第8篇 激光材料.pptVIP

第八章 固体激光材料 激光玻璃的激光特性取决于基质玻璃的结构和掺杂离子的格位状态，目前，只有稀土离子在基质玻璃中实现了激光运转。在这一节中首先讨论掺杂稀土离子玻璃的激光发射，然后介绍钕玻璃和铒玻璃两种主要的激光玻璃。 8.4 激光玻璃 一、掺稀土离子的激光发射 　由于玻璃基质无序结构的随机效应，玻璃中稀土离子的发光线宽被扩大，因而必须根据稀土离子的光谱特性，选择与稀土离子4fn电子组态有关的能级来满足光学泵浦产生激光的需要。玻璃中的激光发射只能在三价稀土离子中观察到。 * * 固体激光器在各种激光器中占主导地位，并且广泛应用于国防、工业、医学和科研等领域。固体激光材料是发展固体激光器的核心和关键。本章首先讨论固体激光材料的物理基础，然后重点介绍典型的激光警惕和激光玻璃的性能特点、制备和应用。 8.1、固体激光材料物理基础 一、光的受激辐射 光和物质共振作用中的受激辐射是激光材料的物理基础。 1.黑体辐射 如果某一物质能够完全吸收任何波长的电磁辐射，则称为绝对黑体，简称黑体。黑体处于某一温度T的热平衡时，它所吸收的辐射能量等于发出的辐射能量，即黑体与辐射场之间处于能量（热）平衡状态。这种平衡导致黑体（空腔）内具有完全确定的辐射场，这种辐射场称为黑体辐射或平衡辐射。 2.受激辐射和自发辐射 黑体辐射是辐射场 和构成黑体的物质原子相互作用的结果。为简化问题，只考虑两个能级 和 ，并有 单位体积内处于二能级的原子数分别为 和 ,如图8.1所示。 爱因斯坦从辐射与原子相互作用的量子理论观点出发提出：上述相互作用包含三个过程，即原子的自发辐射跃迁、受激吸收跃迁和受激辐射跃迁，如图8.2所示。 （1） 自发辐射 处于高能级 的一个原子自发想 跃迁，并发射出一个能量为 的光子，这个过程称为自发跃迁（图8.2(a)）。由原子自发跃迁发出的光波称为自发辐射，自发跃迁过程用自发跃迁几率 描述。 只决定于原子本身的性质。 （2）受激吸收 处于低能级 的一个原子，在频率为 的辐射场作用（激励）下，吸收一个能量为 的光子并向 能级跃迁，这个过程称为受激吸收跃迁（图8.2(b)）。用受激吸收系数W12描述,公式W12不仅与原子的性质有关,还与辐射场的 成正比。 （3）受激辐射 处于高能级 的原子在频率 的辐射场的作用下,跃迁至低能级 并发射一个能量为 的光子,这个过程称为受激辐射跃迁,它是受激吸收跃迁的反过程（图8.2(c)）。受激辐射跃迁发出的光波称为受激辐射。受激辐射跃迁几率用W12表示， ３．受激辐射的相干性 　如前所述，自发辐射是原子在不受外界辐射场控制下的自发过程，因此，大量原子的自发辐射场的相位是无规则分布的 　受激辐射是在外界辐射场控制下的发光过程，因此受激辐射光子与入射光子属于同一光子态。 1.光放大条件――粒子数反转　 物质处于热平衡状态时，各能级上的原子数服从玻耳兹曼统计分布， 　 令公式中f1=f2。因E２E1,所以n2n1。当频率 的光通过物质时，受激吸收光子数(n1W12)恒大于受激辐射光子数(n2W21) ，因此处于热平衡太下的物理只能吸收光子，不可能实现光放大。 创造一定条件，是n2n1，便可以实现光放大。n2n1时，称为粒（原）子数反转（也可称为集居数反转），是光的放大条件。 二、光放大 ２.光放大物质的增益 　　处于离子数反转状态的物质成为激活物质。异端激活物质就是一个噶放大器，放大作用的大小通常用增益系数g来描述。如图8.5所示的增益物质的光放大，设在光的传播方向上z处的光强为I(z)，则增益系数定义为 式中g(z)――光通过单位长度即或物质后光强增加的百分数。 在光放大的同时，通常还存在着光的损耗，并用损耗?系数来描述。 ?定义为光通过激活物质单位距离后光强衰减的百分数，表示为 同时考虑增益和损耗，则有 若有光强为I0的微弱光进入一无限放大器，起初，光强I(z)将按小信号放大规律增大。但随I(z)的增加，g(I)将由于饱和效应而减小，因而I(z)的增长将逐渐变缓。最后，当g(I)= ?时，I(z)达到一个稳定的极限值Im。 由上述公式可见， Im只与放大器本身的参数有关，而与初始光强I0 无关。无论初始光强I0多么微弱，只要放大器足够长，就能形成确定大小的光强Im ，这种现象称为自激振荡。 实际上并不需要真正把激活物质（放大器）的长度无限增加，而只要在具有一定长度的光的放大器两端放置光谐振腔，便可实现自激振荡，如图8.6所示。 三、光的自动振荡 　固