第4章激光晶体

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第四章激光的基本技术

第4章激光的基本技术激光器发明以来各种新型激光器一直是研究的重点。

为将激光器发出的高亮度、高相干性、方向性好的辐射转化为可供实用的光能，激光技术也得到了极大的发展。

这些技术可以改变激光辐射的特性，以满足各种实际应用的需要。

其中有的技术直接对激光器谐振腔的输出特性产生作用，如选模技术、稳频技术、调Q技术和锁模技术等；有的则独立应用于谐振腔外，如光束变换技术、调制技术和偏转技术等。

在使用激光作为光源时，这些技术必不可少，至少要使用其中一项，常常是诸项并用。

本章讨论激光工程中一些主要的单元技术。

因为激光技术涉及的内容十分广泛，这里只给出基本概念和基本方法。

4.1激光器输出的选模激光器输出的选模技术就是激光器选频技术。

前几章中已经讨论过激光谐振腔的谐振频率。

大多数激光器为了得到较大的输出能量使用较长的激光谐振腔，这就使得激光器的输出TEM模)与高阶模相比，具有亮度高、发散角小、径向光强分布是多模的。

然而，基横模(00均匀、振荡频率单一等特点，具有最佳的时间和空间相干性。

因此，单一基横模运转的激光器是一种理想的相干光源，对于激光干涉计量、激光测距、激光加工、光谱分析、全息摄影和激光在信息技术中的应用等都十分重要。

为了满足这些使用要求，必须采用种种限制激光振荡模的措施，抑制多模激光器中大多数谐振频率的工作，利用所谓模式选择技术，获得单模单频激光输出。

激光器输出的选模（选频）技术分为两个部分，一部分是对于激光纵模的选取，另一部分是对激光横模的选取。

前者对激光的输出频率影响较大，能够大大提高激光的相干性，常常也叫做激光的选频技术；而后者主要影响激光输出的光强均匀性，提高激光的亮度，一般称为选模技术。

4.1.1 激光单纵模的选取1．均匀增宽型谱线的纵模竞争前面已经指出，对于均匀增宽型的介质来说，每个发光粒子对形成整个光谱线型都有相同的贡献。

当强度很大的光通过均匀增宽型增益介质时，由于受激辐射，使粒子数密度反转分布值下降，于是光增益系数也相应下降，但是光谱的线型并不会改变。

第四章光的发射和吸收(二)

第四章光的发射和吸收(二)试看单轴晶体的计算。

为表达的方便，用S (i,f )表示上述公式中的电偶极矩矩阵元的平方和，把沿某一方向偏振的电偶极跃迁的几率写成()()f ,i S c e .P p p εω32334sp.em k = (4.23)对于π和σ偏振的自发辐射跃迁，可以分别写出其跃迁几率()()f ,i S c e .P k π323π34sp.em εω =，()()f ,i S c e .P k σ32334sp.em εωσ = 按照全概率公式，总的自发辐射跃迁几率为()()()()()()().P .P .P p .P p .P sp.em32sp.em 31sp.em σsp.em πsp.em σπσπ+=+= (4.24)必须指出，应用这些公式到晶体介质的计算中，还要考虑进介质折射率的改正因子。

以后将看到，利用(4.24)式计算各向异性介质中激活离子能级寿命，就不至于发生过高估计跃迁几率的错误。

现在来讨论磁偶极跃迁和电四极跃迁、从单电子的情况出发并假定与电偶极跃迁相关的<ϕf e ⎪r ⎪ϕi e >=0，根据展开式(4.18)先分析自发发射过程（见(4.16)式）的矩阵元),可得()()ee e e if i i f i e ϕϕϕϕp e r k p e r k ⋅⋅-=⋅⋅-(4.25)为方便表示，式中e 为e α(k )。

为了同跃迁机理相联系，习惯上将(k ⋅r )(e ⋅p )分成两部分，即()()()()()()()()∑∑∑∑∑∑++⨯⋅-=++⋅⨯=++-===⋅⋅j,i ij jij i j,i ij jiji j ,i ij jij i j,i i j j i j i j,i jij i j,i jj i i p r pr e k p r pr e k p r pr e k p r p r e k pr e k p e r k 212121212121l k e l e k p e r k (4.26)式(4.26)中i ，j 表征上述各个矢量的三个分量，l =r ⨯p 是轨道角动量算符。

Nd：Ca10K(VO4)7激光晶体的生长及光谱性质

维普资讯
第３７卷第２期２００８年４月
人工晶体学报
ＪＯＵＲＮＡＬ０ＦＹＮＴＴＣＣＳＨＥＩＲＹＳＡＩＴ．Ｓ
Ｖｏ．７ＮＯ．１３２
Ａｐｒ２８ｉ００
ＮｄＣ１Ｋ（４）：ａｏＶＯ７激光晶体的生长及光谱性质
猝灭效应。这些特点表明该晶体较适合用作微片激光材料。关键词：激光晶体；酸盐；钒晶体生长；光谱性质中图分类号：７２０８文献标识码：Ａ文章编号：００９５（０８０－６－６１０－８Ｘ２０）２０２０２
ＧｒｗｈａｄＳｅｔａｒｐｒｉｓｏＣｌＶＯ４７ｓｒＣｒｓｌｏｔｎｐｃｒｌｏｅｔｆＮｄ：ａ０ＰｅＫ（）Ｌａｅｙｔａ
ＣＥｉ，ＨＵＮａ－ｎ，ｉｏｌ，ＨＮｉｎｚｏｇＨＮＸｎＺＡＧＮｉｅｇＨＵＸａ－ｎＣＥＪ－ｎｆｉａｈ
（ＩｓｔｔｏｈｍｓａｄＣｅｃｌｎｉｅｒｇＦｚｏｎｖｒｉ，ｕｈｕ３００Ｃｉａ）ｎｔｕｅｆＣｅ￣ｎｈｍｉｇｎｅｉ，ｕｈｕＵｉｅｓｙＦｚｏ５０２，ｈｎｉｉａＥｎｔ（ｅｅｅｕｙ２０，ｃｅｔＡｇｓ２０）Ｒｃｉｄ５Ｊｌ０７ａｃｅ１ｕｕｔ０７ｖｐｄ
ｗｒｒｗｙｔｅＣｏｈａｓｉｔｃｎｑｅｗｔｘｅｅｔｏｔａｕｉｅｅｇｏｎｂｚｃｒｋｅｈｉｕｉｅｃｌｎｐｉｌｑａｔｈｌｈｌｃｌｙ，ａｄｔｅｄｍｅｓｏｓｗｒｂｕｎｉｎｉｎｅｅａｏｔｈ

第四章熔体中的晶体生长技术-区熔法.

4焰熔法生长宝石晶体优点缺点焰熔法生长宝石晶体优点缺点
优点：优点： 1不必使用高熔点的坩埚；不必使用高熔点的坩埚；不必使用高熔点的坩埚 2氢氧焰温度高达氢氧焰温度高达2900摄氏度，能生长摄氏度，氢氧焰温度高达摄氏度高熔点的宝石；高熔点的宝石； 3生长速率快，例如每小时可生长约生长速率快，生长速率快 10g的宝石，直径可达～20mm；的宝石，的宝石直径可达15～； 4生长设备简单，适用于工业化生产生长设备简单，生长设备简单适用于工业化生产。
45焰熔法生长宝石晶体工艺主要内容1焰熔生长原理与设备2焰熔法生长宝石晶体工艺过程1原料的提纯2粉料的制备2粉料的制备3晶体生长4退火处理3焰熔法生长优质宝石晶体的关键因素4焰熔法生长宝石晶体优点缺点5实例分析焰熔法生长刚玉类宝石1焰熔生长原理与设备此方法概略地说是利用氢及氧气在燃烧过程中产生高温使一种疏松的原料粉末通过氢氧焰撒下熔融并落在一个冷却的结晶杆上结成单晶体的过程
Synthesis YAG by local melted (Opaque)
Synthesis YAG by CZ melted (transparent)
五区熔法合成宝石的鉴别
1由于没有使用坩埚，所以不存在坩埚的杂质的污染；另外该技术能提纯晶体，晶体中很少出现包裹体和生长纹。 2对于高质量的合成刚玉类宝石，纯度高，内部非常洁净；荧光强于天然宝石的荧光；分光镜下吸收光谱少于天然宝石的谱线。
schematic graph for local melted
激光加热基座法是该方法的一个非常常见的实际应用。
单晶纤维的制备
三对熔区的要求
a 熔区的长度恒定 b 固液界面稳定 c 熔化体积小； d 热梯度界限分明因此，熔区内的温度应大于原料熔化温度。温度的实际分布取决于：功率和热源性质、散热装置、烧结棒的热导率、液相中溶质的含量

Nd 3+：KLa(MoO4)2激光晶体的光谱特性分析

第３卷第１期１
２１００年０２月
暨南大学学报（自然科学版）
ＶＯ．Ｎｏ．１１３１
Ｆｅｂ．２００１
Ｊｕｎｌｆｉａｎｖｒｉ（ａｕａＳｉｎｅｏｒａｏｎｎＵｉｅｓｙＮｔｌｃｃ）Ｊｔｒｅ
［ｂｔａｔＮ ¨ ｄｐｄＫａＭｏ４２ｉｇｅｃｓｌａｒｗｙｔｅＣｏｈａｋｍｔｄｈｏｐ — Ａｓｃ］ｄｏｅＬ（Ｏ）ｎｌｒｔｓｏｎｂｚｃｒｌｉｅｏ．Ｔｅｎｏｒｓｙａｗｇｈｓｈｎ
Ｎ３ＫＬ（Ｏ４）激光晶体的光谱特性分析ｄ＋：ａＭｏ２
李安明韩永飞陈振强，龙西法２李景照，张戈２李真，，２，，
（．暨南大学光电工程研究所，广东广州５０３２中国科学院光电材料化学与物理重点实验室，１１６２；福建福州３００）５０２
［ｙｗｒｓＮ ¨：Ｌ（Ｏ）；ｌｓｒｃｙｔ；Ｊｄ — ｆｌｔｅｒ；ｓｅｔｌｒｐｒｅＫｅｏｄ］ｄＫａＭｏ４２ａｅｒｓｌｕｄＯｅｔｈｏｙｐｃｒｏｅｔｓａａｐｉ
Ａａｙｉｏｅｔｌｒｐｒｉｆｄ：Ｌ（ｏ）ｌｓｒｃｙｔｌｎｌｓｆｐｃｒｏｅｔｓ。ＫａＭＯ４２ａｅｒｓｓｓａｐｅｏＮａ
ＬＩＡｎ— ｉ，ＨＡＮｎｇｆｉｍｎｇＹｏ —ｅ，ＣＨＥＮｅｑｉｎＺｈｎ— ａｇ一，ＬＯＮＧ —ａＸｉｆ，

第四章_特殊和极端条件合成方法..

第四章特殊合成方法和极端条件下的合成方法
特殊合成方法
电化学合成光化学合成微波合成自蔓延高温合成极端条件合成方法超高温超高压合成
等离子体化学合成
溅射合成法离子束合成法激光物理气相沉积法失重合成
生物合成法
4.1 光化学合成
200－700nm范围内的光光化学合成的特点：清洁、反应条件温和、安全、可缩短合成路线光源：汞灯电子激发态的光物理过程
2. 水溶液中金属的电沉积能得到很纯的金属；能提纯金属；可获得不同聚集态的金属，制备合金、镀层、膜
（1）影响因素
电解电压，电极材料，电解温度，电解液，电流，极间距
电解液的组成：含有一定浓度的欲得金属离子，性质稳定；电导性能好；合适金属析出的pH值；出现好的金属电沉积状态；减少有毒有害污染电解质一般采用：硫酸盐，氯化物，磺酸盐主体电解质附加电解质， E附加＞E主体
(2)电流效率（阴极） = （实际产量/理论产量） 100% (3) 电流密度：每单位电极面积上所通过的电流强度 A/m2 (4)电极电位和标准电位 E = E0 + (2.3RT/nF)lg(aOx/aRed)
(5)分解电压和超电压 E外加 = E可逆 + E不可逆 + E电阻
|
超电压（极化所致）
激发态
磷光表面光电压谱 h
吸收光谱
辐射跃迁
<10-7 s 荧光光谱
无辐射跃迁
光声光谱
基态
光的吸收：有机化合物 n-π*, π-π*, n-σ*, σ-σ*
过渡金属配合物 d-d 无机固体：稀溶液：Beer –Lambert定律 Stark-Einstein定律量子产率

第四章发光材料

上转换发光材料 • 发光体在红外光的激发下发射可见光，这种现象称为上转换发光，这种发光体称为上转换发光材料。上转换发光现象有三种情况： • 第一种情况是确实有一个中间能级，在光激发下处于基态的电子跃迁到这个中间能态；电子在这个中间能态的寿命足够长，以致它还可吸收另一个光子而跃迁到更高的能级。电子从这个更高的能态问基态跃迁，就发射出波长比激发光的波长更短的光束： • 第二种情况是中间能级并不存在，但发光体可以连续吸收两个光子，使基态电子直接跃迁到比激发光光子的能量大得更多的能级； • 第三种情况是两个敏化中心被激发，它们把激发能按先后顺序或同时传递给发光中心，使其中处于基态的电子跃迁到比激发光光子能量更高的能级，然后弛豫下来，发出波长短得多的光。
发光持续时间特征 • 最初的发光分为荧光(fluorescence)及磷光两种。荧光是指在激发时发出的光，磷光是指在激发停止后发出的光。发光总是延迟于激发。
照明下
照明停止后的瞬间（左：ZnS，右： SrAl2O4 ）
照明停止，过4min后
萤火虫是不是荧光？？？
余辉时间：规定当激发停止时的发光亮度衰减到 10%时所经历的时间，简称余辉。如人眼能感觉到余辉的长发光期间者为磷光，看不到余辉的短发光期间者为荧光。根据余辉时间的长短，可以划分六个范围：极短余辉：余辉时间<1µs的发光；短余辉：余辉时间1--10µs的发光；中短余辉：余辉时间0.01—l ms的发光；中余辉：余辉时间1—100ms的发光；长余辉：余辉时间0.1—1s的发光；极长余辉：余辉时间>1s的发光。
• 稀土三基色荧光粉分别是红粉、绿粉、蓝粉按一稀土三基色荧光粉三基色荧光粉定比例混合而成。它解决了卤磷酸盐长期存在的光效和显色性不能同时提高的矛盾，更由于这类材料具有耐高负荷、耐高温的优异性能，成为新一代灯用荧光粉材料。 • Y2O3:Eu3+（铕）是效率高、色纯度好、光衰性能稳定而惟一达到制灯要求的稀土红粉。加入一定量的La、Gd、Ta、Nb等元素，或者氧化物〔如 In2O3、GeO2等)可提高其发光亮度和稳定性。加入一定量的硼酸盐，在降低材料的烧结温度条件下，仍可使材料的发光亮度提高。

Er,Yb：KGd(WO4)2激光晶体的生长

摘要：采用顶部籽晶熔盐法，以Ｋ２ｗ０４为助熔剂生长出铒、镱共掺钨酸钆钾［Ｅｒ，Ｙｂ：ＫＧｄ（ＷＯ）简称Ｅｒ，Ｙｂ：ＫＧＷ］激光晶体。ＸＲＤ分析结果表明晶体为低温相Ｅｒ，Ｙｂ：ＫＧＷ晶体，即卢一Ｅｒ，Ｙｂ：ＫＧＷ晶体。通过差热分析测量，确定其相变温度和熔点分别为１０２Ｏ ℃和１０８０￣Ｃ。测量了晶体１９０～２０００ｎｍ的室温透过光谱，结果表明除９８０ｉｒｍ的吸收谱带是Ｅ，离子和Ｙｂｊ离子的共同谱带之外，其余均属于Ｅｒｊ离子。关键词：顶部籽晶熔盐法；Ｅｒ，Ｙｂ：ＫＧｄ（Ｗ（）４）２激光晶体；晶体生长
中图分类号：０７８２文献标识码：Ａ文章编号：１０００－９８５Ｘ（２００７）０１－０００５－０３
ＧｒｏｗｔｈｏｆＥｒ，Ｙｂ：ＫＧｄ（Ｗｏ４）２ＬａｓｅｒＣｒｙｓｔａｌ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｅｒ，ＹｂＣＯ — ｄｏｐｅｄＫＧａ（ＷＯ４）２ｃｙｓｒｔａｌｗａｓｇｒｏｗｎｆｒｏｍａＫ２ＷＯ４ｌｆｕｘｂｙｔｈｅｔｏｐｓｅｅｄｅｄｓｏｌｕｉｔｏｎＳ￣ｏｗｔｈ（ＴＳＳＧ）ｍｅｈｏｔｄ．Ｘ — ｒａｙｄｉｆｒａｃｔｉｏｎ（ＸＲＤ）ｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｈａｔｔｈｅｔａｓ — ｇｒｏｗｎｃｙｓｒｔＭｂｅｌｏｎｇｓｔｏｌｏｗ — ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｐｈａｓｅ（一Ｅｒ，Ｙｂ：ＫＧＷ）．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｄｉｆｅｒｅｎｔｉａｌｈｅｔｒｍａｌａｎｌａｙｓｉｓ（ＤＴＡ），ｐｈａｓｅ

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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 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。
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。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
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)。
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 3+，外层电子为3d3。 Cr 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
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; • 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）。
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，制造困难氟化物：稳定性差、熔点低、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
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%）
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；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。
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
• 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。
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？
e
3.23
三.能级图：
无辐射快速跃迁
吸收带
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。注意：荧光是自发辐射
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。 • 结构：灯、棒、腔。