10激光材料.ppt
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1、第十章第十章 激光材料激光材料 n10.1 激光的基本原理激光的基本原理n10.2 激光材料激光材料 教学目标及基本要求教学目标及基本要求n掌握光的吸收和发射,激光的产生,激光工掌握光的吸收和发射,激光的产生,激光工质材料及其特征值质材料及其特征值n熟悉和了解激光工质材料的种类,激光工质熟悉和了解激光工质材料的种类,激光工质材料应用及发展方向,激光调材料应用及发展方向,激光调Q材料。材料。教学重点教学重点和难点和难点n(1)光的吸收和发射)光的吸收和发射n(2)三能级系统)三能级系统n(3)激光的产生及特点)激光的产生及特点n(4)激光工质材料的特征值)激光工质材料的特征值.习习 题题n1、光
2、的吸收和发射?、光的吸收和发射?n2、三能级系统?、三能级系统?n3、激光的产生及特点?、激光的产生及特点?第十章第十章 激光材料激光材料 n世界上第一台激光器的诞生,使激光技术成为一门新兴科学发展起来,在光学发展史上翻开了崭新的一页。激光的出现极大地促进了光学材料的发展,目前已有数百种新型激光工作物质。激光材料包括激光工质材料、激光调Q材料、激光调频材料和激光偏转材料。1960年美国科学家梅曼红宝石激光器 10.1 激光的基本原理激光的基本原理 n一、光的吸收和发射一、光的吸收和发射n1、波尔兹曼统计分布、波尔兹曼统计分布n根据统计力学原理,大量相同粒子(原子、离子、分子)集合处于热平衡温度
3、下,粒子数按能级的分布服从波耳兹曼分布规律,即nN2、N1分别为能级E2和E1上的粒子数。n在热平衡条件下绝大部分粒子处于基态,即处于低能级上的粒子数总多于高能级上的粒子数,因而受激吸收总占优势。这叫粒子数正常分布。n2、光的吸收和发射、光的吸收和发射n辐射与物质的相互作用主要包括受激吸收、自发发射和受激发射。n(1)受激吸收:当一个频率为21的准单色光波通过能隙h21的二能级系数时,若能级满足辐射跃迁选择定则,这时处于低能级E1的原子吸收入射光子,跃迁到高能级E2上(图10-1)。图101 粒子的受激吸收 n受激吸收过程造成的粒子数变化速度与入射的单色光能量密度(21)和能级上粒子数N1成正
4、比,即n(2)自发发射自发发射:跃迁到能级E2上的原子是不稳定的,它会自发地通过辐射一个能量的光子返回到E1能级上(图102)。图102 粒子的自发发射 n跃迁到E1能级的粒子数速率为n各原子的自发发射是独自进行的,彼此无关。n(3)受激发射受激发射:处于高能级的原子不仅可以自发发射,而且可以在入射频率为21的光子感应下受激发射,跃迁到E1能级上(图103)。图103 粒子的受激发射 受激吸收受激吸收n受激发射过程所产生的受激发射光子与入射光子有相同的模式。所造成的高能级上粒子数随时间的变化与入射单色辐射能量密度(21)和E2能级上粒子数N2的关系为n3、粒子数反转、粒子数反转n要想使受激辐射
5、占优势或者说占主导地位,就必须使N2N1。如果借助于外界的激励,破坏粒子的热平衡分布,就可能使高能级E2的粒子数N2大于低能级E1的粒子数N1。由于它同正常分布相反,所以叫粒子数反转分布,见图10-4。图104 粒子数的分布(a)正常分布 (b)反转分布 n粒子数反转分布的作用在于当外来光辐射时,受激辐射总是大于受激吸收,因而产生了光的放大信号。实验证明,许多物质给予一定激励后,能实现这种反转分布,它为激光的产生提供了基础。激光:亮度高,方向性好,单色性,相干性好 粒子数反转受激发射(2E)(4A2)受激吸收受激发射二二.激光的产生激光的产生1.激光器的构成 激光器通常由三部激光器通常由三部分
6、构成:分构成:(1).(1).工作物质工作物质(2).(2).激励源激励源(3).(3).谐振腔谐振腔工作物质工作物质工作物质工作物质激励源激励源激励源激励源谐振腔谐振腔谐振腔谐振腔红宝石激光器是由掺少量Cr的蓝宝石单晶组成,呈棒状,两端面要求平行。靠近两个端面各放置一面镜子,以便使一些自发发射的光通过激光棒来回反射。其中一个镜子起完全反射的作用,另一个镜子只是部分反射。激光棒沿着它的长度方向被闪光灯激发。大部分闪光的能量以热的形式散失,一小部分被激光棒吸收,用来激发Cr离子到高能级。在宽的频带内激发的能量被吸收;而在6943处三价Cr离子以窄的谱线进行发射,构成输出的辐射,自激光棒的一端(部
7、分反射端)穿出。红宝石激光器n(1)工作物质工作物质:是激光器中借以发射激光的物质,是激光器的核心。红宝石激光器的工作物质是含铬离子(Cr3+)的红宝石。激光是由其中铬离子的2E能级到4A2能级的跃迁发射的。n(2)激励源激励源:为了将工作物质中处于基态的粒子激发到激发态能级,以获得粒子数反转,就需要激励源供给能量。这也是激光器中不可缺少的一部分。不同的激光器有不同的激励源。红宝石激光器中的激励源是脉冲氙灯。n(3)谐振腔谐振腔:激光器两端各有一反射镜,构成一谐振腔。其中一块为全反射,另一块为部分反射,激光从这一端输出。n2、三能级系统和四能级系统、三能级系统和四能级系统n(1)三能级系统:图
8、10-5是红宝石中铬离子的简化能级图。三个能级E1、E2、E3中,E2是亚稳态能级。外界激发作用,使得粒子从E1跃迁到E3,处于E3能级的粒子很快通过无辐射跃迁转移到E2。但E2是亚稳态,寿命较长约10-3s,允许粒子久留。随着E1上的粒子不断被跃迁到E3,又很快转移到E2,既然E2允许粒子久留,那么从E2到E1的自发辐射跃迁几率就很小,于是粒子就在E2上积聚起来,从而实现E2与E1两能级间的粒子数的反转。该系统能对诱发光子能量h=E2-E1的光进行放大。图105 三能级系统简图 n(2)四能级系统四能级系统:四能级系统中产生受激辐射的低能级上不像三能级系统那样总有很多粒子,在热平衡条件下可以
9、认为经常是空的。也不是系统中的基态能级,所以容易实现粒子数反转。受激吸收受激发射n图10-6为四能级系统简图。图中E4到E3、E2到E1的无辐射跃迁几率都很大;E3到E2,E3到E1的自发跃迁几率又都很小;E3一般是亚稳态能级,寿命较长;E2与E1间的能量差足够大。这样在热平衡状态下就可以认为E2几乎是空的。图106 四能级系统简图 受激吸收受激发射钕玻璃和掺钕钇石榴石钕玻璃和掺钕钇石榴石n合适的激励方式将粒子从基态E1激发到E4上去,粒子再从E4无辐射跃迁到E3,并积累起来,在E3和E2间就容易形成粒子数反转而产生受激发射。n钕玻璃和掺钕钇石榴石钕玻璃和掺钕钇石榴石等气体激光工作物质都属于四
10、能级系统。n3、红宝石激光器、红宝石激光器n红宝石是在蓝宝石(Al2O3单晶单晶)中加入0.05%Cr3+离子后得到的产物。Cr3+离子使红宝石呈红色,更重要的是提供了产生激光的所必要的电子能态。通常将红宝石制成柱状,两端为高度抛光互相平行的平面(见图10-7)。其中一个端面部分镀银,能部分透光;另一端面充分镀银,使之对光波有完全反射作用。图10-7 红宝石脉冲激光器示意图 n在激光管内,用氙气闪光灯辐照红宝石。红宝石在被辐照之前Cr3+离子都处于基态(见图10-8)。但在氙气闪光灯(波长560nm)照射下,Cr3+中的电子受激转变为高能态,造成粒子数反转。图108 红宝石激光器激光发射过程能
11、级图 n处于高能态的电子可通过两个途径返回基态:处于高能态的电子可通过两个途径返回基态:n(1)直接从受激高能态返回基态,同时发出光子,由此产生的光不是激光。n(2)受激高能电子首先衰变为亚稳态,停留10-3s后返回基态并发出光子。在电子运动过程中10-3s一般是很长的时间,因此在亚稳态能级上集聚了不少的电子,当有几个电子自发地从亚稳态返回基态时,发射出的光子带动更多电子以“雪崩雪崩”形式返回基态,从而发射出愈来愈多的光子。那些基本平行于红宝石轴向运动的光子,一部分穿过部分镀银端,而一部分被镀银端面反射回来,光波沿红宝石轴向来回传播,强度愈来愈强。这时,从部分镀银端面发射出来的光束就是高度准高
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