第四章激光材料

第四章激光材料激光器是60年代初才出现的一种新颖光源，激光较普通光具有三个突出特点：第一，方向性好，亮度高；第二，单色性好；第三，相干性好。首先，在现有的各类光源中，激光的亮度最高，比太阳表面的亮度还要高1010倍。激光的另一个特点是方向性好。普通光源发出的光是向四面八方发射的，激光器则不同，他只向一定的方向发出一束几乎平行的光，光束的发射角很小。例如，氦—氖激光器的光束发散角只有1～5mrad。虽然探照灯的方向性较好，但它的光束在几公里之外扩展到几十米，而激光器的光束在几公里之外，扩展的范围仅有几厘米。其次，激光的单色性好。一般有单色光源发出的光实际上波长并不是单一的，而是有一定的波长范围，这个范围称为单色光的谱线宽度。光的波长范围越小，谱线宽度越窄，说明它的单色性越好。在普通光源中，单色性最好的是氪灯，发出光的谱线宽度在室温下为0.00095nm。氦—氖气体激光器发出的光，其谱线宽度在室温下为1×10-8nm。由此可知，激光器的单色性比氪灯要好上万倍。激光还具有相干性，它有高度的空间相干性和时间相干性。空间相干性是指从两个不同点发出的单色光相位间的相关性。时间相干性是指从一点光源发出的单色光经过不同路径而到达同一区域时，由于时间差而产生干涉现象。激光器发出的激光有可见光，也有红外光，紫外光甚至是x射线。第一节激光产生的原理在正常情况下，原子中的电子大多数处于能级较低的稳定状态。在原子受到光的照射，加热或微粒的碰撞后，就吸收外来的能量，电子便从能量较低的基态跃迁到能量较高的激发状态。处于激发状态的电子不稳定，会很快跳回到基态，同时放出能量。能量释放的方式通常有两种，一种是以热的形式放出，称为无辐射跃迁；另一种是以光的形式辐射出来，称为辐射跃迁。辐射出来的光的频率γ由跃迁前后的两个能级之间的能量差所决定。ν=E2-E1/h在普通光源如电灯，日光灯、高压水银灯中，处于激发状态的电子可以不受外界影响，而通过自发发射光子，从能量高的状态衰变到能量低的状态，这种过程称为自发辐射跃迁。此外，也可以在外来光波的作用下，导致电子从较高能级向较低能级跃迁，这种跃迁称为受激辐射跃迁。这时辐射出来的光和外来的光在频率、传播方向和位相等方面是完全相同的。只有当外来光波的频率和原子的相应能级相当时，既符合ν=E2-E1/h的条件时（E1,E2分别表示不同能级的能量E2E1）,才能发生受激辐射。相当于水泵把水从地处抽到高处，用光照射，借助气体放电或利用化学反应都可引起激励。因此常用的泵有光泵，电泵，气动泵，化学泵等。怎样才能使受激辐射从次要地位转变为主导地位呢？当光的频率和原子的相应能级相当且通过物体时，有两方面的作用：一方面是已被激发到高能级的原子发生受激辐射，使光子数增多。另一方面是处在低能级的原子吸收光子的能量被激发到高能级上去，使光子数减少。光的吸收和受激辐射是同时存在的，但又是不平衡的。通常在热平衡状态下，处于低能级的原子数(N1)总是多于处在高能级的原子数(N2)，即N1〉N2这时光的吸收起主导作用；反之，当处于高能级的原子数多于处在低能级的原子数，即N2〉N1时，受激辐射起主导作用。在通常情况下，总是N1〉N2,但在外来能量的激发下，有可能使N2〉N1，这种反常状态称为出现了粒子数反转。粒子数反转是使受激辐射从次要地位转化为主要地位的必要条件，也就是产生激光的必要条件。在激光器中，可以实现粒子数反转而产生受激辐射的物质称为工作物质。在通常情况下，处于较高能级的离子是很不稳定的，存在的时间很短，只有10-8S。但有些物质，如，氖原子及二氧化碳分子等，它们的某一较高能级比较稳定，可存在较长时间，这种能级称为亚稳态能级。由亚稳态能级的粒子（原子、离子或分子）体系，较易在亚稳态能级和低能级之间实现粒子数反转，亚稳态能级的存在是工作物质造成粒子数反转的内因。若此时有某种外部作用，使大量原来处于低能级的粒子跃迁到较高的亚稳态能级上，造成粒子数反转，这种过程成为激励。引起激励的外部作用称为泵。工作物质是否容易实现粒子数反转与工作物质的能级结构有关，工作物质的能级结构有以下几种情况。1、二能级系统在没有外界作用的情况下，体系中处于较低能级E1的粒子数总是多于处在较高能级E2的粒子数。在受到泵的激励后，处于低能级E1的粒子可以吸收能量被激发到高能级E2上，造成粒子数反转。这种体系如果单纯用光泵激励，由于同时也产生受激辐射，很难实现粒子数反转。2、三能级系统在体系受到泵的激励后处在基态E1的粒子可吸收能量被激发到较高能级E2上，粒子在能级E2的寿命（存在时间）很短，一般只有10-8s，它迅速跃迁到寿命较长的能级E3（亚稳定能级）上，这样就实现能级E3与基态能级E1之间的粒子数反转，只有当ν=E3-E1/h的外来光作用时，立刻产生受激辐射。在热平衡状态时，基态能级上的粒子数很多，因此必须用很强的泵，才能使基态能级E1上较多的粒子跃迁到较高的能级E2上去，然后造成能级E3与E1的粒子数反转。这种体系能实现粒子数反转，但对泵的要求较高。3、四能级系统当体系受到泵的激励后，处在基态E1的粒子先被激发到较高能级E2上去，然后由E2迅速跃迁到寿命较长的能级E3上，这时能级E3积聚较多的粒子，在正常情况下比基态能级稍高的另一较低能级E4上的粒子数很少，因此，在能级E3与E4之间很易实现粒子数反转，当有ν=E3-E4/h的外来光作用时，立即产生受激辐射。这种体系较易实现粒子数反转。工作物质是激光器的核心，它的主要作用有2个方面，一个是发出激光，另一个是作为介质传播光束。因此，对工作物质有一定的要求。作为产生激光的发光体，要求：1、有宽而多的吸收带，（即可吸收多种波长的光），能有效地用光泵的能量，提高光泵的激励效率。2、亚稳定有较长的寿命，这样才能积聚较多的粒子，便于造成粒子数反转。3、产生激光时，相应的低能级高于基态能级，使低能级上的粒子数很少，易造成粒子数反转，由此可知，最理想的工作物质是四能级系统。作为光的传播的介质，有如下要求:1、光学均匀性好，否则会引起光的散射和吸收，影响激光束的发射角。2、对产生的激光有较大的透过率，尽可能减少杂质对激光束的吸收。3、光照性能好，即在光泵照射下，工作物质的性能仍稳定，保持原有的机械性能和化学性能稳定性。4、导热性好。因为用光泵激励时，部分光能转变成热能，使工作物质温度升高，影响它的性能和使用寿命，所以要求尽快把热能传递出去。在电灯、日光灯等普通光源中，自发辐射占主导地位。有机磁子，0.6nmICP在激光器中，受激辐射处于支配地位。这就是激光和普通光相互区别的内在原因。第二节激光器的种类根据激光工作物质的性质和状态，激光器可分为固体激光器，气体激光器，半导体激光器，化学激光器及液体激光器等几种类型。一、固体激光器固体激光器有三种不同的工作方式。第一种是脉冲式激光器，单次发射，每次激光持续的时间为零点几毫秒到几十毫秒；第二种是重复频率激光器，在一秒钟内能产生几到几十次的激光脉冲；第三种是连续激光器，能长时间稳定地输出激光。固体激光器的工作物质包括两个组成部分：激活粒子（真正产生激光的离子）和基质材料（传播光束的介质）。形成激活离子的元素有三类：第一类是过渡元素如铬、锰、钴、镍、钒等；第二类是大多数稀土元素如钕、镝、钬、铒、铥、镱、镥、铕、钐、镨等；第三类是个别的放射性元素如铀。目前应用最多的是Cr3+和Nd3+.Nd-Fe-B永磁材料磁魔Sm-Co基质材料有晶体和玻璃，分别称为晶体激光器和玻璃激光器。（超速冷却非晶态）*每一种激活离子都有其对应的一种或几种基质材料。例如，Cr3+掺入氧化铝晶体中有很好的发生激光的性能，但掺入到其他晶体或玻璃中发光性能就很差，甚至不会产生激光。作为基质材料用的晶体也有几种类型：第一种是金属氧化物。如，Al2O3,Y2O3,La2O3,Ga2O3等。第二种是复合氧化物如。Y3Al5O12(钇铝石榴石)Y3Fe5O12，Y3Ga5O12Gd3Ga5O12等。第三种是氟化物。如，CaF2,MgF2,LaF3,CeF3等。夜明珠蓄水池蓄电池蓄光材料（池）光伏产业50000亿美圆LED第四种是复合氟化物。如，CaF2-YF3,BaF2-LaF3,NaCaYF6等。第五种是含氧酸盐。如CaWO4,SrMoO4,YVO4,LaAlO3,Ca(P04)3F等。红宝石、钕玻璃和掺钕钇铝石榴石是固体激光器中常用的几种工作物质。1、红宝石激光器红宝石的基质材料是氧化铝晶体，其中掺有0.05%的氧化铬，激活离子是Cr3+。红宝石是三能级系统的工作物质，发射的激光是可见光，波长为694.3nm（红光），多数以脉冲方式工作。固体激光器难以连续工作的原因之一是不能使晶体温度太高，必须经常进行散热，使温度降下来。制备红宝石单晶用的原料必须有很高的纯度，通常用重结晶法提纯后的铵明矾（NH4Al(SO4)2·12H2O）和重铬酸铵（（NH4）2Cr2O7）,将它们以一定比例混合，加热到1050-1150℃，这时发生下列反应，0252)(012)(22333422244HSONHSOAlHSOAlNH332342)(SOOAlSOAlOHOCrNOCrNH23227224222)(2制得的Al2O3与Cr2O3的混合物，再用火焰法或引上法制成红宝石单晶。火焰法是利用氢氧焰产生的高温，使固体混合物融化，然后缓慢冷却长成单晶，这种方法生长单晶的速度快，设备简单，但是制成的晶体光学均匀性较差。引上法的原理和直接法制半导体晶体相同，用这种方法制得的单晶光学质量较好，但Cr3+浓度分布不匀。2、钕玻璃激光器钕玻璃的激活离子是Nd3+，这是四能级系统的工作物质。基质材料是玻璃，玻璃的成分不同，制成的钕玻璃工作性能也不同，以K2O-BaO-SiO2成分的玻璃为基质材料时，产生激光的性能较好，其中掺入Nd2O32-6%(质量比)。钕玻璃制备方便，易获得良好的光学均匀性，形状和尺寸有较大的自由度。缺点是导热性和机械性能较差，不能连续工作。3、Nd：YAG激光器掺钕钇铝石榴石可用符号Nd3+:YAG(yttriumaluminiumgarnet的缩写)表示，它的激活离子是Nd3+，是四能级系统的工作物质。基质材料是钇铝石榴石（YAG），它是由Y203和Al2O3以3：5的比例化合生成Y3Al5O12。在晶体内部，Y3+,Al3+与O2-按一定的规律排列，掺入Nd3+的浓度是1-3%。和红宝石相比，由于它是四能级系统，易实现粒子数反转，性能较好。与钕玻璃相比，导热性良好，采用适当的冷却方法，能方便地将热量传送出去，使晶体内部温度均匀，始终保持较低的温度，所以可按连续的方式工作。用作激光工作物质的Nd3+:YAG必须有很高的纯度，晶体生长的好坏对激光器的工作性能有很大的影响，常采用引上法制取单晶。先将Y2O3.Nd2O3与Al2O3分别灼烧除去水分，再按一定比例充分混合，压块成型，然后放入高频炉内，逐渐升温至熔点（1950℃），保持温度，再用粒晶引拉，为了生长出良好的单晶，必须严格控制熔融物的温度，粒晶的转速及提升速度，为了使晶体缓慢均匀地生长，粒晶提升速度必须很慢，一般为1-2mm·h-1,单晶制成后，高频炉慢慢降温，取出的单晶还需放在空气中于1400℃下进行退火处理，最后经过光学加工，即得成品。钕玻璃与Nd3+:YAG输出的激光主要是波长为1060nm的红外光，现在通过倍频技术，采用非线性光学元件，将1060nm的红外光转变成波长为530nm的绿光。倍频材料的种类很多，磷酸二氢铵（NH4H2PO4）和磷酸二氢钾（KH2PO4）是较简单的两种，它们是水溶性晶体，易潮解，难保存。现在采用碘酸锂（LiIO3）、铌酸锂（LiNbO3）和铌酸钡钠（NaBa2Nb5O15）等晶体做倍频材料，尤其铌酸钡钠的转换效率特别高。作为倍频材料的晶体也要求有良好的光学特性，因此必须是生长良好的单晶。二、气体激光器气体激光器中的工作物质可以是Ne,He,Kr,Xe及金属蒸汽原子，也可以是CO，N2,O2,CO2,水蒸气等双原子分子，三