光功能材料

价带
成电子-空穴对，作为整体在晶体中存
在着或运动着，可以在晶体中运动一段
距离（~1μm）后再复合湮灭。
一、激 光 材 料
世界上第一台激光器的诞生，使激光技术成为 一门新兴科学发展起来，在光学发展史上翻开了 崭新的一页。激光的出现又极大的促进了光学材 料的发展。到目前为止，就各种激光器而言，已 经产生了数百种新型激光工作物质如各种激活晶 体和玻璃,半导体、有机液体及收，
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 空穴（或叫做激子，excition）的激发
激子能级
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
光导电现象，它们和价带中的空穴偶合
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。
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。
基础吸收或固有吸收 固体中电子的能带结构，绝 缘体和半导体的能带结构如图所 示，其中价带相当于阴离子的价 电子层，完全被电子填满。导带 和价带之间存在一定宽度的能隙 （禁带），在能隙中不能存在电 子的能级。这样，在固体受到光 辐射时，如果辐射光子的能量不 足以使电子由价带跃迁至导带， 那么晶体就不会激发，也不会发 生对光的吸收。
1）材料的吸收光谱 吸收光谱是指物质在光频范围里的吸收系数按光频率分 布的总体。材料的吸收光谱直接表征发光中心与材料的 组成、结构的关系，以及环境对它的影响。 2）材料的荧光光谱 发光物质发射光子的能量按频率分布的总体称为该物质 的荧光光谱，也称发射光谱。 3）材料的激发光谱 激发光谱是指使物质产生发光时激励光按频率分布的总 体。通过激发光谱的测定可以确定有效吸收带的位置， 即吸收光谱中哪些吸收带对产生某个荧光光谱带是有贡 献的。
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。
光功能材料
固体的光性质，从本质上讲，就是固体和电磁波 的相互作用，这涉及晶体对光辐射的反射和吸收， 晶体在光作用下的发光，光在晶体中的传播和作用 以及光电作用、光磁作用等。基于这些性质，可以 开发出光学晶体材料、光电材料、发光材料、激光 材料以及各种光功能转化材料等。
固体光吸收的本质
我们先讨论纯净物质对光的吸收。
3）受激发射：处于高能级的原子不仅可以自发发射，而且 可以在入射频率ν21的光子感应下受激发射，跃迁到E1能级上。 这种过程称为受激发射。
2、粒子数反转：要想使受激辐射占优势，就必须使N2大于 N1。如果借助于外界的激励，破坏粒子的热平衡分布，就有可 能使高能级E2的粒子数N2大于低能级E1的粒子数N1，称为粒子 数反转分布。
导带 能隙 （禁带）
价带
例如，离子晶体的能隙宽度一般为几个电子伏，相当 于紫外光的能量。因此，纯净的理想离子晶体对可见光以 至红外区的光辐射，都不会发生光吸收，都是透明的。碱 金属卤化物晶体对电磁波透明的波长可以由25μm到250nm， 相当于0.05~5ev的能量。当有足够强的辐射（如紫光）照 射离子晶体时，价带中的电子就有可能被激发跨过能隙， 进入导带，这样就发生了光吸收。这种与电子由价带到导 带的跃迁相关的光吸收，称作基础吸收或固有吸收。例如， CaF2的基础吸收带在200nm(约6ev)附近，NaCl的基础吸收 约为8ev，Al2O3的基础吸收约在9ev
激光发生装置原理图
1、激光激励装置
如红宝石激光激励装置 为脉冲氙灯
2、激光工作物质
产生激光的材料如红宝 石、钇铝石榴石等晶体
3、激光放大谐振腔
放大激光装置，一面镜 子全反射相应波长的激 光，另一面镜子部分透 过激光。
2、激光的产生
当激光工作物质的粒子吸收了外来能量后，就要 从基态跃迁到不稳定的高能态，很快无辐射跃迁达到 一个亚稳态能级。粒子在亚稳态的寿命较长,所以粒 子数目不断积累增加,这就是泵浦过程。当亚稳态粒 子数目大于基态粒子数，即实现粒子数反转分布，粒 子就要跌落到基态并放出同一性质的光子，光子又激 发其他粒子也跌落到基态，释放出新的光子，这样便 起到了放大作用。如果光的放大在一个光谐振腔里反 复作用，便构成光振荡，并发出强大的激光。
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。
1、激光材料的特征值
激光的特点：
1）相干性好。所有发射的光具有相同的相位。 2）单色性纯。因为光学共振腔被调谐到某一特 定频率后，其他频率的光受到了相消干涉。 3）方向性好。光腔中不调制的偏离轴向的辐射经过 几次发射后被逸散掉。 4）亮度高。激光脉冲有巨大的亮度，激光焦点处的 辐射亮度比普通光高108-1010倍。
三、激光材料
4）荧光量子效率 也可表示为荧光转换效率，是表征辐射系统功效大小的 物理量，也是激光器的重要参数。 荧光量子效率η0定义为发射荧光的光子数n2与被激活物 质从激励源吸收的光子数n1之比。
η0=n2/n1 荧光转换效率取决于工作物质特性、粒子数跃迁方式及 无辐射跃迁几率和辐射跃迁几率等因数。
I ；
常见的三种固体工作物质的量子效率分别为：红宝石为 0.7，钕玻璃为0.4，YAG:Nd3+约为1。