激光器材料范文

激光器材料范文激光器材料范文 激光器材料介绍江默语 昆明理工大学材料科学与工程学院云南昆 明650093 摘要激光器诞生于20世纪60年代 伴随着激光晶体 激 光玻璃 透明陶瓷等激光材料的发展 人们对激光技术的认识越来 越广 利用也越来越多 本文从激光器 激光材料 三能级系统 四能级系统 以及调谐 调 Q激光器等几方面对激光技术进行了简单介绍 关键词激光器 激光材料 三能级系统 四能级系统 调Q激光器绪 论激光技术是当时最重要的科技成就之一 它的发展和应用前景非 常诱人 对整个科技领域的发展都起了重大的改革和推动作用 从激光基础理论的提出到美国人梅曼制造出第一台激光器 经历了 近半个世纪 其发展历史也是一个非常曲折的过程 今天 人们对激光并不陌生 如激光开刀 可自动止血 全息激光 照片还可以假乱真 还有激光照相 激光美容等 激光还广泛地应用在军事方面 随着科技的不断进步 在许多科学家的共同努力下 半导体激光器 终于问世 这类激光器已经成为光电子技术领域中研究最活跃 应用最广泛的 器件 以其优越的性能 在光通信和光存储中得到广泛应用 并且 不断 出现新概念 新器件 新技术和新应用 继续以欣欣向荣的态势向 前发展 一 所有的激光技术由各种自然 人工合成可分为固体激光器 气是以掺入某些稀土元璃激光器和晶体激光陶瓷 目前 固体激光钕的钇铝石榴石 掺钕等 其中掺钕的钇铝两种 激光器激发出激得到广泛应用 得益干 准直 高亮度 单色性激光光束是高度集中的 也就它的时间相干性很高如图1所示 光应的波长宽度范围为术都必须有一个发射激光的载体 那就成 的材料制备而成 激光器按照工作物气体激光器和半导体激光器 其中 元素的固体介质材料为工作介质的激光光器 后来 又出现了一种新的激光基光器中常见的激光材料有红宝石 钕的的铝酸钇 掺钕的氟化锂钇和掺石榴石 NdYAG 和钕玻璃是目 前激光之后 就可以发挥激光的作用了 于激光自身所具有的几个主要特性 束除了在空间和时间上高度集 中外 是说 它的的谱线宽度很窄 单色性高 光谱线的频率宽度 2 1 与这个 就是激光器 物质的不同 固体激光器光器 分为玻基质 透明钕玻璃 掺掺钕的钒酸钇前应用最广的激光之所以即单色 相 在频谱上也性好 或者说个频率宽度对谱线宽度是衡量的单色性就 越好 例温条件下 其宽度 其 10 7 相干性激光相干有一个是空间相干性以迈克尔逊干涉仪的出的光经 半反射镜M一部分被反射镜M反则透过半反射镜M 两部分光在A上能 产L与 有如下关系 可见 光谱线的波越长 如氦一氖激光器图1线性函数曲线量光源单色性好坏的标志 宽度 越例如 在普通光源中 6057 的光 0 0047 而单模稳频氦 氖激光器干性包括两方面的内容 一个是时间性 时间相干性用相干长度和相干时间原理图为例来加以说明 如图2所 示M后 被分成两部分 图图2激光干涉测长原理反射到M1 再经M1 反射到观 察屏到达平面反射镜M2 然后反射向观生干涉条纹的最 大光程差L称为光源L 22 波长 一定时 其波长宽度越窄 相器X 6328 10 7 其相干长度越窄 光谱线光谱线 在低 器 6328 间相干性 还间来度量 示 激光s发屏A 另一部分观察屏A 这源的相干长度 相干长度也就度可达几十公里 我们通常把光通一光源在相干时间 场将产生干涉 因为v v v c 所以上式表示 光谱相干性就越好 所以激的 准直性和高亮度荣方向性加以对照比射角2 约180 而图图3 a 日激光束是在空间示激光束的发射情况通过相干长度所需的时间称 为相干时C内不同时间发出的光 经过不同的 C h c c C 2 又因为 C v 1谱线的频率宽度 v越窄 则 C越长激光时间 相干性比普通光源所发出的度现将激光器发出的光 与普通光源较 如图3所示 图中表示日光灯发而一般的氦氖激光器的发射角2 约 日光灯管的发光 b 激光器定向发光传播的的圆锥光束 如图4所 示 可况 间 C 由同的路程到干涉为 长 光的时间的光要好得多源发出的光繁发出的光的发0 18 光可用立体角表面积为s的一块球球半径R的平方之比当 角很小时 当 10 3rad时 这就是说 一般输出激光光束 这与普光源发出的光要好 一般激光光束的两者在单位面积上的源高上百万倍 所谓方的不同表现 他们可归激光材料是激光特别是激光晶体在激作用 常见的激光材 激光晶体图图4圆锥光束球面对o点所张的立体 角 等于这比 即 s R2其立体角为 R 22 R22 22 10 6般激光器只向着数量级约为10 6的立普通光源不同 由此可见 激光的方立体角要比普通光源光束小百万倍 辐射功率相差不大 激光的辐射亮度方向性好 辐射亮度高 照度 大三者归纳为一点 即激光光束的能量在空间 二 光技术的核心 和基础 具有里程碑的意激光技术发展的各个关键阶段均起了材料 主要有以下三类体这块面积s与立体角范围内方向性比普通 因此 即使度也比普通光者是同一性质间高度集中 意义和作用 了举足轻重的 色心晶体色心晶体主要由碱金属卤化 物的离子缺位捕获电子形成色心 与一般激光晶体不同 色心晶体是由束缚在基质晶体晶格周围的电 子或其他元素的离子与晶格相互作用形成发光中心 由于束缚在缺位中的电子与周围晶格间存在强的耦合 因此电子能 级显著被加宽 使吸收光谱和荧光光谱呈连续谱的特征 所以色心 激光晶体可实现调谐激光输出 色心晶体主要有LiF KF NaCl KCl Na KCl Li KI Li等 近年来氧化物色心晶体已引起人们的重视 目前已研制出CaO色心激 光器 输出功率已超过100MW 调谐范围为357 420nm 表明其有很 好的发展前景 掺杂型激光晶体除色心激光晶体以外 绝大部分的激光晶体都是 含有激活离子的荧光晶体 在这些掺杂型激光晶体中 晶体所起的作用就是提供一个合适的晶 体场 使之产生所需要的受激辐射 因此对基质晶体的要求就是其阳离子与激活离子的半径 电负性要 接近 而价态则尽可能相同 同时该基质晶体的物理化学性能必须 稳定 并能较易生长出光学性好的大尺寸晶体 人们在这些原则指导下找到的基质晶体主要有氧化物 氟化物和复 合氟化物三类 自激活激光晶体提高激活离子的浓度是提高效率的一种有效途径 当激活离子成为基质的一种组分时 就形成所谓的自激活晶体 通常情况下 激活离子在掺杂型晶体中增加到一定程度时就会产生 猝灭效应 是荧光寿命下降 但是以NdP5O14为代表的一类晶体 其含Nd3 浓度比通常Nd YAG晶体 高30倍 但荧光效应未发生明显下降 由于激活离子浓度高 高于1021cm 3 很薄的晶体就能得到足够 大的增益而使之成为高效 小型激光器的晶体材料 2 激光玻璃尽管在玻璃中激活离子的发光性不及激光晶体那样好 包括荧光谱线较宽 受激发载面较低等 但是激光玻璃具有储 能大 制造工艺技术成熟 基质玻璃的性质可按要求在很大的范围 内变化 容易获得光学均匀 价格便宜等特点 在过去40年中 激光玻璃与激光晶体成为固体激光材料中的两大类 型 并得到飞速发展 分为硅酸盐激光玻璃 磷酸盐激光玻璃 氟 磷酸盐激光玻璃 氟化物激光玻璃 3 激光陶瓷激光陶瓷是在研究十几年刚刚发展起来的 研究的体系还比较少 主要集中在YAG Y2O 3 Sc2O 3 Lu2O3和YSAG等立方相的体系中 激活离子的研究相对来说多一点 包括Nd Yb Pr Eu Ce Cr和S m等 三类激光材料 在性能与应用上差异较大 见表1表表1三大类激光 器的性能 特点 种类及应用种类主要波长主要波长特征输出功率 应用开发中的应用开发中的应用固体激光器红宝石激光器0 69 红 外 1 高能脉冲 2 高功率脉冲输出 Q开关控制 1 100J1MW 1GW测距 激光雷达 打孔 焊接等离子测定 高速全息照相玻璃激光器1 06 红外 1 高功率脉冲 2 高功率脉冲 Q开关控制 约1000J1TW加工物性研究 引发等离 子体钇铝石榴石激光器1 06 红外 1 连续高功率输出 2 高速反复操作的Q开关 3 第二调制波输出1W 1kW交变 5kHz 10kW 1 集成电路 划线 修整红宝石 2 激光雷达染料激光器光源 拉曼分光计光源程序半导体激光器半 导体激光器GaAs0 9 红外 功率高效率高脉冲约10W 连续约几MW 游戏用光源通信情报处理 测距气体激光器气体激光器He Ne633nm 转换效率较低输出功率一般为毫瓦级定位 全息照相 测量 精密 计量等Ar488nm功率高10MW眼疾治疗 血细胞计数 平版印刷及作为 染料激光器的泵浦源CO210 6nm转换效率很高 输出功率大 可达几 十到上万瓦打孔 焊接 退火 熔合 改性 涂覆CO2 TEA 10 6nm 转换效率很高 输出功率大 可达几十到上万瓦打孔 焊接 三 在激光技术中 有几个重要的概念 1 三能级系统假定工作物质是一个兰能级的粒子体系 并假定此 系统中三个能级间所有跃迁都能进行 用频率为v E3 E1i h的泵 浦光照射此系统 一部分粒子便从能级E1上跃迁到能级E3上去 同时 由于受激发射作用 处于能级E1上的一部分粒子跃迁到能级E 3上 如果能级E3的寿命较长 则称此能级为亚稳态能级 因而自发辐射 几率很小 当泵浦光足够强时 可忽略自发辐射 使能级E3上的粒 子数接近能级E1上的粒子数 即N3 N1 若能级E2接近E3 按玻耳兹曼分布 能级E2上的粒子数接近热平衡 状态下能级E3上粒子数 当泵浦光照射后 就能使能E3上的粒子数大于能级E2上的粒子数 即在E3与E2之间达到了粒子数反转 此时 该系统可把频率为 v32 E3 E2 h的光放大 如果能级E2是较热平衡状态时 能级当泵浦光很强时 便E1上的粒 子数大量减能级E2与E1之间达到的光放大 三能级系属于三能级系统结构可以简单的用图能级E2上不断积累 转 光可放大 图较长的亚稳态能级 而能级E2接近能E2上的粒子数 即能级E2上 已有较便有大量粒子从能级E1跃迁到能级E3减少 此时便能在能级 子数大量减少 到粒子数反转 这个系统可把频率为统如图5所示 图图5三能级系统示意图 有代表性的工作物质就是红宝石 6表示 在外界光不断激励的情况下达到一定程度后 便出现E2与E1间图图6 红宝石能级结构示意图能级E1那么在较多的粒子 3上 使能级此时便能在v21 E2 E1 h红宝石能级下 使粒子在间 的粒子数反 2 四能级系统三能级系统多数中的铬离子体系便如铬离子几乎全 部处于半数以上的铬离子激就比较低 四能级系统是基态能级 在热平E1激励到能级E4上 级E3是寿命较 长的亚积累起较多的粒子 E2之间较容易达到粒例如 在钕玻璃与 基态能级E1的能量下 两能间的粒子分统数是在能级E2与E1间建立 粒子数反转如此 这样激光的下能级就是基态 在于基态 因此要实现粒子数反转分布 激发到能级E3上去 这样对光泵要求统克服了这一缺点 四能级系统跃迁平衡时粒子数很少 当泵浦光把粒子再从能级E4上无辐射跃迁到能级E3亚稳态能级 便 积累起较多的粒亚稳而超过能级E2上的粒子数 因此 粒子数反转 如图7所示 图图7四能级系统示意图璃和掺钕钇铝石榴石激光器中 钕离量差大 约是0 4x10 19J T 300K时 在分布 由玻耳兹曼分布有 转 如 红宝石在热平衡时 氨灯必须把求很高 效率迁的低能级不子从基 态能级3上 如果能稳态能级 便在能级E3与子的能级E2在热平衡状态N2 N1e E2 E1 hT N1 e 0 41 10 12 1 38 10 16 300 N1 1 5700可见N2只是N1的万分之几 可近似的把能级E2看成是空能级 而能级E3的寿命较长 因此 钕玻璃和掺钕钇铝石榴石比红宝石容 易实现粒子数反转 而形成所需要的泵浦光强亦比红宝石低很多 大多数气体工作物质也是是能级系统 可知 要获得激光 首先要有激光工作物质 并在外界能源的激励 下实现反转分布 这是产生激光的内因 从如何实现粒子反转分布的讨论中看出 四能级系统的激光工作物 质较易实现粒子反转 3 调谐 调Q激光器调谐激光器是指在一定范围内可以连续改变激 光输出波长的激光器 见激光 这种激光器的用途广泛 可用于光谱学 光化学 医学 生物学 集成光学 污染监测 半导体材料加工 信息处理和通信等 调Q激光器调Q技术又叫Q开关技术 是将一般输出的连续激光能量压 缩到宽度极窄的脉冲中发射 从而使光源的峰值功率可提高几个数 量级的一种技术 使用调Q技术的激光器即为调Q