第二章 光学材料1.ppt

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激光材料 1960年,世界上第一台以红宝石(A12O3:Cr3+)为工作物质的固体激光器研制成功,激光的出现促进了光学材料的新发展。此后的二三年内就陆续报道了数百种新型激光工作物质(包括各种激活晶体和玻璃、半导体、有机液体及气体等)。经过近半个世纪的发展,今天,虽然探索新型激光工作物质的高潮已过,但探索工作没有停止,且时有引入注目的成果。 下面重点介绍激活晶体和玻璃这两类最重要的固体激光材料的性质、特点、制备方法及其应用。 激光材料应具备的基本条件 固体激光工作物质由基质材料和激活离子两部分组成。工作物质的各种物理化学性质主要由基质材料所决定;工作物质的光谱性质主要由激活离子所决定。但由于激活离子与基质材料之间存在着相互作用,因此,基质材料对工作物质的光谱性质,激活离子对工作物质的物理化学性质都有一定的影晌,有时这种影响还是十分重要的。作为激光器核心的工作物质,它的质量优劣将直接影响到器件的性能。下面从激光器工作原理和材料的光谱性质出发,把激光工作物质应具备的基本条件归纳成以下几个方面: 1) 工作物质应具有良好的物理化学性能。例如,热导率高、热膨胀系数小、化学稳定性好、机械强度大等。 激光材料应具备的基本条件 2) 工作物质应具有良好的光学均匀性。材料内部的杂质颗粒、不熔物、气泡、条纹、应力等缺陷要尽量少,材料折射率的不均匀性要尽量小。 3) 材料应具有合适的光谱特性。如荧光寿命?,对于光泵功率水平较低的激光器,要求?适当小些(约几百微秒)。对于巨脉冲输出激光器,为了增加储能,要求?大些(几个毫秒)。对于光泵功率水平高的放大器,为了达到较高的粒子反转数密度,以得到大的激光输出,也要求?大些。 要求材料有多而宽的吸收带和大的吸收系数,使泵浦能量 得到充分利用。量子效率要尽可能高。 4) 激发态吸收要小。对于高能量、大功率输出器件,要求工作物质能制成较大尺寸的工作体。 激光材料中的激活离子 激活离子又称激活剂,工作物质的光谱特性主要由激活剂所决定。固体激光工作物质中使用的激活剂有过渡金属离子、稀土金属离子和锕系离子三类。 过渡金属离子:在周期表中,从原子序数21至28的八个元素称过渡金属元素。这些元素不仅最外层的电子是价电子,有时次外层的一部分或全部的d电子也充当价电子。因而一种元素可形成多种价态的正离子。过渡金属中的3d层电子由于没有外层电子的屏蔽,在基质晶体中直接受晶格场的作用,所以它的能级分布等特性和自由离子的情况有显著不同。已经实现激光振荡的过渡金属离子有红宝石中的铬离子(Cr3+),氟化镁中的钒离子(V2+)、钴离子(Co2+)、镍离子(Ni2+)等。 激光材料中的激活离子 稀土金属离子:稀土元素最外层与次外层的电子数几乎相同,只是f电子层有所不同。所以,各稀土元素的化学性质彼此十分相似。由于受到外层电子的良好屏蔽,所以在稀土离子在不同介质中的光谱性质与自由离子的情况非常相近。现在极大多数的稀土离子,已在各种晶体和玻璃中实现了激光振荡。其中二价稀土离子因存在变价问题,在基质材料中的激光性能不如三价稀土离子稳定。在三价稀土离子中,应用最广的是钕离子(Nd3+)。 锕系离子:锕系元素包括从原子序数89至101的12个元素。锕系元素的最外层和次外层电子数与稀土元素差别不大,故在化学性质上两者也十分接近。由于锕系元素的质量数很大,一般具有放射性,这使材料的制备和处理均比较复杂。现在,除三价铀离子已在氟化钙中得到应用外(CaF2:U3+),其余很少有报道。 激光基质晶体 到目前为止,合成激光晶体的数目已超过200种,分为简单氟化物晶体、复合氟化物晶体、简单氧化物晶体、复合氧化物晶体和其他晶体五类。 (一) 简单氟化物晶体 这类晶体的特点是熔点较低,容易生长成单晶。但掺入激活离子后多数要在低温下实现激光运转,故实际应用不广。在这类晶体中性能比较优良的有氟化钙和氮化钇锂晶体。在这种有序结构晶体中,激活离子处在完全相同的格位上,所以荧光谱线的加宽属均匀加宽。 激光基质晶体 激光基质晶体 (二) 复合氟化物晶体 这是一类多组分“无序”结构氟化物固溶体。在这种混合化合物中,一种原子B在晶格A中无规则地占据着填隙位置,形成填隙式固溶体或替代A原子并无规则地占据格点位置,形成替代式固溶体。虽然就整个固溶体来说具有晶格结构,但对原子B和A来说在固溶体中的分布是无规则的。在这样的晶体里,总是存在着一些互不相同的位置可以引入激活离子,形成大量的激活中心。 由于各激活中心所处的状态不同,所以在这类混合晶体中激活离子荧光光谱线型总是非均匀加宽的。它们类似于激活玻璃和无机液体的性质。多数体系能在室温下甚至更高的温度下实现激光,但这类材料的热学、力学性能欠佳,因而限制了它的应用范围。 (三) 简单氧

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