光电功能材料课程-8激光.pptx

光电功能材料及应用

OptoelectronicFunctionalMaterialsandApplications;3.光功能材料及器件

3.1发光材料

3.2激光材料

3.3非线性光学材料

3.4光电显示材料

3.5光纤材料

3.6光伏材料与太阳能电池

3.7纳米材料

3.8其他光功能材料;教学目标及基本要求;教学重点和难点;LASER(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation)

----受激辐射发射的光放大器

;6;7;世界上第一台激光器的诞生，使激光技术成为一门新兴科学发展起来，在光学发展史上翻开了崭新的一页。激光的出现极大地促进了光学材料的发展，目前已有数百种新型激光工作物质。;10.1激光的基本原理;粒子的受激吸收;粒子的自发发射;粒子的受激发射;;粒子数的分布

（a）正常分布（b）反转分布;激光:亮度高,方向性好,单色性,相干性好;(2E);二、激光的产生;（2）激励源：为了将工作物质中处于基态的粒子激发到??发态能级，以获得粒子数反转，就需要激励源供给能量。这也是激光器中不可缺少的一部分。不同的激光器有不同的的激励方式和激励装置，常见的有四种：

;19;2、三能级系统和四能级系统

（1）三能级系统：三个能级E1、E2、E3中，E2是亚稳态能级。外界激发作用，使得粒子从E1跃迁到E3，处于E3能级的粒子很快通过无辐射跃迁转移到E2。但E2是亚稳态，寿命较长约10-3s，允许粒子久留。随着E1上的粒子不断被跃迁到E3，又很快转移到E2，允许粒子久留，于是粒子就在E2上积聚起来，从而实现E2与E1两能级间的粒子数的反转。该系统能对诱发光子能量hν=E2-E1的光进行放大。;（2）四能级系统：四能级系统中产生受激辐射的低能级上不像三能级系统那样总有很多粒子，在热平衡条件下可以认为经常是空的。也不是系统中的基态能级，所以容易实现粒子数反转。;3、红宝石激光器

红宝石是在刚玉（Al2O3单晶）中加入0.05%Cr3+离子后得到的产物。Cr3+离子使红宝石呈红色，更重要的是提供了产生激光的所必要的电子能态。通常将红宝石制成柱状，两端为高度抛光互相平行的平面（如下图）。其中一个端面部分镀银，能部分透光；另一端面充分镀银，使之对光波有完全反射作用。;红宝石激光器激光发射过程能级图;处于高能态的电子可通过两个途径返回基态：

（1）直接从受激高能态返回基态，同时发出光子，由此产生的光不是激光。

（2）受激高能电子首先衰变为亚稳态，停留10-3s后返回基态并发出光子。在电子运动过程中10-3s一般是很长的时间，因此在亚稳态能级上集聚了不少的电子，当有几个电子自发地从亚稳态返回基态时，发射出的光子带动更多电子以“雪崩”形式返回基态，从而发射出愈来愈多的光子。那些基本平行于红宝石轴向运动的光子，一部分穿过部分镀银端，而一部分被镀银端面反射回来，光波沿红宝石轴向来回传播，强度愈来愈强。这时，从部分镀银端面发射出来的光束就是高度准直的高强度相干波，由此产生激光。;25; 4、激光的产生及特点

激光的产生过程为：

当激光工作物质的粒子(原子或分子)吸收了外来能量后，就要从基态跃迁到不稳定的高能态(受激吸收)，很快无辐射跃迁到一个亚稳态能级。粒子在亚稳态的寿命较长，所以粒子数目不断积累增加(泵浦过程)。当亚稳态粒子数大于基态粒子数，即实现粒子数反转分布，粒子就要跌落到基态并放出同一性质的光子，光子又激发其他粒子也跌落到基态，释放出新的光子，这样便起到了放大作用。如果光的放大在一个光谐振腔里反复作用，便构成光振荡，并发出强大的激光。;27;10.2激光材料;29;2、材料的荧光光谱(发射光谱)

下图为YAG:Nd3+晶体的荧光光谱。在1.0648μm处有一强的荧光峰，它对应于激发态能级向终态（基态）能级的跃迁。;3、材料的激发光谱

通过激发光谱的测定可以确定有效吸收带的位置，即吸收光谱中哪些吸收带对产生某个荧光光谱带是有贡献的。下图是YAG晶体中对Nd3+1.06μm荧光的激发光谱。;4、荧光量子效率

荧光量子效率也就是荧光转换效率，是表征辐射系统功效大小的物理量，也是激光器的重要参数。荧光量子效率η0定义为发射荧光的光子数n2与被激活物质从激励源吸收的光子数n1之比，即;5、激发态寿命

荧光强度随时间衰减规律中的特征参量，通常用τ表征。当切断外界激励源后，荧光的强度随时间呈指数型衰减：;7、激光输出效率

以输入激光器的能量Ein作为横坐标，以激光器输出的能量Eout为纵坐标，作出激光器的输出特性曲线（如下图）