激光器的发展历史及钇铝石榴石激光晶体
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
激光器的发展历史及钇铝石榴石激光晶体
2010.12.08
科学发现：自然界已存在，人们自觉或不自觉发现以后再产 生理论，并加以证明和利用，如万有引力、电磁等； 科学发明：自然界（至少地球上的自然界）并不存在的事物， 但人们先从理论上推导、预测，然后再通过努力加以证明和 实现，如相对论、核衰变、核聚变等。
1960年7月，世界第一台红宝石固态激 光器问世，标志了激光技术的诞生 美国休斯公司实验室梅曼演示 波长为694.3nm的激光
5
1961年 ⑴ 2月（A.Javan）研制成了 He-Ne混合气体激光器。 ⑵ 有人提出了Q调制技术， 制成第一台调Q激光器。 ⑶ 制成了钕玻璃脉冲激光器。 1962年美国三个研究小组几乎同时分别发布砷化镓 （GaAs）半导体激光器运转的报道。
8YSZ
La2Zr2O7 YAG
2700
2300 1950
5.90
6.05 4.55
11.5×10-6
9.1×10-6 9.1×10-6
2.1wenku.baidu.com1000 oC)
1.56(1000 oC) 3.0(1000 oC)
Al2O3(TGO)
NiCoCrAlY In738高温合金
2050
3.97
8×10-6
17.5×10-6 16×10-6
激 光 (Laser) （镭射）
—钱学森1963年提出
(Light Amplication by Stimulated Emission of Radiation) “辐射的受激发射光放大”
普通光源-----自发辐射 激光光源-----受激辐射
•激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后， 人类的又一重大发明。
1954年 美国汤斯(C.H.Towns)、苏联的巴索夫(N.G.Basov)和 普洛霍洛夫(A.M.Prokhorov) 抛弃了利用自由电子与电磁场的 相互作用实现电磁波的放大和振荡，利用原子或分子中的束缚 电子与电磁场的相互作用来放大电磁波。
1958年，汤斯和肖洛(Arthur L.Schawlow)抛弃了一个尺度和 波长可比拟的封闭的谐振腔，提出了利用尺度远大于波长的开 放式光谐振腔，实现了激光器的新思想。 布隆伯根(Nicolaas Bloembergen) 提出了利用光泵浦三能级原子系统实现原子数反 转分布的新构想。 3
2
激光发明的理论基础可以追溯到1917年，著名的物理学家爱因 斯坦在研究光辐射与原子相互作用的时候发现，除了受激吸收 和自发辐射跃迁过程外，还存在受激辐射跃迁过程。
1952年 美国马里兰大学的韦伯开始应用以上理论放大电磁波
一个尺度和波长可比拟的封闭的谐振腔； 利用自由电子与电磁场相互作用实现电磁波的放大和振荡。
24个十二面体中心间隙 16个八面体的中心间隙
Y3 Al2 ( AlO4 )3
24c 16a
D位
24个四面体的中心间隙
24d
10
Y2O3-Al2O3二元系统相图
11
钇铝石榴石的热物理性能
材料
六铝酸镧 熔点 (oC) 1928 密度 (g/cm3) 4.285 热膨胀系数(/K) (1000 oC) 10.7×10-6 热导率 (W/(m· K)) 1.2(25 oC) 2.2(1200 oC )
13
谢
谢！
14
仅1961—1962年间世界各国发表
的激光方面的论文达200篇以上。
6
1963年建立了激光的半经典理论。 对激光的频率特性和功率特性进行了比较完善的探讨。 1964年研制成 氩离子（Ar+）离子气体激光器 二氧化碳气体激光器 化学激光器（HF氟化氢） 掺钕的钇铝石榴石固体激光器 1965年实现了铌酸锂光学参量振荡器，借助 半经典理论预言了锁模效应的存在。 1966年研制成固体锁模激光器获得超短脉冲。 1970年研制成了准分子激光器。 1984年研制出光孤子激光器（SL）
7
种类：按工作方式分 连续式（功率可达104 W）
脉冲式（瞬时功率可达1014 W ） 按工作物质分 固体 液体（如某些染料） 气体（如He-Ne，CO2） 半导体（如砷化镓 GaAs）
（红宝石、Nd: YAG、Er: glass、Nd: GdVO4、Co: LaMgAl11O19)
迄今已实现激光振荡的不同基质-掺杂体系的工作物质有200 多种，但性能最好、使用最广泛的主要是红宝石、掺钕的钇 铝石榴石和钕玻璃三种。
8
天然石榴石：二价或三价金属离子的硅酸盐 通式： R32+R23+(SiO4)3
R2+：Ca2+, Mg2+, Mn2+, Fe2 R3+：Al3+, Fe3+, Cr3+
Y3Al5O12(YAG) 钇铝石榴石 Y3Fe5O12(YIG ) 钇铁石榴石
激光晶体 微波铁氧体
9
钇铝石榴石的晶体结构
1/8石榴石单胞结构 C位 A位
C.H.Townes A.M.Prokhorov
The Nobel Prize in Physics 1964
N.G.Basov
汤斯1954年在量子电子学研究中实现了氨分子的粒子数反转， 研制了微波激射器和激光器；普罗霍洛夫和巴索夫1958年几乎同 时在量子电子学的基础研究中，根据微波激射器和激光器原理研 4 制了振荡器和放大器。以上工作导致了激光器的发明。
钇铝石榴石物理化学性能
12
钇铝石榴石的发光性能
Nd3+ : 4f35s25p6
Nd: YAG在1.06µm波段范围内的室温荧光光谱
Nd: YAG中Nd3+的能级结构
目前最常用的一类固体激光器：
窄的荧光谱线，强的荧光辐射适当的荧光寿命和吸收截面 良好的热学、化学和光照稳定性 机械性能好，易于加工研磨 不同掺杂浓度的YAG陶瓷的荧光寿命
2010.12.08
科学发现：自然界已存在，人们自觉或不自觉发现以后再产 生理论，并加以证明和利用，如万有引力、电磁等； 科学发明：自然界（至少地球上的自然界）并不存在的事物， 但人们先从理论上推导、预测，然后再通过努力加以证明和 实现，如相对论、核衰变、核聚变等。
1960年7月，世界第一台红宝石固态激 光器问世，标志了激光技术的诞生 美国休斯公司实验室梅曼演示 波长为694.3nm的激光
5
1961年 ⑴ 2月（A.Javan）研制成了 He-Ne混合气体激光器。 ⑵ 有人提出了Q调制技术， 制成第一台调Q激光器。 ⑶ 制成了钕玻璃脉冲激光器。 1962年美国三个研究小组几乎同时分别发布砷化镓 （GaAs）半导体激光器运转的报道。
8YSZ
La2Zr2O7 YAG
2700
2300 1950
5.90
6.05 4.55
11.5×10-6
9.1×10-6 9.1×10-6
2.1wenku.baidu.com1000 oC)
1.56(1000 oC) 3.0(1000 oC)
Al2O3(TGO)
NiCoCrAlY In738高温合金
2050
3.97
8×10-6
17.5×10-6 16×10-6
激 光 (Laser) （镭射）
—钱学森1963年提出
(Light Amplication by Stimulated Emission of Radiation) “辐射的受激发射光放大”
普通光源-----自发辐射 激光光源-----受激辐射
•激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后， 人类的又一重大发明。
1954年 美国汤斯(C.H.Towns)、苏联的巴索夫(N.G.Basov)和 普洛霍洛夫(A.M.Prokhorov) 抛弃了利用自由电子与电磁场的 相互作用实现电磁波的放大和振荡，利用原子或分子中的束缚 电子与电磁场的相互作用来放大电磁波。
1958年，汤斯和肖洛(Arthur L.Schawlow)抛弃了一个尺度和 波长可比拟的封闭的谐振腔，提出了利用尺度远大于波长的开 放式光谐振腔，实现了激光器的新思想。 布隆伯根(Nicolaas Bloembergen) 提出了利用光泵浦三能级原子系统实现原子数反 转分布的新构想。 3
2
激光发明的理论基础可以追溯到1917年，著名的物理学家爱因 斯坦在研究光辐射与原子相互作用的时候发现，除了受激吸收 和自发辐射跃迁过程外，还存在受激辐射跃迁过程。
1952年 美国马里兰大学的韦伯开始应用以上理论放大电磁波
一个尺度和波长可比拟的封闭的谐振腔； 利用自由电子与电磁场相互作用实现电磁波的放大和振荡。
24个十二面体中心间隙 16个八面体的中心间隙
Y3 Al2 ( AlO4 )3
24c 16a
D位
24个四面体的中心间隙
24d
10
Y2O3-Al2O3二元系统相图
11
钇铝石榴石的热物理性能
材料
六铝酸镧 熔点 (oC) 1928 密度 (g/cm3) 4.285 热膨胀系数(/K) (1000 oC) 10.7×10-6 热导率 (W/(m· K)) 1.2(25 oC) 2.2(1200 oC )
13
谢
谢！
14
仅1961—1962年间世界各国发表
的激光方面的论文达200篇以上。
6
1963年建立了激光的半经典理论。 对激光的频率特性和功率特性进行了比较完善的探讨。 1964年研制成 氩离子（Ar+）离子气体激光器 二氧化碳气体激光器 化学激光器（HF氟化氢） 掺钕的钇铝石榴石固体激光器 1965年实现了铌酸锂光学参量振荡器，借助 半经典理论预言了锁模效应的存在。 1966年研制成固体锁模激光器获得超短脉冲。 1970年研制成了准分子激光器。 1984年研制出光孤子激光器（SL）
7
种类：按工作方式分 连续式（功率可达104 W）
脉冲式（瞬时功率可达1014 W ） 按工作物质分 固体 液体（如某些染料） 气体（如He-Ne，CO2） 半导体（如砷化镓 GaAs）
（红宝石、Nd: YAG、Er: glass、Nd: GdVO4、Co: LaMgAl11O19)
迄今已实现激光振荡的不同基质-掺杂体系的工作物质有200 多种，但性能最好、使用最广泛的主要是红宝石、掺钕的钇 铝石榴石和钕玻璃三种。
8
天然石榴石：二价或三价金属离子的硅酸盐 通式： R32+R23+(SiO4)3
R2+：Ca2+, Mg2+, Mn2+, Fe2 R3+：Al3+, Fe3+, Cr3+
Y3Al5O12(YAG) 钇铝石榴石 Y3Fe5O12(YIG ) 钇铁石榴石
激光晶体 微波铁氧体
9
钇铝石榴石的晶体结构
1/8石榴石单胞结构 C位 A位
C.H.Townes A.M.Prokhorov
The Nobel Prize in Physics 1964
N.G.Basov
汤斯1954年在量子电子学研究中实现了氨分子的粒子数反转， 研制了微波激射器和激光器；普罗霍洛夫和巴索夫1958年几乎同 时在量子电子学的基础研究中，根据微波激射器和激光器原理研 4 制了振荡器和放大器。以上工作导致了激光器的发明。
钇铝石榴石物理化学性能
12
钇铝石榴石的发光性能
Nd3+ : 4f35s25p6
Nd: YAG在1.06µm波段范围内的室温荧光光谱
Nd: YAG中Nd3+的能级结构
目前最常用的一类固体激光器：
窄的荧光谱线，强的荧光辐射适当的荧光寿命和吸收截面 良好的热学、化学和光照稳定性 机械性能好，易于加工研磨 不同掺杂浓度的YAG陶瓷的荧光寿命