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功能材料

FunctionMaterials主讲：孙彦彬副教授Email:

第七章光学材料7.1光学材料概述材料的光学性质是光(自X射线至毫米波的电磁波，波长为10-4~l02μm)与材料的相互作用而使材料所表现出的特性。如果光与材料相互作用的光强较弱，场强的线性项起作用，光与材料的相互作用就产生各种线性光学效应。如吸收、反射、全反射、透射、折射、色散、散射以及各种现象中有关光偏振态改变的效应等。这种利用线性光学效应传输光线的材料为光学介质材料(OpticalmedMediumMaterials)。

光学材料主要是光介质材料。光学介质材料可以以折射、反射和透射的方式改变光线的方向、强度和位相，使光线按预定的要求传输；也可以吸收或透过一定波长范围的光线而改变光线的光谱成分。其主要性能参数有两个：光谱通过率和光学色散，即不同波长下的透过率和折射率。光学介质材料从形态及组成上可分为5类：光学玻璃、光学晶体、光学塑料、光学薄膜和光学纤维。

7.2激光材料激光，又名镭射(LASER)，来源于经受激辐射引起光频放大的英文（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiatton的缩写)。原意表示光的放大及其放大的方式，现在用作由特殊振荡器发出的品质好、具有特定频率的光波之意。

7.2.1激光的产生光的产生总是和原于中电子的跃迁有关。假如原子处于高能态E2，然后跃迁到低能态E1，则它以辐射形式发出能量，其辐射频率为

能量发射可以有两种途径：一是原子无规则地转变到低能态，称为自发发射；二是一个具有能量等于两能级间能量差的光子与处于高能态的原子作用，使原子转变到低能态同时产生第二个光子，这一过程称为受激发射，见图7-1。受激发射产生的光就是激光。图7-1受激发射

当光入射到由大量粒子所组成的系统时，光的吸收、自发辐射和受激辐射三个基本过程是同时存在的。在热平衡状态，粒子在各能级上的分布服从玻耳兹曼分布律：Ni＝Nee-Ki/kT，其中Ni从为处在能级Ei的粒子数；Ne为总粒子数；k为玻耳兹曼常数；T为体系的绝对温度。因为E2El，所以高能级上的粒子数N2总是小于低能级上的粒子数N1，产生激光作用的必要条件是使原子或分子系统的两个能级之间实现粒子数反转。

激光材料应具有良好的物理化学性能，即要求热膨胀系数小、弹性模量大、热导率高、光照稳定性和化学稳定性要好。01激话离子02晶体激光工作物质要在基质晶体中掺入适量的激活离子。激活离子的作用在于在团体中提供亚稳态能级，由光泵作用激发振荡出一定波长的激光。037.2.2固体激光器材料

对激活离子的要求总是希望是四能级的，即被光泵激发到高能级上的粒子，由感应激发跃迁到低能级发生激光振荡时，不直接降到基态，而是降到中间的能级，这比直接降到基态的三能级工作的激活离子效率高，振荡的阈值也低。目前激活离子来自三价和二价的铁系、镧系和锕系元素。激光的波长是由激活离子的种类决定的。

基质晶体须有良好的机械强度、良好的导热性和较小的光弹性。为降低热损耗和输入，基质对产生激光的吸收应接近零。用作基质的晶体应能制成较大尺寸，且光学性能均匀。基质晶体基本上有三类：氟化物晶体这类晶体熔点较低，易于生长单晶，是早期研究的激光晶体材料，如CaF2，BaF2，SrF2，LaF3，MgF2等。但是，它们大多要在低温下才能工作。所以现在较少应用。2．基质晶体

0102含氧金属酸化物晶体这类材料是较早研究的激光晶体材料之一，均以三价稀土离子为激活离子，如CaWO4，CaMnO4，LiNbO4，Ca(PO4)3F等。金属氧化物晶体这类晶体如Al2O3，Y3Al5O12，Er2O3，Y2O3等，掺入三价过渡族金属离子或三价稀土离子构成激光晶体，应用较广，研制最多。掺杂时不需电荷补尝，但它们的熔点均高，制取优质单晶都较困难。

红宝石激光晶体(Al2O3:Cr3+)红宝石是世界上第一台固体激光器的工作物质，它是由刚玉单晶(α-Al2O3)为基质，掺入Cr3+激活离子所组成的。α-Al2O3为六方晶系，铬原子的外层电子为3d54s1。将铬原子掺杂至α-Al2O3晶格中去后，铬原子失去3d24s1三个电子，只剩下3d3三个外层电子，成为Cr3+。从激光器对工作物质的物化性能和光谱性能要求来看，红宝石激光器堪称一种较为理想的材料。

红宝石晶体的主要优点是：晶体的物化性能很好，材料坚硬、稳定、导热性好、抗破坏能力高，对泵浦光的吸收特性好，可在室温条件下获得0.6943μm的可见激光振荡。主要缺点是属三能级结构，产生激光的阈值较高。01红宝石的激光发射波长为可见光~红光的波长，这一波长的光，不但为人眼可见，而且对于绝大多数