第3章_材料的光学性能2.ppt

§6 材料的发光性能 6.5 激光（Laser） 激光（Laser）是英文“Light amplification by stimulated emission of radiation”首写字母的缩写，意为受激辐射光放大，是一种单色性好,亮度高、相干性强、方向性好的相干光束。 激光技术是20世纪60年代后发展起来的一门技术，它带动了傅里叶光学、全息术、光学信息处理、光纤通信、非线性光学和激光光谱学等学科的发展，形成了现代光学。 在激光器中利用光学谐振腔来形成所要求的强辐射场，使辐射场能量密度远远大于热平衡时的数值，从而使受激辐射概率远远大于自发辐射概率。 光学谐振腔的主要部分是两个互相平行的并与激活介质轴线垂直的反射镜，有一个是全反射镜，另一个是部分反射镜。 在外界通过光、热、电、化学或核能等各种方式的激励下，谐振腔内的激活介质将会在两个能级之间实现粒子数反转。这时产生受激辐射，在产生的受激辐射光中，沿轴向传播的光在两个反射镜之间来回反射、往复通过已实现了粒子数反转的激活介质，不断引起新的受激辐射，使轴向行进的该频率的光得到放大，这个过程称为光振荡。 这是一种雪崩式的放大过程，使谐振腔内沿轴向的光骤然增强，所以辐射场能量密度大大增强，受激辐射远远超过自发辐射．这种受激的辐射光从部分反射镜输出，它就是激光。 上转换发光的另一种机制：逐次传递能量。 双掺杂体系：一种为能量的供体；一种为能量的受体 供体 受体 Yb 镱 量子剪裁 一个高能量的紫外或真空紫外光子变成两个能量较低的可见光光子的现象称为量子剪裁，或称为量子劈裂或光子级连发射。 如（a）图，一个可见光光子的产生以消耗一个高能光子为代价，即使量子效率接近100%，能量效率也比100%小很多。 如：荧光灯中的荧光粉把紫外光转换为可见光的量子效率超过90%，但能量效率只有50%左右。 Gd 钆 gá 5）电致(场致)发光材料 Electroluminescence 本征式场致发光 注入式场致发光 ZnS:Cu,Cl或(Zn,Cd)S:Cu,Br ITO ITO：InSnO2，Indium Tin Oxide 6) 等离子发光材料 等离子体是高度电离化的多种粒子存在空间，其中带电粒子有电子、正离子（或负离子），不带电粒子有气体原子、分子、受激原子、亚原子等。 1. 激光材料 激光与普通光的根本区别：激光具有极高的光子简并度 （处于同一量子态中的光子数） 1017 10?3 激光特点： 方向性好， 单色性好 相干性好 能量集中，亮度高，激光传递信息的容量大 高简并度的强激光，其场强远大于 库仑场强，引起新的物理效应 普通光源-----自发辐射 激光光源-----受激辐射 2 激光特点： 1） 方向性好 （发散角～10 -4弧度） 一束激光射到~38万km的月球上，光斑的直径只有~2km 手电筒的光射到~m处，扩展成很大的光斑。 利用激光准直仪可使长为2.5km的隧道掘进偏差不超过16nm. 2） 单色性好 单色性最好的氪灯Kr86 Δ?=4.7×10-3 nm 稳频He—Ne激光器 激光的单色性比普通光高 倍. 3） 能量集中—脉冲瞬时功率大（可达～10 14瓦）亮度极高 激光的颜色非常单纯，而且只向着一个方向发光，亮度极高 激光在屏上形成的小光斑，有极大的照度 太阳表面的亮度比白炽灯大几百倍。普通的激光器的输出亮度，比太阳表面的亮度大10亿倍。激光是当今世界上高亮度的光源。 激光的能量在空间上、在时间上高度集中 光能量不仅在空间上高度集中，同时在时间上也可高度集中，因而可以在一瞬间产生出巨大的光热。 在工业上， 激光打孔、切割和焊接。医学上视网膜凝结和进行外科手术。在测绘方面，可以进行地球到月球之间距离的测量和卫星大地测量。在军事领域，可以制成摧毁敌机和导弹的激光武器 4） 相干性好 空间相干性好，有的激光波面上各个点几乎都是相干光源。 时间相干性好（??～10 - 8埃），相干长度可达几十公里。 3. 激光发光机制 1）受激辐射 光的自发辐射过程 光的受激吸收过程 光的受激发射过程 普通光：自发辐射 激 光：受激辐射 2）激光产生的必要条件： 粒子数反转分布 减少振荡模式－－ 开式光学谐振腔的作用 产生激光的首要条件是实现粒子数反转  能够实现粒子数反转的介质称为激活介质。 要造成粒子数反转分布，首先要求介质有适当的能级结构，其次还要有必要的能量输入系统。 供给低能态的原子以能量，促使它们跃迁到高能态去的过程称为抽运过程。  光学谐振腔  * *