固体激光材料ppt课件

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(2)泵浦系统 泵浦系统 泵浦源为在工作物质中实现粒子数反转提供光能。 泵浦源为在工作物质中实现粒子数反转提供光能。 常用的泵浦源有惰性气体放电灯、 金属蒸汽灯、 常用的泵浦源有 惰性气体放电灯、金属蒸汽灯、 钨丝 惰性气体放电灯 灯、太阳能及发光二极管。 太阳能及发光二极管。 惰性气体放电灯是当前最常用的，如氙、 惰性气体放电灯是当前最常用的， 如氙 、氪闪光灯和 氪弧灯。 氪弧灯。 太阳能泵浦在小功率激光器件经常采用， 太阳能泵浦在小功率激光器件经常采用 ，尤其是在航 天工作中的小激光器可用太阳能作为永久能源。 天工作中的小激光器可用太阳能作为永久能源。 二极管(激光二极管 半导体激光器 二极管 激光二极管—半导体激光器 作为泵浦源是目 激光二极管 半导体激光器)作为泵浦源是目 前固体激光器发展方向之一，它的转换效率高、结构紧凑。 前固体激光器发展方向之一，它的转换效率高、结构紧凑。
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2.工作原理 或工作过程 工作原理(或工作过程 工作原理 或工作过程) (1)高压电源给电容充电； 高压电源给电容充电； 高压电源给电容充电 (2)触发电路使氙灯灯内气体放电形成通路； 触发电路使氙灯灯内气体放电形成通路； 触发电路使氙灯灯内气体放电形成通路 (3)电容通过氙灯放电，氙灯发光； 电容通过氙灯放电，氙灯发光； 电容通过氙灯放电 (4)工作物质被泵浦，发生集居数反转； 工作物质被泵浦，发生集居数反转； 工作物质被泵浦 (5) v0弱光导致受激辐射，振荡产生激光。(连续激光采用氪 弱光导致受激辐射，振荡产生激光。 连续激光采用氪 灯)
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2.固体激光器工作物质应满足的条件 固体激光器工作物质应满足的条件 (1)在激光工作频率范围内应透明，光学质量高； 在激光工作频率范围内应透明，光学质量高； (2)掺入的激活离子的吸收光谱与泵浦光的辐射光谱尽可能 掺入的激活离子的吸收光谱与泵浦光的辐射光谱尽可能 多的重叠； 多的重叠； (3)能掺入较高浓度的激活离子，且荧光寿命长； 能掺入较高浓度的激活离子，且荧光寿命长； 能掺入较高浓度的激活离子 (4)由较高的荧光量子效率； 由较高的荧光量子效率； 由较高的荧光量子效率 (5)有良好的物理、化学和机械性能，热导率高，热膨胀系 有良好的物理、化学和机械性能，热导率高， 有良好的物理 数小，易于光学加工； 数小，易于光学加工； (6)容易生产大尺寸的材料，工艺简单，成本低廉。 容易生产大尺寸的材料，工艺简单，成本低廉。 容易生产大尺寸的材料

N e 2
E2E1 kT
N1
<1
热平衡不会产生激光！
N2>>N1 属非平衡态原子布局，亦称粒子数反转
能实现粒子数反转的物质——激活物质；
2021/5/20 激活物质必须存在亚稳态能级。
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7.1.2 激光晶体
1. 激光晶体基本结构和性能要求
激光晶体是品种最多、应用最早的激光工作物质。根据 晶体的组成和激光激发过程中所起的作用，材料结构可分 为两个部分。组成晶格的主组分称为基质晶体，其作用主 要是为激活离子提供一个适当的晶格场。另一部分是发光 中心，实际上是少量掺杂离子，称为激活离子。激光的波 长土要取决于激活离子的内部能级结构。
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激光的应用
2021/5/20
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激光的应用
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激光器的种类
固体激光器：〔红宝石，Nd:YAG、Ti:Sapphire 等〕，器件小、巩固、使用方便、输出功率大
气体激光器：〔He-Ne、CO2、Ar+ 激光器等〕 ， 构造简单、造价低，操作方便，工作介质均匀、光束 质量好，长时间稳定连续工作
液体激光器〔染料激光器等〕 ，特点：输出波长连 续可调，覆盖面宽，但工作原理比较复杂。一般激光 泵浦
半导体激光器〔 GaAlAs、InGaAs等〕 ，特点：体 积小、质量轻、寿命长、构造简单而巩固。2021/5/ຫໍສະໝຸດ 014激光的发射原理
一.受激吸收、自发辐射、受激辐射
1.受激吸收：原子因受满足频 率条件的光的激励而跃迁到较 高能态的过程
激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的
又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”

C. 光学谐振腔的几何光学分析方法 D.光学谐振腔的衍射理论分析方法
• 几何光学分析方法：
对于菲涅耳数很大、衍射损耗很小的光腔，可用几何光 学方法分析。 谐振腔的分类、光腔中光线的传播、腔的稳定性、几何 损耗
• 衍射理论分析方法：
谐振腔模式的形式、解的存在、模式花样、衍射损耗。
C. 光学谐振腔的几何光学分析
2.2 固体激光器
优点：能量大、峰值功率高、结构紧凑、坚固可靠、 使用方便等。 结构及基本原理： 组成：固体工作物质、泵浦光源、光学谐振腔。
1、泵浦源 将电能有效的转换为辐射能，并在给定的光谱带上产 生高的辐射通量，与工作物质的吸收带匹配。 A. 惰性气体脉冲灯（Xe 或Kr气体）
<以脉冲放电辐射 光能>
• 受到各种损耗的影响，不仅每次渡越会造成能量的衰减， 而且振幅横向分布也会由于衍射损耗的存在而发生改变； • 由于衍射损耗仅发生在镜面的边缘，因此只有中心振幅大， 边缘振幅小的场才会尽可能少的受到衍射损耗的影响。经 过多次渡越后，这样的模式除了振幅整体下降，其横向分 布将不发生变化，即在腔内往返传输一次后可以“再现” 出发时的振幅分布。
开腔模式的物理概念 • 开腔中有多种损耗：
• 由于反射镜尺寸有限，在反射镜边界处引起的衍射 损耗，该损耗会影响开腔中振荡的激光模式的横向 分布； • 反射镜不完全反射、介质吸收等因素引起的损耗不 影响模式的横向分布；
• 开腔的理想模型：两块反射镜片处于均匀的各 向同性介质中；
开腔模式的物理概念
• 假设初始时在镜面1上有分布为u1的电磁场从镜面1向镜面 2传输，经过一次渡越，在镜面2上有分布为u2的场，在经 过反射后再次渡越回到镜面1时场的分布为u3，如此反复。
其中：

激光材料包括激光工质材料、激光调Q材料、 激光调频材料和偏转材料。
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一、激光的基本原理
1、光的吸收和发射 辐射与物质的相互作用主要包括受激吸收、自发发射和受激发射。
1）受激吸收：当处于低能级E1的原子吸收入射光子，然后 跃迁到高能级E2上。这种过程称为受激吸收。
2）自发发射：跃迁到能级E2的原子不稳定，它会自发地通 过辐射一个能量的光子返回到E1能级上。
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三、激光材料
对激光工作物质的要求是，它有一对有利于产生 激光的能级，其中的上能级有足够长的寿命，即 粒子被激发到该能级后能在其中滞留较长的时间。 因而能在该能级上积累比较多的粒子，与下能级 之间形成粒子数反转。同时还要求这一对能级间 有一定强度的跃迁，以产生激光。工质材料的质 量优劣将直接影响激光器件的性能。
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二、激光的产生
1、激光器的构成 激光器通常由工作物质、激励源和谐振腔三部分组成 的。 1）工作物质：是激光器中借以发射激光的物质，它 是激光器的核心。如含Cr3+的红宝石。 2）激励源：为了将工作物质中处于基态的粒子激发 到激发态能级，以获得粒子数的反转，就需要激励源 供给能量。 3）谐振腔：激光器两端各有一反射镜，构成一谐振 腔。
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激子吸收
除了基础吸收以外，还有一类吸收，
其能量低于能隙宽度，它对应于电子由
价带向稍低于导带底处的能级的跃迁有
导带
关。这些能级可以看作是一些电子 - 空
激子能级
穴（或叫做激子，excition）的激发能
级（图2）。处于这种能级上的电子， 能隙(禁带）
不同于被激发到导带上的电子，不显示