第5章光学陶瓷.ppt

5.2.2 激光的产生 ? 必要条件 —— 粒子数反转 粒子在个能级上的分布 N i =N e -E / kT i e N i —— 为处在能级 E i 的粒子数 N e —— 为总粒子数 k —— 为波尔兹曼常数 T —— 为体系的绝对温度 激光器的结构 谐振腔 工作物质 激励源 5.2.3 激光工作物质 ? ? ? 气体 ： 氦氖、氩离子、 CO 2 、 N 2 、 O 2 液体 ： 稀土元素的二元酮有机溶液，有机燃料 固体 – 晶 体 : – 非晶体： 玻璃 ( 硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐、氟化物 ) 固体激光材料组成 ? 激活粒子 —— 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光 —— 希望是四能级的 —— 二价和三价的铁系、镧系、锕系元素 ? 基质晶体 – 氟化物晶体： CaF 2 , BaF 2 ,SrF 2 , MgF 2 , LaF 3 – 含氧金属酸化物晶体 :CaWO 4 , CaMnO 4 ,LiNbO 4 – 金属氧化物晶体 :Al 2 O 3 , Y 3 Al 5 O 12 , Er 2 O 3 , Y 2 O 3 —— 良好的机械强度、导热性，光弹性小，吸光小 基质晶体 氟化物晶体： CaF 2 , BaF 2 ,SrF 2 , MgF 2 , LaF 3 – 最早期，熔点低，易于长单晶 – 大多要在低温下才能工作 ? 含氧金属酸化物晶体 :CaWO 4 , CaMoO 4 ,LiNbO 4 ， Ca （ PO 4 ） 3 F – Nd 3+ ： CaWO 4 激光阈值低，能连续运转 ? 金属氧化物晶体 :Al 2 O 3 , Y 3 Al 5 O 12 , Er 2 O 3 , Y 2 O 3 – 研究最多，应用最广 ? 5.2.4 典型的 固体激光材料 3 ＋ ? 1 ）红宝石激光晶体 （ Al 2 O 3 ： Cr ） ? 优点： – 材料坚硬、稳定、导热性好、抗破坏能力高 – 可发可见光～红光 – 对绝大多数光敏材料和光电探测元件都是敏感的 ? 缺点： – 产生激光的阈值较高 5.2.4 典型的 固体激光材料 3 ＋ ? 2 ）钕钇铝石榴石（ YAG ： Nd ） 基质： Y 3 Al 5 O 12 激活粒子： Nd 3 ＋ ? 缺点：荧光受命短，激光储能较低 ? 优点：阈值低、增益大，适于重复脉冲 ? 唯一能在常温下连续工作、且有较大功率的激光器 3 ＋ 透明陶瓷 YAG ： Nd ? YAG ： Y 3 ＋ 透明陶瓷 获得了波长为 1030nm 、最大功率为 268mW 的连续激光输出。 ? 荧光信号的接收采用 HAMAMATSU R5509252 型 (200 ～ 900nm) 探测器 , 测量荧光光谱所用的激发光源是连续半导 体激光器 , 激发波长为 808 nm 。测量荧光寿命的激发光源 为超短脉冲半导体激光器。 典型的 固体激光材料 ? 3 ）半导体激光器 —— 是光纤通讯中的重要光源 典型尺寸： 长 L = 250 ～ 500 ? m 宽 ｗ = 5 ～ 10 ? m 厚 d = 0.1 ～ 0.2 ? m 它的 激励能 源是外加 电压 ( 电泵 ) ．在正向偏 压下工作。 P- Ｎ结本身就形成一个 光学谐振腔 ， P-N 结 它的两个端面就相当于两个反射镜， 形成激光振荡 ， 适当镀膜后可达到所要 求的很高的反射系数，并利于 选频。 P-N 结 解理面 工作原理 ? 实用的 LD ——“ 双异质结”结构 半导体激光器的 特点： 体积小 制造方便 极易与光纤接合 2 功率可达 10 m W 成本低 效率高 所需电压低 ( 只需 1.5 V ) 半导体激光器的条件 结两边的 p 区和 n 区要进行高掺杂，使之达 到简并化的程度，即费米能级分别进入导 带和价带（或至少一个区简并化） ? 加正偏压 V(E Fn -E Fp )/q ? 5.2.5 激光的特性及其应用 ★ 方向性极好的强光束 -------- 准直、测距、切削、武器