文档介绍：第三章全固态激光材料
固体激光材料

激光器简称镭射(Laser)是英文“Light amplification by stimulated emission of radiation”首写字母的缩写,意为受激发射光放大器。激光器发射的光就是激光,它有4大特点:
(1)亮度极高,比太阳的亮度可高几十亿倍;
(2)单色性好,谱线宽度与单色性最好的氪同位素16Kr灯发出的光相比,也只是后者的十万分之一;
(3)方向性好,光束的散射角可达到毫弧度。
(4)相干性好。
激光束可用于加工高熔点材料,也可用于医疗、精密计量、测距、全息检测、农作物育种、同位素分离、催化、信息处理、引发核聚变、大气污染监测以及基本科学研究各方面,有力地促进了物理、化学、生物、信息等诸多学科的发展。激光器按其工作物质可以还分为固体激光器、气体激光器和液体染料激光器。可见,激光工作物质对激光器的发展起着决定性的作用。
固体激光材料
激光与激光器
(1)激光产生的原理

固体激光器本质上也是满足一定特殊条件的发光固体。激光晶体也包括一种晶体材料作基质,向其中引入某种杂质离子作活化发光中心。
与荧光材料和磷光材料不同,激光晶体具有特殊的激活和发光过程:激活过程是将活化中心注入到激发态,称作激励。这样的活化中心具有合理的寿命。换句话说,这些活化中心受激后并不立即发射能量回到基态,而是待激励遍及“全域”。因而激发态比基态具有更多的活化中心。发光时,从一个活化中心发出的光刺激其他活化中心,以致辐射在整个相中进行,于是就构成了相干辐射的强烈光束或脉冲。
(2)自发辐射与受激辐射
原子的自发辐射过程完全是一种随机过程,各发光原子的发光过程各自独立,互不关联,即所辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方,另外位相、偏振状态也各不相同。由于激发能级有一个宽度,所以发射光的频率也不是单一的,而有一个范围。(自发辐射只与原子本身性质有关,与辐射场的无关)
受激辐射时, 原子可发出与诱发光子全同的光子,不仅频率(能量)相同,而且发射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一样。
受激辐射与自发辐射的重要区别在于其相干性。
必要条件:
粒子数反转分布和减少振荡模式
充分条件:

起振和稳定振荡(形成稳定激光)
(3) 激光产生的条件
粒子数反转----光放大的内部条件
一个入射光子不仅能引起受激辐射,而且也能引起受激吸收,所以只有当处在高能级的原子数目比处在低能级的还多时,受激辐射跃迁才能超过受激吸收,而占优势。
由此可见,为使光源发射激光的关键是发光原子处在高能级的数目比低能级上的数目多,这种情况称为粒子数反转。但在热平衡条件下,原子几乎都处于最低能级(基态)。因此,如何从技术上实现粒子数反转则是产生激光的必要条件。
首先,激光的产生必须选择合适的工作介质,在这种介质中可以实现粒子数反转。要求:工作物质具有亚稳态能级。
原子处在激发态时间很短10-8s,但还有一些亚稳态,可以停留10-3s,
在亚稳态上粒子数不断积累,实现粒子数反转,达到光放大的目的。
工作物质内部结构
铬离子、钕离子、氖原子、二氧化碳分子、氩离子
激光工作物质是三能级或四能级结构。
如果激励过程使原子从基态E1以很大概率W抽运到E3能级,处于E3的原子可以通过自发辐射跃迁回到E2或E1。假定从E3回到E2的概率A32大大超过从E3回到E1的概率A31,也超过从E2回到E1的概率A21,则利用泵浦抽运,E2和E1之间就可能形成粒子数反转。
三能级系统
n2
n1
n3
E1
E2
E3
在外界激励下,基态E1的粒子大量地跃迁到E4,然后迅速转移到E3。E3能级为亚稳态,寿命较长。E2能级寿命较短,因而到达E2上的粒子会很快回到基态E1。所以在E3和E2之间可能实现粒子数反转。
由于激光下能级不是基态,而是激发态E2,所以在室温下激光下能级的粒子数很少,因而E3和E2间的粒子数反转比三能级系统容易实现。
n1
四能级系统
E1
E2
E3
E4
N2
n3
n4
(快)
(慢)
泵浦源----粒子束反转的外部条件
必须用外界能量来激励工作物质,建立粒子数反转分布状态。将粒子从低能级抽运到高能级态的装置,称为泵浦源。它是形成激光的外因。激光器是一个能量转换器件,它将泵浦源输入的能量转变为激光能量。
从直接完成粒子数反转的方式来分,泵浦方式可分为:光激励方式,气体辉光放电或高频放电方式,直接注入电子方式, 化学反应方式还有热激励、冲击波、电子束、核能等方式。
其次,当物质处于热平衡态时,粒子束反转是不可能的,只有当外界向物质供给能量(称为泵浦或激励)使物质处于非平衡态时,粒子束反转才