1、4、激光晶體4.1固體激光器工作物質(zhì)的性質(zhì)4.2紅寶石激光晶體4.3Nd:YAG激光晶體,4、激光晶體,掌握固體激光器工作物質(zhì)組成和各組分的特點；掌握常用的激光晶體的吸收光譜和熒光輻射光譜；,4.1固體激光器工作物質(zhì)的性質(zhì),第一臺激光器：(693.4nm)1960年，梅曼。通用公司用于航空拍攝的螺旋形閃光燈，紅寶石直徑1CM，長2CM，端面鍍銀，其中一面留有小孔。結(jié)構(gòu)：燈、棒、腔。,4.1固體激光器工作物質(zhì)的性質(zhì),4.1固體激光器工作物質(zhì)的性質(zhì)一.工作物質(zhì)在激光器中的作用：吸收泵浦源的能量，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；受激輻射。,4.1固體激光器工作物質(zhì)的性質(zhì),紅寶石激光器工作物質(zhì)的組成：摻鉻Cr的Al2

2、O3，其中基質(zhì)材料Al2O3剛玉激活離子Cr離子（Cr2O3重量比0.05%）,4.1固體激光器工作物質(zhì)的性質(zhì),二、工作物質(zhì)的組成：基質(zhì)：為激活離子提供載體；激活劑（發(fā)光中心）：產(chǎn)生受激輻射。,三、激活劑的特點：1、在光源輻射區(qū)有較強的吸收，而在發(fā)射波段上無吸收；2、要有較強的熒光輻射，高的量子效率（發(fā)射的光子數(shù)/吸收的光子數(shù)）。,4.1固體激光器工作物質(zhì)的性質(zhì),熒光是一種光致發(fā)光的冷發(fā)光現(xiàn)象。當某種物質(zhì)經(jīng)某種波長的入射光（通常是紫外線或X射線）照射，吸收光能后進入激發(fā)態(tài)，然后躍遷回基態(tài)，并發(fā)射光子。ZnS、CaS另一種光致發(fā)光現(xiàn)象：磷光（余輝時間長）,日光燈中的熒光輻射：燈管中有氬氣和少量的

3、水銀蒸汽；放電時，水銀原子吸收電子撞擊的能量，激發(fā)到不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)，當躍遷到基態(tài)時，輻射254nm的紫外光；燈管壁上涂有熒光物質(zhì)，該物質(zhì)在紫外線的照射下，輻射光譜很寬的電磁波，在可見光波段。,X光的探測和成像,四、基質(zhì)的特點：透明穩(wěn)定性好熔點高膨脹系數(shù)小熱導率高機械強度高,4.1固體激光器工作物質(zhì)的性質(zhì),五、基質(zhì)的分類：晶體玻璃陶瓷目前最常用的是金屬氧化物和氟化物。氧化物：穩(wěn)定、熔點高，制造困難氟化物：穩(wěn)定性差、熔點低、制造簡單,六.激活離子的分類（元素周期表中的位置）：過渡金屬離子：最外層和次外層的部分電子都可以作為價電子，可形成多種價態(tài)的正離子。Cr稀土金屬離子：Nd,稀土元素：17個。1

4、、原子最外層都是s2結(jié)構(gòu)，都是活潑金屬；2、次外層具有nd01ns2np6結(jié)構(gòu)，3價稀土離子均具有ns2np6穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；3、從鈰到镥，電子開始填充在倒數(shù)第三層的4f軌道上。使得從鑭到镥，最外層和次外層電子結(jié)構(gòu)基本相同，只是倒數(shù)第三層上4f電子數(shù)不同。因此鑭系元素尤其是鑭系元素的化合物的物理性質(zhì)和化學性質(zhì)表現(xiàn)出極大的相似性和一定程度的有規(guī)律的變化趨勢。,4.2紅寶石晶體一、紅寶石晶體組成：化學式：Cr3+:Al203；激活離子：Cr3+；基質(zhì)：剛玉晶體(化學成分是A12O3)。摻入Cr2O3的最佳量為0.05%(重量比)。,紅寶石的光譜特性主要取決于Cr3+，外層電子為3d3。Cr原子24個核外

5、電子依次排列為（28131）電子的分布為(spdf)1s22s22p63s23p63d54s1,二.紅寶石中鉻離子的吸收光譜：吸收紫藍光和黃綠光，峰值波長在0.41um附近的稱為藍帶;峰值波長在0.55m附近的稱為綠帶。這兩個吸收譜帶,吸收帶寬均約0.1um左右，比較寬。在入射光的振動方向與晶體光軸C相垂直或平行這兩種情況下,其吸收曲線略有差別。,4.2紅寶石晶體,吸收系數(shù)：A=Ln（I0/I1)/L單位：CM-1波長0.41um的線偏振光，偏振方向垂直紅寶石的光軸，經(jīng)過3cm厚度的紅寶石晶體后，光強衰減為入射光的多少倍？,三.能級圖：,吸收帶,亞穩(wěn)態(tài)：3ms,基態(tài),無輻射快速躍遷,激光躍遷,

6、4.2紅寶石晶體,紅寶石有兩條強熒光譜線(R1和R2線),分別為E和2A能態(tài)向4A2躍遷產(chǎn)生的,室溫下對應的中心波長分別為0.6943um（R1）和0.6929um（R2）。R1和R2的相對強度7：5，R1熒光譜線的強度更高。注意：熒光是自發(fā)輻射,四.激光輸出：紅寶石激光器通常只產(chǎn)生0.6943um的受激輻射，原因？,4.2紅寶石晶體,按波爾茲曼分布規(guī)律,2A能級上約占47%,E能級上約占53%；R1線熒光強度比R2線高,使得R1線的受激輻射幾率比R2線高，因此,R1線容易達到閾值而形成激光振蕩；,4.2紅寶石晶體,E上的粒子躍遷后,2A上的粒子便迅速地(約10ns)轉(zhuǎn)移到E上去,這就加強了R1線,而抑制了R2線。在激光脈沖持續(xù)時間遠大于10-9s時,亞穩(wěn)態(tài)上的位子均將通過R1線的受激輻射回到基態(tài)。,五.紅寶石激光器的特點：缺點：閾值高(三能級)。,優(yōu)點:機械強度高,能承受很高的激光功率密度;容易生長成較大尺寸;紅寶石激光器輸出的紅光(0