 能量，激发到不稳定的激发态，当 跃迁到基态时，辐射254nm的紫外光 ；
• 结构：灯、棒、腔。
4.1 固体激光器工作物质的性质
4.1 固体激光器工作物质的性质
一.工作物质在激光器中的作用：
吸收泵浦源的能量，形成粒子数 反转； 受激辐射。
4.1 固体激光器工作物质的性质
红宝石激光器工作物质的组成： 掺铬Cr的Al2O3 ，其中 基质材料——Al2O3 刚玉 激活离子—— Cr 离子 （Cr2O3重量比 0.05%）
掺入Cr2O3的最佳量为0.05%(重量 比)。
红宝石的光谱特性主要取决于 Cr3+，外层电子为3d3。
Cr原子24个核外电子依次排列 为 （2 8 13 1）
电子的分布为(spdf)
1s22s22p63s23p63d54s1
二.红宝石中铬离子的吸收光谱： 吸收紫蓝光和黄绿光，峰值波长
在0.41um附近的称为蓝带;峰值波长 在0.55μm附近的称为绿带。
• 容易生长成较大尺寸;
•Fra Baidu bibliotek红宝石激光器输出的红光(0.6943um),不 仅能为人眼可见,而且很容易被探测接收( 目前大多数光电元件对红光的感应灵敏度 较高)。
• 亚稳态寿命长,储能大,可得到大能量输 出，单级调Q器件很容易得到几十兆瓦的 峰值功率输出(脉冲输出）。
• E上的粒子跃迁后,2A上的粒子 便迅速地(约10ns)转移到E上去,这 就加强了R1线,而抑制了R2线。在 激光脉冲持续时间远大于10-9s时, 亚稳态上的位子均将通过R1线的受 激辐射回到基态。
五.红宝石激光器的特点： 缺点：阈值高(三能级)。
• 优点:
• 机械强度高,能承受很高的激光功率密 度;
e 3.23
三.能级图：
吸收带
无辐射快速跃迁
亚稳态：3ms
激光跃迁
基态
4.2红宝石晶体
红宝石有两条强荧光谱线(R1和 R2线),分别为E和2A能态向4A2跃迁产 生的,室温下对应的中心波长分别为 0.6943um（R1）和0.6929um （R2）。
R1和R2的相对强度7：5，R1荧 光谱线的强度更高。
注意：荧光是自发辐射
四.激光输出： 红宝石激光器通常只产生
0.6943um的受激辐射，原因？
4.2红宝石晶体
• 按波尔兹曼分布规律,2A能级上 约占47%,E能级上约占53%；
• R1线荧光强度比R2线高,使得R1 线的受激辐射几率比R2线高，因此 ,R1线容易达到阈值而形成激光振 荡；
4.2红宝石晶体
➢灯管壁上涂有荧光物质，该物质在 紫外线的照射下，辐射光谱很宽的 电磁波，在可见光波段。
X光的探测和成像
4.1 固体激光器工作物质的性质
四、基质的特点： 透明 稳定性好 熔点高 膨胀系数小 热导率高 机械强度高
五、基质的分类： 晶体 玻璃 陶瓷
目前最常用的是金属氧化物和氟化物。 氧化物：稳定、熔点高，制造困难 氟化物：稳定性差、熔点低、
4、激光晶体
4.1 固体激光器工作物质的性质 4.2 红宝石激光晶体 4.3 Nd:YAG激光晶体
4、激光晶体
• 掌握固体激光器工作物质组成和 各组分的特点；
• 掌握常用的激光晶体的吸收光谱 和荧光辐射光谱；
4.1 固体激光器工作物质的性质
• 第一台激光器： (693.4nm)1960 年，梅曼。通用公司用于航空拍 摄的螺旋形闪光灯，红宝石直径 1CM，长2CM，端面镀银，其中 一面留有小孔。
4.1 固体激光器工作物质的性质
二、工作物质的组成： 基质：为激活离子提供载体； 激活剂（发光中心）：产生受激
辐射。
4.1 固体激光器工作物质的性质
三、激活剂的特点： 1、在光源辐射区有较强的吸收， 而在发射波段上无吸收； 2、要有较强的荧光辐射，高的量 子效率（发射的光子数/吸收的光 子数）。