第4章 激光晶体 PPT课件
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第四章半导体材料-PPT课件
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1 . 1 2 7 m 红外 G a A s , E g 1 . 4 e V , 0 . 8 8 5 m
2、非平衡载流子 光发射 电子被光激发到导带而在价带中留下空穴，状态不 稳定。由此产生的电子空穴对称为非平衡载流子。过一 段时间，电子将跃迁回价带，同时发射一个光子，称为 光发射。 光发射应用：半导体发光二极管、半 导体激光器。但非平衡载流子不是由光激 发产生，而由电子、空穴注入产生。
在外电场下，半导体有电流，电流密度：
jE
且与载流子浓度n、载流子有效质量m*和弛豫时间 有 关： 2
ne j E m* j E
e — 迁 移 率 m * 导电性能 n e
半导体中电子运动不同于真空。真空中服从牛顿定 律，F=-eE=m0a。 m0—自由电子质量。半导体中电子于能带中受约束， 也可以用牛顿定律描述运动。但m0要改成m*。不同半 导体m*不同。
Si Si Si
Si
Si中掺5价P，P取代Si原子。4个 价电子与Si组成共价键。第5个价电 子多余，输送到导带上成为自由电 子。导带中电子导电。 产生的自由电子浓度约等于杂质 原子浓度（可控）。
导带
Si Si
e
Si
P
Si
导带
P
P施主Βιβλιοθήκη PPn型半导体
价带
P
P
施主
P
P
价带
P称为施主杂质，表示能给出一个价电子。
4-2 传统的典型半导体材料
一、分类
1、元素半导体
ⅢA-ⅦA族，十几种元素，如Ge、Si、Se（硒）、Te （碲）等。 2、化合物半导体
二元化合物 ⅢA-ⅤA化合物，9种（Al、Ga、In——P、As、Sb）
1 . 1 2 7 m 红外 G a A s , E g 1 . 4 e V , 0 . 8 8 5 m
2、非平衡载流子 光发射 电子被光激发到导带而在价带中留下空穴，状态不 稳定。由此产生的电子空穴对称为非平衡载流子。过一 段时间，电子将跃迁回价带，同时发射一个光子，称为 光发射。 光发射应用：半导体发光二极管、半 导体激光器。但非平衡载流子不是由光激 发产生，而由电子、空穴注入产生。
在外电场下，半导体有电流，电流密度：
jE
且与载流子浓度n、载流子有效质量m*和弛豫时间 有 关： 2
ne j E m* j E
e — 迁 移 率 m * 导电性能 n e
半导体中电子运动不同于真空。真空中服从牛顿定 律，F=-eE=m0a。 m0—自由电子质量。半导体中电子于能带中受约束， 也可以用牛顿定律描述运动。但m0要改成m*。不同半 导体m*不同。
Si Si Si
Si
Si中掺5价P，P取代Si原子。4个 价电子与Si组成共价键。第5个价电 子多余，输送到导带上成为自由电 子。导带中电子导电。 产生的自由电子浓度约等于杂质 原子浓度（可控）。
导带
Si Si
e
Si
P
Si
导带
P
P施主Βιβλιοθήκη PPn型半导体
价带
P
P
施主
P
P
价带
P称为施主杂质，表示能给出一个价电子。
4-2 传统的典型半导体材料
一、分类
1、元素半导体
ⅢA-ⅦA族，十几种元素，如Ge、Si、Se（硒）、Te （碲）等。 2、化合物半导体
二元化合物 ⅢA-ⅤA化合物，9种（Al、Ga、In——P、As、Sb）
激光原理及应用PPT课件
激光治疗
通过激光照射病变组织，达到治 疗目的，如激光治疗近视、祛斑
等。
激光手术
利用激光进行微创手术，具有出 血少、恢复快、精度高等优点， 如激光心脏手术、激光眼科手术
等。
激光诊断
利用激光光谱技术对人体组织进 行检测和分析，为疾病诊断提供
依据。
军事国防领域应用
激光雷达
利用激光雷达进行目标探测、识别和跟踪，具有高分辨率、抗干 扰能力强等特点。
微型化与集成化
发展微型激光器，实现与其他光电器件的集成，推动光电子集成技 术的发展。
新型激光技术
研究新型激光技术，如光纤激光器、化学激光器等，拓展激光器的 应用领域。
高功率、高效率、高稳定性挑战
高功率激光器
提高激光器的输出功率，满足高能激光武器、激光聚变等领域的 需求。
高效率激光器
优化激光器的能量转换效率，降低能耗，提高激光器的实用性。
02
03
工作原理
通过激励固体增益介质 （如晶体、玻璃等）中的 粒子，实现粒子数反转并 产生激光。
特点
结构紧凑、效率高、光束 质量好。
应用领域
工业加工、医疗、科研等。
气体激光器
工作原理
利用气体放电激励气体分子或原子， 使其产生能级跃迁并辐射出激光。
特点
应用领域
激光切割、焊接、打孔等工业应用。
输出功率大、光束质量好、效率高。
激光原理及应用PPT课 件
contents
目录
• 激光原理基本概念 • 激光技术发展历程及现状 • 激光器类型及其特点分析 • 激光在各领域应用案例分析 • 激光安全问题及防护措施探讨 • 未来发展趋势预测与挑战分析
激光原理基本概念
晶体生长机理PPT课件
西安理工大学
非平衡材料研究室
• A single molecule is denoted by C60 .
西安理工大学
非平衡材料研究室
• Each molecule is composed of groups of carbon atoms that are bonded to one another to form both hexagon (six-carbon atom) and pentagon (five-carbon atom) geometrical configurations.
• 应用：
滤波器、谐振器、光偏转器、测压元件等。
西安理工大学
非平衡材料研究室
（8）闪烁晶体
• 定义：
当射线或放射性粒子通过晶体时，晶体会 发出荧光脉冲，这类晶体为闪烁晶体。
• 应用：
核医学、核技术、空间物理等。
西安理工大学
非平衡材料研究室
（9）半导体晶体
• 定义：
电阻率处于导电体（10 - 5 .cm）和绝缘 体（1010 .cm ）之间的晶体为半导体晶体。
• 应用：
光通讯、光开关、大屏幕显示、光储存、 光雷达和光计算机等。
西安理工大学
非平衡材料研究室
• 要求：
在使用的波长范围内，对光的吸收和散射要小、 电阻率要大、介电损耗角要小、化学稳定、机械和 热性能好、半波电压低等。
西安理工大学
非平衡材料研究室
（4）声光晶体
• 定义：
超声波通过晶体时，在晶体中产生随时间变化 的压缩和膨胀区域，使晶体的折射率发生周期性变 化，形成超声导致的折射率光栅，当光通过折射率 周期性变化的晶体时，将受到光栅的衍射，产生声 光相互作用。这类晶体为声光晶体。
非平衡材料研究室
• A single molecule is denoted by C60 .
西安理工大学
非平衡材料研究室
• Each molecule is composed of groups of carbon atoms that are bonded to one another to form both hexagon (six-carbon atom) and pentagon (five-carbon atom) geometrical configurations.
• 应用：
滤波器、谐振器、光偏转器、测压元件等。
西安理工大学
非平衡材料研究室
（8）闪烁晶体
• 定义：
当射线或放射性粒子通过晶体时，晶体会 发出荧光脉冲，这类晶体为闪烁晶体。
• 应用：
核医学、核技术、空间物理等。
西安理工大学
非平衡材料研究室
（9）半导体晶体
• 定义：
电阻率处于导电体（10 - 5 .cm）和绝缘 体（1010 .cm ）之间的晶体为半导体晶体。
• 应用：
光通讯、光开关、大屏幕显示、光储存、 光雷达和光计算机等。
西安理工大学
非平衡材料研究室
• 要求：
在使用的波长范围内，对光的吸收和散射要小、 电阻率要大、介电损耗角要小、化学稳定、机械和 热性能好、半波电压低等。
西安理工大学
非平衡材料研究室
（4）声光晶体
• 定义：
超声波通过晶体时，在晶体中产生随时间变化 的压缩和膨胀区域，使晶体的折射率发生周期性变 化，形成超声导致的折射率光栅，当光通过折射率 周期性变化的晶体时，将受到光栅的衍射，产生声 光相互作用。这类晶体为声光晶体。
激光晶体
YVO4
Nd:YVO4
激光晶体亟待解决的若干关键科学问题
• 大尺寸激光晶体生长科学和技术的基础问题； • 晶体中离子的发光特性、能量传递及其与晶格相互作用的 机理； • LD泵浦高功率密度下（104~107W/cm2）激光晶体的热效 应； • 激光损伤的微观机理：高功率密度下晶体的新物理效应 （如ASE、饱和色心）及对激光性能的影响； • 主族金属离子发光物理机制的基础科学问题。
程及优缺点）？ 6. 熔体法生长晶体的要点？ 7. 激光晶体的组成、功能和特点？
谢谢大家！
jywang@
2）坩埚
• 作坩埚的材料要求化学性质稳定、纯度高，高温下机械强度高，易于加 工等，熔点要高于原料的熔点200℃左右。 • 常用的坩埚材料为铂、铱、钼、石墨、二氧化硅或其它高熔点氧化物。 其中铂、铱和钼主要用于生长氧化物类晶体。
3）传动系统
为了获得稳定的旋转和升降，传动系统由籽晶杆和升降系统组成。
4）气氛控制系统
3）温场
温场设计是得到优质晶体的基础。合适的温场是根据晶体的性能和生长 习性来确定的。
4）籽晶
选用高质量的籽晶是减少位错等缺陷继承到生长晶体中十分重要的。籽 晶本身有许多缺陷在生长晶体一般采用缩颈工艺减少缺陷的产生。 选取适当方向籽晶是获得完整晶体十分重要的手段。因为不同结晶学取 向生长的晶体，其结晶完整性有可能是不同的，如用Y方向的Nd:YCOB 籽晶生长 Nd:YCOB 晶体，就容易得到高质量完整性单晶，而用其它方 向的籽晶生长晶体，得到的晶体易出现开裂和散射颗粒等缺陷。
优点： 1. 便于精密控制生长条件，可以较快速度获得优质大单晶； 2. 可以使用定向籽晶，选择不同取向的籽晶可以得到不同取 向的单晶体； 3. 可以方便地采用“回熔”和“缩颈”工艺，以降低晶体中 的位错密度，提高晶体的完整性； 4. 可以在晶体生长过程中直接观察生长情况，为控制晶体外 形提供了有利条件 缺点：
高中物理选修3-4 13.8激光(人教版)物理课件PPT
离能保持一定强 激光雷达 度，可精确测距测速
可会聚于很小的一点，记录 DVD、CD、
信息密度高
VCD机，计
算机光驱
可在很小空间短时间内集中 激光切割、
很大能量
焊接、打孔、
医疗手术
产生高压引起核聚变
人工控制聚 变反应
4.单色性好
He-Ne气体激光器：
4.741014Hz9102Hz
普通混合气体放电管发出通频率的光
4.741014Hz 1.52109H z
三 . 激光的应用
形形色色的激光武器 1. 激光枪
2.高能激光武器（强激 光武器、激光炮）
利用高功能激光 摧毁敌方卫星、导弹、 飞机、坦克等大型目 标的武器.（现仍在研 制阶段）
1982年开始研制，1990 年1--3月在野外试验成 功，海湾战争中装配在 美军第七步兵师，参加 了“沙漠盾牌”和“沙漠 风暴”作战.
“魟鱼”激光致盲武器
激光弦目描准具（英国）
是一种激光致盲描准具，1982年马鸟战争期 间安装在“竞技神”号战舰上，实战中效果良 好，造成3架阿根廷飞机失事.所有这一切均是 保密的.直致1989年英军舰“考文垂”号上因帆 布未盖好才被记者拍下照片，1990年公布于世.
激光准直
四 . 全息照相
全息照相： 参考光
立体景物 从不同的角度去观察，可以看到原来物 体的不同侧面 • 每一片碎片都包括被摄物体的完整信息
英女王的全息照片
艺术品展示
课堂小结
一 .激光及其产生
1.概念
激光准确内涵是“辐射的受激发射的光放大”.
2.产生机理 原子受激辐射后发生跃迁
某些物质的原子中的粒子受光或电刺激， 使低能级的原子变成高能级原子，在向低能 态跃迁时辐射出相位、频率、方向等完全相 同的光，这种光叫作激光.
可会聚于很小的一点，记录 DVD、CD、
信息密度高
VCD机，计
算机光驱
可在很小空间短时间内集中 激光切割、
很大能量
焊接、打孔、
医疗手术
产生高压引起核聚变
人工控制聚 变反应
4.单色性好
He-Ne气体激光器：
4.741014Hz9102Hz
普通混合气体放电管发出通频率的光
4.741014Hz 1.52109H z
三 . 激光的应用
形形色色的激光武器 1. 激光枪
2.高能激光武器（强激 光武器、激光炮）
利用高功能激光 摧毁敌方卫星、导弹、 飞机、坦克等大型目 标的武器.（现仍在研 制阶段）
1982年开始研制，1990 年1--3月在野外试验成 功，海湾战争中装配在 美军第七步兵师，参加 了“沙漠盾牌”和“沙漠 风暴”作战.
“魟鱼”激光致盲武器
激光弦目描准具（英国）
是一种激光致盲描准具，1982年马鸟战争期 间安装在“竞技神”号战舰上，实战中效果良 好，造成3架阿根廷飞机失事.所有这一切均是 保密的.直致1989年英军舰“考文垂”号上因帆 布未盖好才被记者拍下照片，1990年公布于世.
激光准直
四 . 全息照相
全息照相： 参考光
立体景物 从不同的角度去观察，可以看到原来物 体的不同侧面 • 每一片碎片都包括被摄物体的完整信息
英女王的全息照片
艺术品展示
课堂小结
一 .激光及其产生
1.概念
激光准确内涵是“辐射的受激发射的光放大”.
2.产生机理 原子受激辐射后发生跃迁
某些物质的原子中的粒子受光或电刺激， 使低能级的原子变成高能级原子，在向低能 态跃迁时辐射出相位、频率、方向等完全相 同的光，这种光叫作激光.
《晶体物理》课件
色散与光谱线
色散
当白光通过棱镜时，会分解成不同颜色的光谱。这种现象称为色散。在晶体中， 由于晶格结构的周期性，光波的传播速度会随波长而变化，从而导致色散现象。 了解色散现象对于研究晶体的结构和性质具有重要意义。
光谱线
当单色光通过物质时，其波长可能会发生变化。这种变化在光谱上表现为线或暗 线。在晶体中，由于晶格结构的周期性，光波的波长可能会发生变化，从而产生 光谱线。了解光谱线对于研究晶体的结构和性质具有重要意义。
热传导概述
热传导是指热量在物质内部 或不同物质之间传递的过程 。对于晶体而言，其热传导 机制与晶体的结构和原子间 相互作用等因素有关。
热传导的物理模型
描述晶体热传导的物理模型 有多种，如Fourier导热定 律、扩散传热模型等。这些 模型可以帮助我们更好地理 解晶体热传导的机制和特性 。
03 晶体光学性质
详细描述
随着科技的不断进步，新型晶体材料的探索 成为了一个备受关注的研究领域。科研人员 通过实验和计算模拟相结合的方法，不断探 索具有优异性能的新型晶体材料，如拓扑晶 体、超硬材料、高温超导材料等。这些新型 晶体材料在能源、环境、医疗等领域具有广 泛的应用前景。
晶体物理在新能源领域的应用
要点一
总结词
《晶体物理》ppt课件
目录
Contents
• 晶体物理概述 • 晶体振动与热力学性质 • 晶体光学性质 • 晶体电学性质 • 晶体磁学性质 • 晶体物理前沿研究
01 晶体物理概述
定义与特性
定义
晶体物理是一门研究晶体内部原 子或分子的排列规律、结构特征 以及与物理性质之间关系的科学 。
特性
晶体具有长程有序的结构，其原 子或分子的排列呈现周期性重复 的特点，这使得晶体具有一系列 独特的物理性质。
激光专业知识课件
我们远隔千里就可以同亲人朋友通话，也是激
光的功劳，因为光纤传送的正是激光。
而近年来兴起的激光美容更给越来越多的爱美
人士带来了更多便捷的美容手段。
激光/许本芳
3
第一章 激光的概述
第二节 激光简介
激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之 后，人类的又一个重大发明，被称为“最快的刀”、“镭捷” 激光灯管、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。
第一节 激光器的结构图——内部结构图
全反射镜
激励源
工作物质
L
光学谐振腔
激光输出 部分反射镜
激光
激光/许本芳
18
第二章 激光的认识
第一节 激光器的结构图——内部结构图详解
激光/许本芳
19
第二章 激光的认识
第二节 激光器的结构功能——工作物质
激光作为光学家族的一员，具有波粒二相性，一方面激光是由无数光子组成，具有光的 粒子性；另一方面，其本身也是一种电磁波。
Eh
h
h
h
El
图三
激光/许本芳
25
第二章 激光的认识
第五节 激光产生的原理——光放大
光放大：若有一批原子处于高能态(Eh)，则 在一个入射光子(h=Eh-El)的作用下，
会通过一系列受激辐射产生不断倍增的完全相同的光子。
图四
激光/许本芳
26
第二章 激光的认识
第四节 激光产生的原理
工作物质在激励源的作用下发生粒子数反转，通过谐振腔内的振荡和放大，产生正反 馈式的连锁反应，从而发射出频率、方向、偏振状态、相位一致的光——激光。
选择适当的波长和脉宽小于目标组织的热弛豫时间就会使目标组织受到选择性的损害。
第四章 激光晶体
4.3 Nd:YAG激光晶体
五、激光输出： 1.06um比1.35um的荧光强6倍， 1.06um的谱线先起振, 抑制1.35um谱 线起振。 Nd3+:YAG激光器通常只产生1.06um 激光。
4.3 Nd:YAG激光晶体
左端面： 对0.8um的光 全透射， 对1.06um的光 全发射； 右端面： 对0.8um的光 全反射， 对1.06um的光 全透射
R>99.8%@1064nm and R<5%@808nm
4.3 Nd:YAG激光晶体
三、吸收光谱：
4.3 Nd:YAG激光晶体 在室温下有5个主要的吸收峰： 0.531、0.581、0.751、0.808（主 吸收峰）、0.871um
4.3 Nd:YAG激光晶体
• 抗损伤阈值：>1GW/cm2 • 热导率：14 W/m /K @20 °C, 铜：397 W/m /K • 折射率：1.82 • 激光波长：1064 nm • 在 YAG晶体表面镀膜工艺成熟
4.3 Nd:YAG激光晶体 热导率：单位截面、长度的材 料在单位温差下和单位时间内 直接传导的热量。
4.3 激光晶体
一、Nd：YAG晶体的组成： 钇铝石榴石（YAG）：Y3Al5O12； Y2O3和Al2O3的摩尔比为3：5； 掺杂钕离子Nd3+ 取代Y3+ ，钕离子的 浓度： 0.6% - 1.3%
4.3 Nd:YAG激光晶体
4.3 Nd:YAG激光晶体
二、Nd:YAG晶体的特点： • 荧光量子效率：接近100%， 红宝石：70% • 损耗系数：0.003 cm-1 @ 1064 nm • 吸收系数：13cm-1 @ 808 nm,主吸收峰和 常用的大功率的LD的峰值波长重合，非 常适合LD泵浦。 • 热膨胀系数：7.8 x 10-6 /K ，0 - 250 °C ；红宝石：6 x 10-5 /K 。
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4f轨道上。使得从镧到镥，最外层和次外层 电子结构基本相同，只是倒数第三层上4f电 子数不同。因此镧系元素尤其是镧系元素的 化合物的物理性质和化学性质表现出极大的 相似性和一定程度的有规律的变化趋势。
4.2红宝石晶体
一、红宝石晶体组成： 化学式：Cr3+: Al203；
激活离子：Cr3+； 基质：刚玉晶体(化学成分是 A12O3)。
• E上的粒子跃迁后,2A上的粒子 便迅速地(约10ns)转移到E上去,这 就加强了R1线,而抑制了R2线。在 激光脉冲持续时间远大于10-9s时, 亚稳态上的位子均将通过R1线的受 激辐射回到基态。
五.红宝石激光器的特点： 缺点：阈值高(三能级)。
• 优点:
• 机械强度高,能承受很高的激光功率密 度;
4.1 固体激光器工作物质的性质
二、工作物质的组成： 基质：为激活离子提供载体； 激活剂（发光中心）：产生受激
辐射。
4.1 固体激光器工作物质的性质
三、激活剂的特点： 1、在光源辐射区有较强的吸收， 而在发射波段上无吸收； 2、要有较强的荧光辐射，高的量 子效率（发射的光子数/吸收的光 子数）。
4、激光晶体
4.1 固体激光器工作物质的性质 4.2 红宝石激光晶体 4.3 Nd:YAG激光晶体
4、激光晶体
• 掌握固体激光器工作物质组成和 各组分的特点；
• 掌握常用的激光晶体的吸收光谱 和荧光辐射光谱；
4.1 固体激光器工作物质的性质
• 第一台激光器： (693.4nm)1960 年，梅曼。通用公司用于航空拍 摄的螺旋形闪光灯，红宝石直径 1CM，长2CM，端面镀银，其中 一面留有小孔。
荧光是一种光致发光的冷发 光现象。当某种物质经某种波 长的入射光（通常是紫外线或X 射线）照射，吸收光能后进入 激发态，然后跃迁回基态，并 发射光子。 ZnS、CaS
另一种光致发光现象：磷光 （余辉时间长）
日光灯中的荧光辐射：
➢灯管中有氩气和少量的水银蒸汽 ；
➢放电时，水银原子吸收电子撞击的 能量，激发到不稳定的激发态，当 跃迁到基态时，辐射254nm的紫外光 ；
掺入Cr2O3的最佳量为0.05%(重量 比)。
红宝石的光谱特性主要取决于 Cr3+，外层电子为3d3。
Cr原子24个核外电子依次排列 为 （2 8 13 1）
电子的分布为(spdf)
1s22s22p63s23p63d54s1
二.红宝石中铬离子的吸收光谱： 吸收紫蓝光和黄绿光，峰值波长
在0.41um附近的称为蓝带;峰值波长 在0.55μm附近的称为绿带。
➢灯管壁上涂有荧光物质，该物质在 紫外线的照射下，辐射光谱很宽的 电磁波，在可见光波段。
X光的探测和成像
4.1 固体激光器工作物质的性质
四、基质的特点： 透明 稳定性好 熔点高 膨胀系数小 热导率高 机械强度高
五、基质的分类： 晶体 玻璃 陶瓷
目前最常用的是金属氧化物和氟化物。 氧化物：稳定、熔点高，制造图：
吸收带
无辐射快速跃迁
亚稳态：3ms
激光跃迁
基态
4.2红宝石晶体
红宝石有两条强荧光谱线(R1和 R2线),分别为E和2A能态向4A2跃迁产 生的,室温下对应的中心波长分别为 0.6943um（R1）和0.6929um （R2）。
R1和R2的相对强度7：5，R1荧 光谱线的强度更高。
制造简单
六.激活离子的分类（元素周期表 中的位置）：
过渡金属离子：最外层和次外层
的部分电子都可以作为价电子， 可形成多种价态的正离子。Cr
稀土金属离子：Nd
稀土元素：17个。
1、原子最外层都是s2结构，都是活泼金属； 2、次外层具有nd0～1ns2np6结构，3价稀土离
子均具有ns2np6稳定结构； 3、从铈到镥，电子开始填充在倒数第三层的
• 结构：灯、棒、腔。
4.1 固体激光器工作物质的性质
4.1 固体激光器工作物质的性质
一.工作物质在激光器中的作用：
吸收泵浦源的能量，形成粒子数 反转； 受激辐射。
4.1 固体激光器工作物质的性质
红宝石激光器工作物质的组成： 掺铬Cr的Al2O3 ，其中 基质材料——Al2O3 刚玉 激活离子—— Cr 离子 （Cr2O3重量比 0.05%）
• 容易生长成较大尺寸;
• 红宝石激光器输出的红光(0.6943um),不 仅能为人眼可见,而且很容易被探测接收( 目前大多数光电元件对红光的感应灵敏度 较高)。
• 亚稳态寿命长,储能大,可得到大能量输 出，单级调Q器件很容易得到几十兆瓦的 峰值功率输出(脉冲输出）。
注意：荧光是自发辐射
四.激光输出： 红宝石激光器通常只产生
0.6943um的受激辐射，原因？
4.2红宝石晶体
• 按波尔兹曼分布规律,2A能级上 约占47%,E能级上约占53%；
• R1线荧光强度比R2线高,使得R1 线的受激辐射几率比R2线高，因此 ,R1线容易达到阈值而形成激光振 荡；
4.2红宝石晶体
这两个吸收谱带,吸收带宽均约 0.1um左右，比较宽。
在入射光的振动方向与晶体光轴
C相垂直或平行这两种情况下,其吸收 曲线略有差别。
4.2红宝石晶体
吸收系数：A=Ln（I0/I1)/L 单位：CM-1
波长0.41um的线偏振光， 偏振方向垂直红宝石的光轴， 经过3cm厚度的红宝石晶体后， 光强衰减为入射光的多少倍？
4.2红宝石晶体
一、红宝石晶体组成： 化学式：Cr3+: Al203；
激活离子：Cr3+； 基质：刚玉晶体(化学成分是 A12O3)。
• E上的粒子跃迁后,2A上的粒子 便迅速地(约10ns)转移到E上去,这 就加强了R1线,而抑制了R2线。在 激光脉冲持续时间远大于10-9s时, 亚稳态上的位子均将通过R1线的受 激辐射回到基态。
五.红宝石激光器的特点： 缺点：阈值高(三能级)。
• 优点:
• 机械强度高,能承受很高的激光功率密 度;
4.1 固体激光器工作物质的性质
二、工作物质的组成： 基质：为激活离子提供载体； 激活剂（发光中心）：产生受激
辐射。
4.1 固体激光器工作物质的性质
三、激活剂的特点： 1、在光源辐射区有较强的吸收， 而在发射波段上无吸收； 2、要有较强的荧光辐射，高的量 子效率（发射的光子数/吸收的光 子数）。
4、激光晶体
4.1 固体激光器工作物质的性质 4.2 红宝石激光晶体 4.3 Nd:YAG激光晶体
4、激光晶体
• 掌握固体激光器工作物质组成和 各组分的特点；
• 掌握常用的激光晶体的吸收光谱 和荧光辐射光谱；
4.1 固体激光器工作物质的性质
• 第一台激光器： (693.4nm)1960 年，梅曼。通用公司用于航空拍 摄的螺旋形闪光灯，红宝石直径 1CM，长2CM，端面镀银，其中 一面留有小孔。
荧光是一种光致发光的冷发 光现象。当某种物质经某种波 长的入射光（通常是紫外线或X 射线）照射，吸收光能后进入 激发态，然后跃迁回基态，并 发射光子。 ZnS、CaS
另一种光致发光现象：磷光 （余辉时间长）
日光灯中的荧光辐射：
➢灯管中有氩气和少量的水银蒸汽 ；
➢放电时，水银原子吸收电子撞击的 能量，激发到不稳定的激发态，当 跃迁到基态时，辐射254nm的紫外光 ；
掺入Cr2O3的最佳量为0.05%(重量 比)。
红宝石的光谱特性主要取决于 Cr3+，外层电子为3d3。
Cr原子24个核外电子依次排列 为 （2 8 13 1）
电子的分布为(spdf)
1s22s22p63s23p63d54s1
二.红宝石中铬离子的吸收光谱： 吸收紫蓝光和黄绿光，峰值波长
在0.41um附近的称为蓝带;峰值波长 在0.55μm附近的称为绿带。
➢灯管壁上涂有荧光物质，该物质在 紫外线的照射下，辐射光谱很宽的 电磁波，在可见光波段。
X光的探测和成像
4.1 固体激光器工作物质的性质
四、基质的特点： 透明 稳定性好 熔点高 膨胀系数小 热导率高 机械强度高
五、基质的分类： 晶体 玻璃 陶瓷
目前最常用的是金属氧化物和氟化物。 氧化物：稳定、熔点高，制造图：
吸收带
无辐射快速跃迁
亚稳态：3ms
激光跃迁
基态
4.2红宝石晶体
红宝石有两条强荧光谱线(R1和 R2线),分别为E和2A能态向4A2跃迁产 生的,室温下对应的中心波长分别为 0.6943um（R1）和0.6929um （R2）。
R1和R2的相对强度7：5，R1荧 光谱线的强度更高。
制造简单
六.激活离子的分类（元素周期表 中的位置）：
过渡金属离子：最外层和次外层
的部分电子都可以作为价电子， 可形成多种价态的正离子。Cr
稀土金属离子：Nd
稀土元素：17个。
1、原子最外层都是s2结构，都是活泼金属； 2、次外层具有nd0～1ns2np6结构，3价稀土离
子均具有ns2np6稳定结构； 3、从铈到镥，电子开始填充在倒数第三层的
• 结构：灯、棒、腔。
4.1 固体激光器工作物质的性质
4.1 固体激光器工作物质的性质
一.工作物质在激光器中的作用：
吸收泵浦源的能量，形成粒子数 反转； 受激辐射。
4.1 固体激光器工作物质的性质
红宝石激光器工作物质的组成： 掺铬Cr的Al2O3 ，其中 基质材料——Al2O3 刚玉 激活离子—— Cr 离子 （Cr2O3重量比 0.05%）
• 容易生长成较大尺寸;
• 红宝石激光器输出的红光(0.6943um),不 仅能为人眼可见,而且很容易被探测接收( 目前大多数光电元件对红光的感应灵敏度 较高)。
• 亚稳态寿命长,储能大,可得到大能量输 出，单级调Q器件很容易得到几十兆瓦的 峰值功率输出(脉冲输出）。
注意：荧光是自发辐射
四.激光输出： 红宝石激光器通常只产生
0.6943um的受激辐射，原因？
4.2红宝石晶体
• 按波尔兹曼分布规律,2A能级上 约占47%,E能级上约占53%；
• R1线荧光强度比R2线高,使得R1 线的受激辐射几率比R2线高，因此 ,R1线容易达到阈值而形成激光振 荡；
4.2红宝石晶体
这两个吸收谱带,吸收带宽均约 0.1um左右，比较宽。
在入射光的振动方向与晶体光轴
C相垂直或平行这两种情况下,其吸收 曲线略有差别。
4.2红宝石晶体
吸收系数：A=Ln（I0/I1)/L 单位：CM-1
波长0.41um的线偏振光， 偏振方向垂直红宝石的光轴， 经过3cm厚度的红宝石晶体后， 光强衰减为入射光的多少倍？