第9章-光学材料教材课件.ppt
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1、2023/1/61第第9章章 光学材料光学材料2023/1/62 光学材料主要是光介质材料,是传输光线的材光学材料主要是光介质材料,是传输光线的材料,这些材料以折射、反射和透射的方式,改变料,这些材料以折射、反射和透射的方式,改变光线的方向、强度和位相,使光线按照预定的要光线的方向、强度和位相,使光线按照预定的要求传输,也可以吸收或透过一定波长范围的光线求传输,也可以吸收或透过一定波长范围的光线而改变光线的光谱成分。而改变光线的光谱成分。2023/1/639.1 激光材料激光材料2023/1/6419世纪的科学家们进行了关于电磁波的卓越的研究世纪的科学家们进行了关于电磁波的卓越的研究1905年
2、爱因斯坦提出了光量子和光电效应年爱因斯坦提出了光量子和光电效应的概念,揭示了辐射的波粒二象性的概念,揭示了辐射的波粒二象性 1916年爱因斯坦提出了受激辐射的概念年爱因斯坦提出了受激辐射的概念1900年普朗克引入了能量量子的概念年普朗克引入了能量量子的概念 基础性、探基础性、探索性研究索性研究9.1 激光材料激光材料2023/1/65激光走向新技术的开发和工程应用阶段激光走向新技术的开发和工程应用阶段1954年研制成第一台微波激射器年研制成第一台微波激射器 1958年美国的汤斯和苏联的巴索夫及普罗霍洛夫等人年美国的汤斯和苏联的巴索夫及普罗霍洛夫等人提出了激光的概念和理论设计提出了激光的概念和理
3、论设计 1960年美国的梅曼研制成功第一台红宝石激光年美国的梅曼研制成功第一台红宝石激光器;贾万等人研制成氦氖激光器。器;贾万等人研制成氦氖激光器。我国的第一台激光器我国的第一台激光器于于1961年在长春光机所年在长春光机所创制成功创制成功 2023/1/66一、激光原理一、激光原理原理:利用受激辐射放大电磁波,可在紫外线、可见光、红原理:利用受激辐射放大电磁波,可在紫外线、可见光、红外谱区极窄的频段内产生高强度相干辐射。外谱区极窄的频段内产生高强度相干辐射。激光激光(LASER)是经受激辐射引起光频放大的英文是经受激辐射引起光频放大的英文Light Amplification by Stim
4、ulated Emission of Radiation的缩写。的缩写。2023/1/67激光的激光的特性特性使之在光学应用领域带来了革命性的变化:使之在光学应用领域带来了革命性的变化:方向性方向性单色性单色性相干性相干性高亮度高亮度接近单频接近单频干涉性好干涉性好发射方向的空间内能量高度集中发射方向的空间内能量高度集中2023/1/68 光的产生总是和原子中电子的跃迁有关。假如电子处光的产生总是和原子中电子的跃迁有关。假如电子处于高能态于高能态E2,然后跃迁到低能态,然后跃迁到低能态El,则它以辐射形式发,则它以辐射形式发射能量,其辐射频率为射能量,其辐射频率为2023/1/69 能量发射可
5、以有两种途径能量发射可以有两种途径:一是原子无规则地转变到低能一是原子无规则地转变到低能态、称为态、称为自发发射自发发射;二是一个具有能量等于两能级间能量差的;二是一个具有能量等于两能级间能量差的光子与处于高能态的原子作用,使原子转变到低能态,同时产光子与处于高能态的原子作用,使原子转变到低能态,同时产生第二个光子,这一过程称为生第二个光子,这一过程称为受激发射受激发射,受激发射产生的光就受激发射产生的光就是激光。是激光。2023/1/610 当光入射到由大量粒子所组成的系统时,光的吸收、自当光入射到由大量粒子所组成的系统时,光的吸收、自发辐射和受激辐射三个基本过程是同时存在的。发辐射和受激辐
6、射三个基本过程是同时存在的。在热平衡状态、粒子在各能级上的分布服从玻耳兹曼分在热平衡状态、粒子在各能级上的分布服从玻耳兹曼分布律:布律:NiNee-/kT,其中,其中,Ni为处在能级为处在能级Ei的粒子数;的粒子数;Ne为总粒子数,为总粒子数,k为玻为玻耳兹曼常数,耳兹曼常数,T为体系的绝对温度。为体系的绝对温度。2023/1/611粒子数反转粒子数反转粒子数反转粒子数反转(population inversion)是激光产生的前提。一个电是激光产生的前提。一个电子可以在不同的能级之间跃迁。在通常情况下,因为热力学的子可以在不同的能级之间跃迁。在通常情况下,因为热力学的平衡态服从波尔兹曼分布律
7、,使得处于基态(最低能级)的电平衡态服从波尔兹曼分布律,使得处于基态(最低能级)的电子数远远多于处于激发态(较高能级)的电子数,这种情况得子数远远多于处于激发态(较高能级)的电子数,这种情况得不到激光。不到激光。为了形成足够的激发辐射,得到激光,就必须用一定的方为了形成足够的激发辐射,得到激光,就必须用一定的方法去激发电子群体,使亚稳态上的电子数目超过基态上的。该法去激发电子群体,使亚稳态上的电子数目超过基态上的。该过程称为粒子数的反转。例如,氦氖激光器中,通过氦原子的过程称为粒子数的反转。例如,氦氖激光器中,通过氦原子的协助,使氖电子中的两个能级实现粒子数反转而获得激光。协助,使氖电子中的两
8、个能级实现粒子数反转而获得激光。2023/1/612实现粒子数反转的条件:实现粒子数反转的条件:通常实现粒子数反转要依靠两个以上的能级:通常实现粒子数反转要依靠两个以上的能级:低能级的粒子通过比高能级还要高一些的泵浦能级低能级的粒子通过比高能级还要高一些的泵浦能级抽运到高能级。抽运到高能级。三能级系统三能级系统四能级系统四能级系统2023/1/613 粒子在强大的外来能源激励下,从基态粒子在强大的外来能源激励下,从基态E1大量地被抽运到大量地被抽运到高能级高能级E3上,使上,使E1上的粒子数不断减少,上的粒子数不断减少,E3的寿命很短,粒的寿命很短,粒子很快以子很快以无辐射跃迁的方式无辐射跃迁
9、的方式转移到亚稳态转移到亚稳态E2,E2的寿命较长,的寿命较长,从而积累大量的粒子,直至,实现了粒子数反转。从而积累大量的粒子,直至,实现了粒子数反转。由于基态上原来具有的粒子由于基态上原来具有的粒子数很多,故实现数很多,故实现N2N1比较困难,比较困难,要求抽运泵功率很强,且效率低,要求抽运泵功率很强,且效率低,这是三能级系统的主要缺点。这是三能级系统的主要缺点。三能级系统三能级系统2023/1/614 在外界激励的条件下,基态在外界激励的条件下,基态E1的的粒子大量地跃迁到粒子大量地跃迁到E4,E4寿命短,寿命短,又迅速地转移到又迅速地转移到E3,E3能级为亚稳能级为亚稳态,寿命较长,态,
10、寿命较长,E2常温为空能级,常温为空能级,故很容易在故很容易在E3和和E2之间形成粒子数之间形成粒子数反转,而反转,而E2能级寿命很短,到了能级寿命很短,到了E2能级上的粒子很快便回到基态能级上的粒子很快便回到基态E1,因而粒子数反转在四能级系统比在因而粒子数反转在四能级系统比在三能级系统容易实现。三能级系统容易实现。四能级系统四能级系统2023/1/615 一般可以用一般可以用气体放电气体放电的办法来利用具有动能的电子去激的办法来利用具有动能的电子去激发激光材料,称为电激励;发激光材料,称为电激励;也可用也可用脉冲光源脉冲光源来照射光学谐振腔内的介质原子,称为来照射光学谐振腔内的介质原子,称
11、为光激励;光激励;还有还有热激励热激励、化学激励化学激励等。等。各种激发方式被形象化地称为各种激发方式被形象化地称为泵浦泵浦或或抽运抽运。为了使激光。为了使激光持续输出,必须不断地持续输出,必须不断地“泵浦泵浦”以补充高能级的粒子向下跃以补充高能级的粒子向下跃迁的消耗量。迁的消耗量。激励方式激励方式2023/1/616二、激光器组成二、激光器组成工作物质工作物质(基质和激活离子基质和激活离子)激发源激发源(泵浦泵浦)共振腔共振腔2023/1/617工作物质:工作物质:借外来能源激励,实现借外来能源激励,实现粒子数反转粒子数反转并产生受激辐并产生受激辐射放大作用的物质系统,包括固体射放大作用的物
12、质系统,包括固体(晶体、玻璃晶体、玻璃)、气体、气体(原原子气体、离子气体、分子气体子气体、离子气体、分子气体)、液体和半导体等。、液体和半导体等。基质晶体基质晶体激活离子激活离子工作物质工作物质2023/1/618基质晶体基本上有三类:基质晶体基本上有三类:(1)氟化物晶体氟化物晶体 这类晶体熔点较低,易于生长单晶,是早期研这类晶体熔点较低,易于生长单晶,是早期研究的激光晶体材料,如究的激光晶体材料,如CaF2,BaF2,SrF2,LaF3,MgF2等。等。但是,它们大多要在低温下才能工作,所以现在应用较少。但是,它们大多要在低温下才能工作,所以现在应用较少。2023/1/619(2)含氧金
13、属酸化物晶体含氧金属酸化物晶体 这类材料是较早研究的激光晶这类材料是较早研究的激光晶体材料之一。均以三价稀土离子为激活离子,是一种四体材料之一。均以三价稀土离子为激活离子,是一种四能级机构的工作物质,如能级机构的工作物质,如CaWO4,CaMnO4,LiNbO4,Ca(PO4)3F等。等。2023/1/620(3)金属氧化物晶体金属氧化物晶体 这类晶体如这类晶体如A12O3,Y3A15O12,Er2O3;Y2O3等,掺入三价过渡族金属离子或三价稀土离子构成等,掺入三价过渡族金属离子或三价稀土离子构成激光晶体。应用较广,研制最多。但它们的熔点均高,制激光晶体。应用较广,研制最多。但它们的熔点均高
14、,制取优质单晶都较困难。取优质单晶都较困难。2023/1/621激活离子激活离子 晶体激光工作物质要在基质晶体中掺入适量的激活离子。晶体激光工作物质要在基质晶体中掺入适量的激活离子。激活离子的作用在于在固体中提供亚稳态能级,由光泵作用激活离子的作用在于在固体中提供亚稳态能级,由光泵作用激发振荡出一定波长的激光。激发振荡出一定波长的激光。要求:希望是四能级的、即被光泵激发到高能级上的粒子,要求:希望是四能级的、即被光泵激发到高能级上的粒子,由感应激发跃迁到低能级发生激光振荡时,不直接降到基态,由感应激发跃迁到低能级发生激光振荡时,不直接降到基态,而是降到中间的能级,这比直接降到基态的三能级工作的
15、激而是降到中间的能级,这比直接降到基态的三能级工作的激活离子效率高,振荡的阈值也低。活离子效率高,振荡的阈值也低。2023/1/622(1)离子大小离子大小:晶态基质的晶格格点必须与激活离子的大小:晶态基质的晶格格点必须与激活离子的大小相当。在离子晶体中,离子半径之差大于相当。在离子晶体中,离子半径之差大于15就不能直就不能直接掺入接掺入1以上的激活离子。但用稀土激活的晶体激活离以上的激活离子。但用稀土激活的晶体激活离子的掺入量可大于子的掺入量可大于1。(2)电性中和电性中和:掺杂剂价态如与基质阳离子不同,则要采取:掺杂剂价态如与基质阳离子不同,则要采取适当的电荷补偿技术维持高掺杂下的电性中和
16、,否则掺适当的电荷补偿技术维持高掺杂下的电性中和,否则掺杂剂的溶解度将受到限制。例如杂剂的溶解度将受到限制。例如CaWO4中如只掺入稀土中如只掺入稀土取代取代Ca2+,溶解度就受到限制,这时再加入,溶解度就受到限制,这时再加入Na+,稀土溶,稀土溶解度才增加。解度才增加。对工作物质的要求对工作物质的要求2023/1/623(3)抗热冲击能力抗热冲击能力:基质的某些物理性质决定该晶体对突:基质的某些物理性质决定该晶体对突然爆发的泵浦能的抗热冲击能力,这对于确定运转方式如然爆发的泵浦能的抗热冲击能力,这对于确定运转方式如连续运转或高功率、高重复率脉冲运转颇为关键。对于这连续运转或高功率、高重复率脉
17、冲运转颇为关键。对于这些运转方式,利用些运转方式,利用热膨胀系数低、强度高、热导率高的晶热膨胀系数低、强度高、热导率高的晶体更合适体更合适。这些性质的相对数值大体上与化合物的熔点有关,因这些性质的相对数值大体上与化合物的熔点有关,因此使用高熔点化合物更有利。此使用高熔点化合物更有利。2023/1/624(4)光学性质)光学性质:理想晶体应对泵浦波长有较强吸收,:理想晶体应对泵浦波长有较强吸收,对激射波长吸收很弱。对激射波长吸收很弱。(5)纯度)纯度:生长激光晶体所用氧化物纯度为:生长激光晶体所用氧化物纯度为56个个“9”,总杂质含量不得超过,总杂质含量不得超过110 ppm。2023/1/62
18、5共振腔:共振腔:光波在其中来回反射从而提供光能反馈的空腔光波在其中来回反射从而提供光能反馈的空腔。理论上讲,只要使工作物质实现粒子数反转,就可产生理论上讲,只要使工作物质实现粒子数反转,就可产生受激辐射并引起光放大。实际上,仅靠一次通过有限长物质受激辐射并引起光放大。实际上,仅靠一次通过有限长物质的放大是很有限的,且光在物质中还要被吸收,同时受激辐的放大是很有限的,且光在物质中还要被吸收,同时受激辐射方向各异。为获得方向性、单色性好的相干光,必须使用射方向各异。为获得方向性、单色性好的相干光,必须使用光学谐振腔。光学谐振腔。2023/1/626 共振腔通常由两块与工作介质轴线垂直的平面或凹球
19、面反射共振腔通常由两块与工作介质轴线垂直的平面或凹球面反射镜构成。工作介质实现了粒子数反转后就能产生光放大。谐振镜构成。工作介质实现了粒子数反转后就能产生光放大。谐振腔的作用是选择频率一定、方向一致的光作最优先的放大,而腔的作用是选择频率一定、方向一致的光作最优先的放大,而把其他频率和方向的光加以抑制。把其他频率和方向的光加以抑制。2023/1/627 凡不沿谐振腔轴线运动的光子均很快逸出腔外,与工作介凡不沿谐振腔轴线运动的光子均很快逸出腔外,与工作介质不再接触。沿轴线运动的光子将在腔内继续前进,并经两质不再接触。沿轴线运动的光子将在腔内继续前进,并经两反射镜的反射不断往返运行产生振荡,运行时
20、不断与受激粒反射镜的反射不断往返运行产生振荡,运行时不断与受激粒子相遇而产生受激辐射,沿轴线运行的光子将不断增殖,在子相遇而产生受激辐射,沿轴线运行的光子将不断增殖,在腔内形成传播方向一致、频率和相位相同的强光束,这就是腔内形成传播方向一致、频率和相位相同的强光束,这就是激光。激光。2023/1/628为把激光引出腔外,可把一面反射镜做成部分透射的,透射为把激光引出腔外,可把一面反射镜做成部分透射的,透射部分成为可利用的激光,反射部分留在腔内继续增殖光子。部分成为可利用的激光,反射部分留在腔内继续增殖光子。2023/1/629固体激光器固体激光器半半导体激光器体激光器化学激光器(化学激光器(H
21、F/DF激光、氧碘化学激光器、激光、氧碘化学激光器、CO2激光、激光、燃料激光、氦燃料激光、氦氖激光激光)三、激光的种类三、激光的种类2023/1/630自由电子激光器自由电子激光器x射线激光器射线激光器准分子激光器准分子激光器金属蒸气激光器等。金属蒸气激光器等。铜蒸气激光2023/1/631 举例举例:红宝石激光晶体红宝石激光晶体(A12O3:Cr 3)红宝石是世界上第一台固体激光器的工作物质,它是由刚玉红宝石是世界上第一台固体激光器的工作物质,它是由刚玉单晶单晶(A12O3)为基质,掺入为基质,掺入Cr 3 激活离子所组成的。激活离子所组成的。从激光器对工作物质的物化性能和光谱性能要求来看
22、,红从激光器对工作物质的物化性能和光谱性能要求来看,红宝石激光器堪称一种较为理想的材料。宝石激光器堪称一种较为理想的材料。2023/1/632优点:晶体的物化性能很好,材料坚硬、稳定、导热性好、优点:晶体的物化性能很好,材料坚硬、稳定、导热性好、抗破坏能力高,对泵浦光的吸收特性好,可在室温条件下抗破坏能力高,对泵浦光的吸收特性好,可在室温条件下获得获得0.6943um的可见激光振荡。的可见激光振荡。缺点:属于三能级结构,产生激光的阈值较高。缺点:属于三能级结构,产生激光的阈值较高。2023/1/633 红宝石的激光发射波长为可见光红宝石的激光发射波长为可见光-红光的波长,这一波长红光的波长,这
23、一波长的光,不但为人眼可见,而且对于绝大多数的各种光敏材料的光,不但为人眼可见,而且对于绝大多数的各种光敏材料和光电探测元件来说,都是易于进行探测和定量测量的。和光电探测元件来说,都是易于进行探测和定量测量的。因此红宝石激光器在激光器基础研究、强光因此红宝石激光器在激光器基础研究、强光(非线性非线性)光学光学研究、激光光谱学研究、激光照相和全息技术、激光雷达与研究、激光光谱学研究、激光照相和全息技术、激光雷达与测距技术等方面部有广泛的应用。测距技术等方面部有广泛的应用。2023/1/634钕钇铝石榴石激光晶体钕钇铝石榴石激光晶体(YAG:Nd 3)激光工作物质是激光工作物质是Y3Al5O12作
24、为基质,作为基质,Nd 3 作为激光离子。作为激光离子。钕钇铝石榴石钕钇铝石榴石(YAG)属立方晶系,属立方晶系,YAG:Nd 3 激光跃迁能激光跃迁能级属于四能级系统,具有良好的力学、热学和光学性能。级属于四能级系统,具有良好的力学、热学和光学性能。与红宝石相比,与红宝石相比,YAG:Nd 3 晶体的荧光寿命较短,荧光晶体的荧光寿命较短,荧光谱线较窄,工作粒子在激光跃迁高能级上不易得到大量积累,谱线较窄,工作粒子在激光跃迁高能级上不易得到大量积累,激光储能较低,以脉冲方式运转时,输出激光脉冲的能量和激光储能较低,以脉冲方式运转时,输出激光脉冲的能量和峰值功率都受到限制,鉴于上述原因,峰值功率
25、都受到限制,鉴于上述原因,YAG:Nd 3器件一器件一般不用来作单次脉冲运转。般不用来作单次脉冲运转。2023/1/635 但由于其阈值比红宝石低,增益系数比红宝石大,适合但由于其阈值比红宝石低,增益系数比红宝石大,适合于作重复脉冲输出运转。重复率可高达每秒几百次,每次于作重复脉冲输出运转。重复率可高达每秒几百次,每次输出功率到百兆瓦以上。输出功率到百兆瓦以上。军用激光测距仪和制导用激光照明器都采用钕钇铝石榴军用激光测距仪和制导用激光照明器都采用钕钇铝石榴石激光器。石激光器。这种激光器也是这种激光器也是唯一能在常温下连续工作唯一能在常温下连续工作,且有较大功,且有较大功率的固体激光器。率的固体
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