第四章(光学材料).ppt

第四章　光学材料Chapter4OpticalMaterials主要内容：激光材料光纤材料发光材料红外材料液晶材料光存储材料第一节　激光材料一、激光的特性和激光器的基本结构激光的特性　①定向性或准直性好　　一般光线是发散开来的。　②波长单一，即单色性好　　一般光通常是由几种不同频率的光组成的。　③具有相干性　　激光的光波都是同相位的，可以互相增强，而一般光是非相干的。　④强度大，亮度高。　　激光的上述四个特性都很重要，每一个特性都能开发出许多重要的应用。第四章　光学材料－§4.1激光材料激光器的基本结构　①激光介质　　即激光材料。　②激励装置　　激光产生的能源，作用是把原子源源不断地激励到高能级上，实现“粒子数反转”。激励装置也叫“泵浦”，它可以是光源泵、电流泵，也可以是激光器泵另一个激光器。第四章　光学材料－§4.1激光材料　③反馈系统　　又称谐振腔。通常由两端各一个反射镜组成，镜子能将激光介质所产生的相干光反射回到介质中，使其来回振荡，光子就越积越多，产生“放大”的作用。二、固体激光器材料固体激光器材料应具备的条件　①应具有合适的光谱特性　②激发态吸收要小　③具有良好的光学均匀性和稳定性　④应具有良好的物化性能固体激光工作物质固体激光工作物质由激活离子和基质晶体两部分构成。　1、激活离子　（1）激活离子的作用　　　实现粒子数反转。　　　激活离子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，即实现将低能级上的粒子“抽运”到高能级上去。激活离子是激光晶体的发光中心，激光的波长即由激活离子的种类决定。第四章　光学材料－§4.1激光材料（2）激活离子的种类　①过渡金属离子　　Ti3+、V2+、Cr3+、Co2+、Ni2+和Cu+等，在不同晶体中，其光谱特性有很大差异。　②三价稀土离子　　　镧系稀土元素Nd3+(钕)、Pr3+(镨)、Sm3+(钐)、Eu3+(铕)、Dy3+(镝)、Ho3+(钬)、Er3+(铒)、Tm3+(铥)和Yb3+(镱)等，以Nd3+最常见。对一般光　　　　泵的吸收效率较低，因此应采用敏化技术或提高掺杂浓度等措施来提　　高效率。　③二价稀土离子　　　Sm2+、Tm2+、Er2+和Dy2+等。有利于泵浦光的吸收，但不稳定。　④锕系离子　　　主要是U3+。由于有放射性，不易制备，使用不方便，实用较困难。第四章　光学材料－§4.1激光材料　2、基质晶体　（1）基质晶体的要求　　基质晶体一般是单晶体，应有良好的机械强度、良好的导热性和较小　的光弹性，对产生激光的吸收应接近零，且光学性能均匀。　　基质晶体都是“宝石”。一些常见的激光晶体第四章　光学材料－§4.1激光材料（2）基质晶体的种类　①氟化物晶体CaF2、BaF2、SrF2、LaF3、MgF2等，立方形晶体结构。　　特点：熔点较低，易于生长单晶。宜在低温下工作，现应用较少。　　适用的激活离子：锕系离子U3+，稀土元素Sm3+、Dy3+、Tm3+、Nd3+和过　渡金属离子Co2+、Ni2+等。　②含氧金属酸化物晶体（阴离子络合物）　　CaWO4、CaMnO4、LiNbO4、Ca(PO4)3F等。　　特点：掺杂时需要电荷补偿，是一种四能级机构的工作物质。　　适用的激活离子：三价稀土离子。　③金属氧化物晶体　　如Al2O3、Y3Al5O12、Er2O3、Y2O3等。　　特点：熔点高、硬度大、物理化学性能稳定，应用最广泛。　　适用的激活离子：三价过渡金属或三价稀土离子，如Cr3+、Nd3+等。第四章　光学材料－§4.1激光材料红宝石激光晶体（Al2O3:Cr3+）　优点：晶体的物化性能好，硬度高，抗破坏能力强，同时对泵浦光的吸收特性好，可在室温条件下获得694.3nm的可见激光振荡。缺点：属三能级结构，产生激光的阈值较高。工作原理：　主要用途：　激光器基础研究、强光光学研究、激光光谱研究、激光照相和全息技术、激光雷达与测距技术等。第四章　光学材料－§4.1激光材料钕钇铝石榴石激光晶体(YAG:Nd3+)　优点：　属四能级系统，产生激光的阈值较低。力学、热学和光学性能良好。　缺点：　荧光寿命较短，荧光谱线较窄，工作粒子在激光跃迁到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峰值功率都受到限制。　主要用途：　主要应用于军用激光测距仪和制导用激光照明器。这种激光器还是唯一能　在常温下连续工作，且有较大功率的固体激光器。第四章　光学材料－§4.1激光材料三、半导体激光器的基本结构基本结构第四章　光学材料－§4.1激光材料半导体激光器产生激光的条件（1）利用电流注入的少数载流子复合时放出的能量须高效率变换为光。　　一般必须是直接带隙半导体。（2）在引起反转分布时要注入足够浓度的载流子。　　载流子浓度低于某一阈值，仅引起注入发光，但