稀土激光原理与稀土固体激光材料(ppt 34页)

3.6 稀土激光材料
一、概述 二、稀土激光原理 三、稀土固体激光材料
Laser
激光（light amplification by stimulated emission of radiation）简写”laser”.
定义：激光是指能把各种泵浦（电、光、射线） 能量转换成激光的材料。激光是由激光工作 物质受激发态，众 多可利用的能及和光谱特性，稀土已成为激 光工作物质中最重要的元素。
迄今为止，已获得激光输出的稀土离子有 14种，涉及170多种化合物。
在现有的激光材料中，90%以上都是掺入 稀土离子作为激活剂。
激光应用
传统上看，它的研究范围一般可分为： 加工系统
在能级3上实现粒子数反转
即累积在能级3上的反转粒子数必须多于在能级1或能级2上的 粒子数。
在三能级系统中，在能级1上必须有50％以上被激发至能 级3上才能实现的粒子数的反转，故产生激光的阈值比较高。
而在四能级系统中，只要求能级2的能量大于1000T，因此， 在能级2上由于温度而产生热反转的粒子数很少。如果从能级 3跃迁至2上的粒子又可以很快的驰豫至基态1而不积累在2上， 则在能级2上的粒子数很少，其实，相对于能级2，在能级3上 比较容易实现粒子数的反转。故在四能级系统中，产生激光 的阈值很低。
几乎所有的镧系元素和锕系元素激光材料都已实现了光泵浦。 在不同介质中镧系元素激发光发射波长分布范围不同。 在14种稀土离子中，激光发射波长最短的是Gd3+，最长的是 Dy3+。在可见光区有Pr3+，Tb3+，Ho3+，Eu3+，Sm3+； 在红外光区有Nd3+，Yb3+，Er3+，Tm3+，Tm2+，Dy3+。
激光涂敷：在航空航天、模具及机电行业应 用广泛。目前使用的激光器多以大功率金运 YAG激光器、金运CO2激光器为主。
激光的应用领域很广，尤其是制导、测距、 焊接、钻孔、切割、育种、外科手术、计量 和分析等方面，成为一门蓬勃发展的新技术。
对于激光氢弹引爆、激光受控热核反应、激 光通讯、激光计算等都已成为当代国际上引 人注目的高新技术领域。
目前使用的激光器多以YAG激光 器、金运CO2激光器为主，也有一 些准分子激光器、同位素激光器和 半导体泵浦激光器。
激光热处理：在汽车工业中应用广泛，如缸套、 曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处理， 同时在航空航天、机床行业和其它机械行
业也应用广泛。我国的激光热处理应用远比国外 广泛得多。目前使用的激光器多以YAG激光器， CO2激光器为主。 激光快速成型：将激光加工技术和计算机数控 技术及柔性制造技术相结合而形成。多用于模具 和模型行业。目前使用的激光器多以YAG激光器、 CO2激光器为主。
包括激光器、导光系统、加工机床、控 制系统及检测系统。 加工工艺
包括切割、焊接、表面处理、打孔、打 标、划线、微调等各种加工工艺。
激光焊接：汽车车身厚薄板、汽车零件、锂电池、 心脏起搏器、密封继电器等密封器件以及各种不允 许焊接污染和变形的器件。目前使用的激光器有金 运YAG激光器，金运CO2激光器和半导体泵浦激光 器。
一、概述
激光产生的过程：
用电学、光学及其他方法对工作物质进行激励，使
其中一部分粒子激发到能量较高的状态上，当这种状态
的粒子数大于能量较低状态的粒子数时，由于受激辐射
作用，也就是当这种波长的光辐射通过工作物质时，就
会射出强度放大而又与入射光波位相一致、频率一致、
方向一致的光辐射，称为“光放大”。
若把激光工作物质置于谐振腔内，则光辐射 在间歇腔内沿轴线方向往复反射传播，多次 通过工作介质，使光辐射被放大很多倍，从 而形成一束强大很大，方向集中的光束—激 光。
在稀土激光材料的两端装有两面对激光波长 （laser wavelength）具有不同反射率 （reflectivity）的反射镜，放在内衬银或铝等 反射材料的聚光器内，用脉冲Xe灯、Kr灯、 发光二极管或激光灯作为激发光源（或称光 泵optical pump）.
内衬 Ag/Al 激发光源
产生激光的必要条件:
二、稀土激光机理 Mechanism of rare earth laser
在已发现的激光工作物质中，稀土都已 成为一族极其重要的元素。这都与它具有 特殊的电子组态、众多可利用的能级和光 谱特性有关。
利用一些稀土离子的三能级和四能级系 统产生激光的原理图。
产生激 光的必 要条件 是在能 级3上实 现粒子 的反转
激光是一种新型光源，它具有很好的单色性、 方向性和相干性，并且可以达到很高的亮度。 上述特征促使激光在工业、农业、医学及国防 等领域得到了广泛的应用。
激光历史
世界上第一台激光器诞生于1960年，同年就发现 CaF2：Sm3+。我国于1961年研制出第一台激光器， 40多年来，激光技术与应用发展迅猛，已与多个学 科相结合形成多个应用技术领域，比如光电技术，激 光医疗与光子生物学，激光加工技术，激光检测与计 量技术，激光全息技术，激光光谱分析技术，非线性 光学，超快激光学，激光化学，量子光学，激光雷达， 激光制导，激光分离同位素，激光可控核聚变，激光 武器等等。这些交叉技术与新的学科的出现，大大地 推动了传统产业和新兴产业的发展。
激光打标：在各种材料和几乎所有行业均得到广 泛应用，目前使用的激光器有YAG激光器、CO2 激光器和半导体泵浦激光器。
激光打孔：激光打孔主要应用在航空航天、汽 车制造、电子仪表、化工等行业。激光打孔的迅速发 展，主要体现在打孔用YAG激光器的平均输出功率已 由5年前的400w提高到了800w至1000w。国内目前比 较成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石和天然金刚 石拉丝模的生产及钟表和仪表的宝石轴承、飞机叶片、 多层印刷线路板等行业的生产中。
激光切割：汽车行业、计算机、电气机壳、木刀模 业、各种金属零件和特殊材料的切割、圆形锯片、 压克力、弹簧垫片、2mm以下的电子机件用铜板、 一些金属网板、钢管、镀锡铁板、镀亚铅钢板、磷 青铜、电木板、薄铝合金、石英玻璃、硅橡胶、 1mm以下氧化铝陶瓷片、航天工业使用的钛合金 等等。使用激光器有YAG激光器和CO2激光器。