第四章激光材料..docVIP

第四章 激光材料 激光器是60年代初才出现的一种新颖光源，激光较普通光具有三个突出特点：第一，方向性好，亮度高；第二，单色性好；第三，相干性好。 首先，在现有的各类光源中，激光的亮度最高，比太阳表面的亮度还要高1010 倍。 激光的另一个特点是方向性好。 普通光源发出的光是向四面八方发射的，激光器则不同，他只向一定的方向发出一束几乎平行的光，光束的发射角很小。 例如，氦—氖激光器的光束发散角只有1～5mrad。虽然探照灯的方向性较好，但它的光束在几公里之外扩展到几十米，而激光器的光束在几公里之外，扩展的范围仅有几厘米。 其次，激光的单色性好。 一般有单色光源发出的光实际上波长并不是单一的，而是有一定的波长范围，这个范围称为单色光的谱线宽度。光的波长范围越小，谱线宽度越窄，说明它的单色性越好。 在普通光源中，单色性最好的是氪灯，发出光的谱线宽度在室温下为0.00095 nm。 氦—氖气体激光器发出的光，其谱线宽度在室温下为1×10-8 nm。 由此可知，激光器的单色性比氪灯要好上万倍。 激光还具有相干性，它有高度的空间相干性和时间相干性。 空间相干性是指从两个不同点发出的单色光相位间的相关性。 时间相干性是指从一点光源发出的单色光经过不同路径而到达同一区域时，由于时间差而产生干涉现象。 激光器发出的激光有可见光，也有红外光，紫外光甚至是x射线。 激光产生的原理 在正常情况下，原子中的电子大多数处于能级较低的稳定状态。 在原子受到光的照射，加热或微粒的碰撞后，就吸收外来的能量，电子便从能量较低的基态跃迁到能量较高的激发状态。 处于激发状态的电子不稳定，会很快跳回到基态，同时放出能量。 能量释放的方式通常有两种，一种是以热的形式放出，称为无辐射跃迁；另一种是以光的形式辐射出来，称为辐射跃迁。 辐射出来的光的频率γ由跃迁前后的两个能级之间的能量差所决定。 ν = E2-E1/h 在普通光源如电灯，日光灯、高压水银灯中，处于激发状态的电子可以不受外界影响，而通过自发发射光子，从能量高的状态衰变到能量低的状态，这种过程称为自发辐射跃迁。 此外，也可以在外来光波的作用下，导致电子从较高能级向较低能级跃迁，这种跃迁称为受激辐射跃迁。 这时辐射出来的光和外来的光在频率、传播方向和位相等方面是完全相同的。 只有当外来光波的频率和原子的相应能级相当时，既符合ν= E2-E1/h 的条件时（E1,E2分别表示不同能级的能量E2E1）））） 制得的Al2O3与Cr2O3的混合物，再用火焰法或引上法制成红宝石单晶。 火焰法是利用氢氧焰产生的高温，使固体混合物融化，然后缓慢冷却长成单晶，这种方法生长单晶的速度快，设备简单，但是制成的晶体光学均匀性较差。 引上法的原理和直接法制半导体晶体相同，用这种方法制得的单晶光学质量较好，但Cr3+浓度分布不匀。 2、钕玻璃激光器 钕玻璃的激活离子是Nd3+，这是四能级系统的工作物质。 基质材料是玻璃，玻璃的成分不同，制成的钕玻璃工作性能也不同，以K2O-BaO-SiO2成分的玻璃为基质材料时，产生激光的性能较好，其中掺入Nd2O3 2-6%(质量比)。 钕玻璃制备方便，易获得良好的光学均匀性，形状和尺寸有较大的自由度。 缺点是导热性和机械性能较差，不能连续工作。 3、 Nd：YAG激光器 掺钕钇铝石榴石可用符号Nd3+:YAG(yttrium aluminium garnet的缩写)表示，它的激活离子是Nd3+，是四能级系统的工作物质。 基质材料是钇铝石榴石（YAG），它是由Y203和Al2O3 以3：5的比例化合生成Y3Al5O12 。在晶体内部，Y3+,Al3+与O2-按一定的规律排列，掺入Nd3+的浓度是1-3%。 和红宝石相比，由于它是四能级系统，易实现粒子数反转，性能较好。 与钕玻璃相比，导热性良好，采用适当的冷却方法，能方便地将热量传送出去，使晶体内部温度均匀，始终保持较低的温度，所以可按连续的方式工作。 用作激光工作物质的Nd3+:YAG必须有很高的纯度，晶体生长的好坏对激光器的工作性能有很大的影响，常采用引上法制取单晶。 先将Y2O3.Nd2O3与Al2O3分别灼烧除去水分，再按一定比例充分混合，压块成型，然后放入高频炉内，逐渐升温至熔点（1950℃），保持温度，再用粒晶引拉，为了生长出良好的单晶，必须严格控制熔融物的温度，粒晶的转速及提升速度，为了使晶体缓慢均匀地生长，粒晶提升速度必须很慢，一般为1-2 mm·h-1,单晶制成后，高频炉慢慢降温，取出的单晶还需放在空气中于1400℃下进行退火处理，最后经过光学加工，即得成品。 钕玻璃与Nd3+ :YAG输出的激光