第二章 光学材料1

第二章各种固体材料及其应用：光功能材料

固体材料中的光学常数各种光功能材料固体光学常数间的基本联系反射系数吸收系数光吸收的描述——复数介电常数光学常数间的关系参考《固体物理》，黄昆著晶体的光吸收和光辐射过程吸收系数/cm-11010.10.011010010000本征吸收区吸收边激子吸收自由载流子吸收晶格吸收自由载流子吸收杂质和缺陷吸收磁吸收回旋共振吸收1.本征吸收:价电子导带2.激子吸收：电子－空穴束缚激发态3.自由载流子吸收：电子、空穴的带内跃迁4.晶格吸收：与晶格振动相联系的吸收，红外区段5.杂质和缺陷吸收：与浅能级的杂质原子跃迁相关6.磁吸收和回旋共振吸收：电子自旋反转、自旋波量子的激发。发光材料、光纤材料、激光材料、红外材料各种光功能材料

根据光同材料相互作用时产生的不同的物理效应可将光学材科分为光介质材料与光功能材料两类。

光介质材料能够使光产生折射、反射或透射效应，以改变光线的方向、强度和位相，使光线按预定要求在材料中传播，也可以利用材料对某一特定波长范围的光线的吸收或透过来改变光线的光谱成分。简言之，光介质材料就是传输光线的材料，它属于传统的光学材料，如普通光学玻璃和光学晶体等。

光功能材料是指在电、声、磁、热、压力等外场作用下其光学性质能发生变化，或者在光的作用下其结构和性质能发生变化的材料，如激光材料等，利用这些变化可以实现能量的探测和转换。发光材料

发光是一种物体把吸收的能量，不经过热的阶段，直接转换为特征辐射的现象。发光现象广泛存在于各种材料中，在半导体、绝缘体、有机物和生物中都有不同形式的发光。发光材料的种类也很多。它们可以提供作为新型和有特殊性能的光源，可以提供作为显示、显像、探测辐射场及其他技术手段。发光现象十分丰富：激发方式、应用方向、发光器件的制作方法及使用条件等随应用场合而有很大的差别，在生活及生产中占据越来越重要的地位．如果忽然停用日光灯、三基色灯、电视机、计算机监视器、发光探测器等，有些人类的生活和生产就无法进行了。发光的特征1.颜色。发光材料的发光颜色彼此不同，都有它们各自的特征。已有发光材料的种类很多，它们发光的颜色也足可覆盖整个可见光的范围。材料的发光光谱可分为下列三种类型：宽带：半宽度——100nm，如CaWO4；

窄带：半宽度——50nm，如Sr(PO4)3C1：Eu3+；

线谱；半宽度——0.1nm，如GdVO4:Eu3+。

一个材料的发光光谱属于哪一类，既与基质有关，又与杂质有关。随着基质的改变，发光的颜色也可改变。2.强度。由于发光强度是随激发强度而变的，通常用发光效率来表征材料的发光本领，发光效率也同激光强度有关。在激光出现前，电子束的能量较高，强度也较大，所以一般不发光或发光很弱的材料，在阴极射线激发下则可发出可觉察的光或较强的光。激光出现后，因激光的强度可>107W／cm2，在它激发下除了容易引起发光外，还容易出现非线性效应，包括双光子或多光子效应，易引起转换，如将红外光转换为可见光。发光效率有三种表示方法：量子效率、能量效率及光度效率。量子效率指发光的量子数与激发源输入的量子数的比值；能量效率是指发光的能量与激发源输入的能量的比值；光度效率指发光的光度与激发源输入的能量的比值。发光的特征发光的特征3.发光持续时间。最初发光分为荧光及磷光两种。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。发光时间小于10-8s为荧光，大于10-8s为磷光。当时对发光持续时间很短的发光无法测量，才有这种说法。现在瞬态光谱技术已经把测量的范围缩小到1ps(10-12s)以下，最快的脉冲光输出可短到8fs(1fs＝10-15s)。所以，荧光、磷光的时间界限已不清楚。但发光总是延迟于激发的。阴极射线发光

1879年W.Crooks确定了发光特性决定于被电子束轰击的物质。1929年出现黑白电视机，1953年彩色电视问世，1964年成功地发明了以稀土元素的化合物为基质和以稀土离子掺杂的发光粉，从而成功地提高了发红光材料的亮度，这使它能够和三基色的蓝及绿色发光的亮度匹配，使彩色电视得到迅速推广。

阴极射线发光是在真空中从阴极出来的电子经加速后轰击荧光屏所发出的光，所以发光区域只局限于电子所轰击的区域附近。又由于电子的能量在几千电子伏以上，所以除发光以外，还产生X射线。X射线对人体有害，因而在显示屏的玻璃中常添加一些重金属(如Pb)，以吸收在电子轰击下荧光屏所产生的X射线。阴极射线发光在可以连续激发的条件下，改变加速电压时、发光亮度也有相应的变化。由多种材料试验得到经验规律:其中，J为发光亮度，J0为常数，I为电流，V为加速电压，V0为起辉电压，加速电压要超过这个最小值才能引起发光。在高速电子的轰击下，发光屏的温度将要上升，而当温度上升到一定值后发光的亮度将下降，这种现象为温度猝灭。它和发光中心的结构密切有关。阴极射线发光

使用阴极射线发光材料时，除了考虑它的亮度及影响亮度的几种因素外，还必须选择另外两个重要的特性，即发光颜色及衰减。对于必须保证特定颜色的彩色电子束管来说，则要牺牲一定的亮度。因为在能合成这一特定颜色的三基色（红、蓝、绿）中，第三种颜色要和其它两种颜色匹配，如果它发光不亮，其它两种颜色的发光亮度也就要压低使用。在显示合成色时，如果它们的饱和特性和老化特性不同，也容易出现颜色漂移。在飞点扫描管中要求发光余辉特别短，雷达屏中则要求发光余辉特别长。这时可用的发光体的种类就很有限。在雷达管中常用双层屏在电子束轰击下，第一层发出短余辉的蓝光，它再激发长余辉的第二层材料，发射黄光。阴极射线发光阴极射线发光

高能电子轰击发光体时产生高能电子及空穴，它们经过碰撞、又产生能量较低的电子及空穴。这个过程一直继续下去，直到电子的能量降到和发光体的禁带相匹配时为止，这些低能量的电子及空穴激发发光中心。选定材料后，要把它粘附在玻壳上。这一步工序对材料的发光特性可以产生很大影响，以至发光粉与荧光屏的特性有明显的差别。投入使用前的特性称为一次特性，制成器件后的特性称为二次特性。二次特性包括：涂敷性能及色再现性。涂敷性能是指粉浆的流动性、颗粒的分散性、粘着力、感光性、三色荧光粉的相互污染及粉浆的稳定性：色再现性是指经过制管及各种条件实验后，屏的亮度、色度、余辉及电流持性。所以．在涂屏时要选择合适的工艺，以保证材料有尽可能好的二次特性。X射线激发发光

X射线发光材料在发光材料中使用较早，而且应用量很大。发光材料在X射线照射下可以发生康普顿效应，也可以吸收x射线，它们都可产生高能的电子。电子又经过非弹性碰撞，产生第二代、第三代电子。当这些电子的能量接近发光跃迁所需的能量时，即可激发发光中心，或者离化发光中心．随后发出光来。一个X射线的光子可以引起很多个发光光子。

X射线发光屏是利用发光材料使X光转换为可见光，并显示成像的屏幕。目前已研制出一系列X射线发光材料，这些材料的发光或起源于原子团，或起源于掺杂离子的能级间的电子跃迁。X射线激发发光X射线激发发光

最早应用于X射线探测的钨酸钙现在仍然被广泛地应用。这主要由于它有几个优点：吸收效率高，发光光谱和胶片灵敏波段相适应；物理化学性质稳定；而且在制备中对原料纯度的要求不是很高。硫化物的发光效率较高，像ZnS，CdS这样的材料，通用性较强。它既可用于透视屏又可用于增感屏，还用于像加强器。碘化铯的发光效率和硫化物相同，都比较高，但它们对X射线的吸收效率却比硫化物高，在X射线激发下，总的效率较高，是很好的材料，常用在像加强器中。像加强器是一种电真空器件，它也用于显示。稀土材料的发光光谱和钨酸钙的相近，在医用X射线(30-100keV)的激发下，它的发光效率比钨酸钙的效率还高。光纤材料

60年代发现了激光，有了人们期待已久的信号载体，但要实现光通讯，还需有光元件和光信号的传输介质。1958年英国科学家提出了利用光纤的设想，1966年，英国标准电讯研究所的英籍华人工程师高琨，论证了把光纤的光学损耗降低到20dB／km以下的可能性(当时光纤的传输损耗约为1000dB／km)，并指出其对未来光通信的作用，作为光通信媒质用的光纤在当时引起了世界发达国家的普遍重视，大家开始对多组分玻璃系和高二氧化硅玻璃系光纤进行开发研究。随着理论研究和制造技术的提高，降低光纤传输损耗的工作进展很快。1970年，美国康宁玻璃公司拉制出世界第一根低损耗光纤，这是一根高二氧化硅玻璃光纤，长数百米，损耗低于20dB／km(降低为1966年光纤损耗的1／50)。

1980年，高二氧化硅玻璃光纤的损耗又降低了两个数量级，约为0.2dB／km，几乎达到了材料的本征光学损耗。然而，多组分玻璃光纤因其材料难以提纯，以及此类玻璃的均匀性差，而使光纤的最低损耗仍相当大，约为4dB／km。近20年，各种各样的光纤层出不穷，除了通信用多模、单模光纤外，近年来又出现各种结构不同的光纤，如高双折射偏振保持光纤、单偏振光纤，以及作为传感器用的功能光纤、塑料光纤等。光纤的最初应用是制作医用内窥镜，但其大量地应用仍在通信方面，如许多国家建造了光纤通信系统，横跨大西洋、太平洋的海底光缆已投入使用，使全世界进入信息时代。光纤材料小资料：光纤基本理论菲涅耳定律：n1sinθ1=n2sinθ2n1n2n1<n2θ1θ2n2n1n1>n2θ2θ1结论：若要实现全反射，则必须有n1>n2小资料：光纤基本理论当时，折射角

=/2，这时入射光线全部返回到原来的介质中去，这种现象叫光的全反射,此时的入射角叫做临界角。在光纤中，光的传送就是利用光的全反射原理.当入射进光纤芯子中的光与光纤轴线的交角满足一定值时，光线在界面上发生全反射。这时，光将在光纤的芯子中沿锯齿状路径曲折前进，但不会穿出包层，这样就完全避免了光在传输过程中的折射损耗。传输模式是光学纤维最基本的传输特性之一。若一种光纤只允许传输一个模式的光波，则称它为单模光纤。如果一种光纤允许同时传输多个模式的光波，这种光纤为多模光纤。光学上把具有一定频率，一定的偏振状态和传播方向的光波叫做光波的一种模式，或称光的一种波型。光纤是一种多层介质结构的圆柱体，圆柱体由纤芯、包层和护层组成。纤芯材料的主体是二氧化硅或塑料，制成细的圆柱体，其直径为5～75μm。有时在主体材料中掺入极微量的其他材料如二氧化锗或五氧化二磷等，以便提高的折射率。围绕纤芯的是一层圆柱形套层(包层)，包层可以是单层或多层结构，层数取决于光纤的应用场所，但总直径控制在100～200μm范围内。包层材料一般为SiO2，也有的掺入极微量的三氧化二硼或四氧化硅。与纤芯掺杂的目的不同，包层掺杂的目的是为了降低其对光的折射率。包层外面还更涂一些涂料，其作用是增加光纤的机械强度。光纤最外层是一层塑料保护管，其颜色用以区分光缆中不同的光纤。光缆是由多根光纤组成，并在光纤间填入阻水油膏以此保证光缆传光性能。光缆主要用于光纤通信。光纤结构1．根据光纤的折射率分布函数，普通光纤可分为阶跃型和梯区型两类。阶跃光纤的纤芯与包层间的折射率阶跃变化的，即纤芯内的折射率分布大体上是均匀的，包层内的折射率分布也大体均匀，均可视为常数，但是纤芯和包层的折射率不同，在界面上发生突变，如下图所示。光线的传播，依靠光在纤芯和包层界面上发生的内全反射现象。梯度光纤纤芯内的折射率不是常量，而是从中心轴线开始沿径向大致按抛物线形状递减，中心轴折射率最大。因此，光纤在纤芯中传播时会自动地从折射率小的界面向中心会聚，光纤传播的轨迹类似正弦波形。梯度光纤又称为自聚焦光纤。光纤分类

2．按传输模数分类

(1)单模光纤

单模光纤纤芯直径仅有几微米，接近光的波长。单模光纤通常是指跃变光纤中，内芯尺寸很小，光纤传输模数很少，原则上只能传送一种模数的光纤，常用于光纤传感器。这类光纤传输性能好、频带很宽，具有较好的线性度；但因内芯尺寸小，难以制造和耦合。

(2)多模光纤。

多模光纤纤芯直径约为50μm，纤芯直径远大于光的波长。通常是指跃变光纤中，内芯尺寸较大，传输模数很多的光纤。这类光纤性能较差，带宽较窄；但由于芯子的截面积大，容易制造、连接耦合比较方便，也得到了广泛应用。光纤分类

光纤分类

3.按材料来分：

1）石英玻璃光纤目前，国内外所制造的光纤绝大部分都是高二氧化硅玻璃光纤。为降低石英光纤的内部损耗，现都采用化学气相反应沉积法(CVD)制取高纯度的石英颈制棒，再拉丝，制成低损耗石英光纤。CVD法是根据半导体气相生长法发展起来的，这种方法是用超纯氧气作载气，把超纯原料气体四氯化硅和掺杂剂四氯化锗、三溴化硼、三氯氧磷等气体输送到以氢氧焰作热源的加热区。混合气体在加热区发生气相反应．生成粉末状二氧化硅及添加氧化物。继续升温加热，使混合粉料熔成玻璃态，制成超纯玻璃预制棒。然后，把预制棒从一端开始加热至1600度左右使料棒熔化，同时进行拉丝。纤维的外径由牵引机自动调节控制，折射率可通过添加氧化物的浓度加以调节。光纤分类

2）多组分玻璃光纤多组分玻璃光纤的成分除石英外，还合有氧化钠、氧化钾、氧化钙、三氧化二硼等其他氧化物。多组分光纤采用双坩埚法制造。坩埚是尾部带漏管的内外两层铂坩埚同轴套在一起所组成。多组分玻璃料经过仔细提纯，芯料玻璃放在内层坩埚里，包层玻璃放在外层坩埚里。玻璃料经加热熔化后从漏管中流出。在坩埚下方有一个高速旋转的鼓轮，将熔融状态的玻璃拉成一定直径的细丝。洞孔的直径大小和漏管的长度，决定着芯子的直径与包层厚度的比值。如果把漏管加长，使芯子与包层材料在高温下接触，通过离子交换．形成折射率成梯度分市的结构。通过调节加热炉炉温及拉丝速度，可控制纤维的总直径。光纤分类

3）单晶光纤其制造方法主要有导模法和浮区溶融法。导模法是把一支毛细管插入盛有较多熔体的坩埚中，在毛细管里的液体因表面张力作用而上升，将定向籽晶引入毛细管上端的熔体层中，并向上提拉籽晶．使附着的熔体缓慢地通过一个温度梯度区域，单晶纤维便在毛细管的上端不断生长。浮区熔融法是先将高纯原料做成预制棒，然后使用激光束在预制的一端加热，待其局部熔化后把籽晶引入熔体并按一定速率向上提拉便得到一根单晶纤维。

*光纤图像传感器

光纤图像传感器是靠光纤束来实现图像传输的。光纤束由光纤按阵列排列而成，一束一般由数万到几十万条直径为l0～20μm的光纤组成，每条光纤传送一个像素信息。用传像束可以对图像进行传递、分解、合成和修正。传像束式的光纤图像传感器在医疗、工业、军事部门有着广泛的应用。光纤的应用*光纤通信：若把全部信息容量发挥出来，能同时传送100亿路电话和1千万套电视节目。它比普通金属导线传输线路的容量高出10亿倍。同轴电缆通信，每1.5km就要设一个中继站，而目前光纤通信的中继站距离已超过10km，而且光缆具有抗电磁波干扰的本领，所以通信质量高，保密性好。工业用内窥镜在工业生产的某些过程中，经常需要检查某些系统内部结构状况，而这些系统由于种种原因不能打开或靠近观察，采用光纤图像传感器可解决这一难题。将探头事先放入系统内部，通过光纤传像束的传输可以在系统外部观察、监视系统内部情况。该传感器主要由物镜、传像束、传光束、目镜或图像显示器组成。光源发出的光通过传光束照射到待观测物体上，再由物镜对待观测物体成像，经传像束把待观测物体的各个像素传送到目镜或图像显示设备上，观察者便可对该图像进行分析处理。光纤的应用医用内窥镜由末端的物镜、传像束、顶端的目镜和控制手柄组成。照明光是通过传像束外层光纤照射到被观察物体上，反射光通过传像束输出。由于光纤柔软，自由度大、末端通过手柄控制能偏转，传输图像失真小，因此，它是检查和诊断人体内各部位疾病和进行某些外科手术的重要仪器。光纤的应用小资料：新型光纤——光子晶体材料光纤：制作简单，可用于长程通讯、内窥镜等。光子晶体：适合用于小体积的集成块。激光材料

1960年，世界上第一台以红宝石(A12O3:Cr3+)为工作物质的固体激光器研制成功，激光的出现促进了光学材料的新发展。此后的二三年内就陆续报道了数百种新型激光工作物质(包括各种激活晶体和玻璃、半导体、有机液体及气体等)。经过近半个世纪的发展，今天，虽然探索新型激光工作物质的高潮已过，但探索工作没有停止，且时有引入注目的成果。下面重点介绍激活晶体和玻璃这两类最重要的固体激光材料的性质、特点、制备方法及其应用。激光材料应具备的基本条件

固体激光工作物质由基质材料和激活离子两部分组成。工作物质的各种物理化学性质主要由基质材料所决定；工作物质的光谱性质主要由激活离子所决定。但由于激活离子与基质材料之间存在着相互作用，因此，基质材料对工作物质的光谱性质，激活离子对工作物质的物理化学性质都有一定的影晌，有时这种影响还是十分重要的。作为激光器核心的工作物质，它的质量优劣将直接影响到器件的性能。下面从激光器工作原理和材料的光谱性质出发，把激光工作物质应具备的基本条件归纳成以下几个方面：1)工作物质应具有良好的物理化学性能。例如，热导率高、热膨胀系数小、化学稳定性好、机械强度大等。激光材料应具备的基本条件2)工作物质应具有良好的光学均匀性。材料内部的杂质颗粒、不熔物、气泡、条纹、应力等缺陷要尽量少，材料折射率的不均匀性要尽量小。3)材料应具有合适的光谱特性。如荧光寿命

，对于光泵功率水平较低的激光器，要求

适当小些(约几百微秒)。对于巨脉冲输出激光器，为了增加储能，要求

大些(几个毫秒)。对于光泵功率水平高的放大器，为了达到较高的粒子反转数密度，以得到大的激光输出，也要求

大些。要求材料有多而宽的吸收带和大的吸收系数，使泵浦能量得到充分利用。量子效率要尽可能高。4)激发态吸收要小。对于高能量、大功率输出器件，要求工作物质能制成较大尺寸的工作体。激光材料中的激活离子激活离子又称激活剂，工作物质的光谱特性主要由激活剂所决定。固体激光工作物质中使用的激活剂有过渡金属离子、稀土金属离子和锕系离子三类。过渡金属离子：在周期表中，从原子序数21至28的八个元素称过渡金属元素。这些元素不仅最外层的电子是价电子，有时次外层的一部分或全部的d电子也充当价电子。因而一种元素可形成多种价态的正离子。过渡金属中的3d层电子由于没有外层电子的屏蔽，在基质晶体中直接受晶格场的作用，所以它的能级分布等特性和自由离子的情况有显著不同。已经实现激光振荡的过渡金属离子有红宝石中的铬离子(Cr3+)，氟化镁中的钒离子(V2+)、钴离子(Co2+)、镍离子(Ni2+)等。激光材料中的激活离子稀土金属离子：稀土元素最外层与次外层的电子数几乎相同，只是f电子层有所不同。所以，各稀土元素的化学性质彼此十分相似。由于受到外层电子的良好屏蔽，所以在稀土离子在不同介质中的光谱性质与自由离子的情况非常相近。现在极大多数的稀土离子，已在各种晶体和玻璃中实现了激光振荡。其中二价稀土离子因存在变价问题，在基质材料中的激光性能不如三价稀土离子稳定。在三价稀土离子中，应用最广的是钕离子(Nd3+)。锕系离子：锕系元素包括从原子序数89至101的12个元素。锕系元素的最外层和次外层电子数与稀土元素差别不大，故在化学性质上两者也十分接近。由于锕系元素的质量数很大，一般具有放射性，这使材料的制备和处理均比较复杂。现在，除三价铀离子已在氟化钙中得到应用外(CaF2：U3+)，其余很少有报道。激光基质晶体

到目前为止，合成激光晶体的数目已超过200种，分为简单氟化物晶体、复合氟化物晶体、简单氧化物晶体、复合氧化物晶体和其他晶体五类。(一)简单氟化物晶体这类晶体的特点是熔点较低，容易生长成单晶。但掺入激活离子后多数要在低温下实现激光运转，故实际应用不广。在这类晶体中性能比较优良的有氟化钙和氮化钇锂晶体。在这种有序结构晶体中，激活离子处在完全相同的格位上，所以荧光谱线的加宽属均匀加宽。激光基质晶体激光基质晶体(二)复合氟化物晶体这是一类多组分“无序”结构氟化物固溶体。在这种混合化合物中，一种原子B在晶格A中无规则地占据着填隙位置，形成填隙式固溶体或替代A原子并无规则地占据格点位置，形成替代式固溶体。虽然就整个固溶体来说具有晶格结构，但对原子B和A来说在固溶体中的分布是无规则的。在这样的晶体里，总是存在着一些互不相同的位置可以引入激活离子，形成大量的激活中心。由于各激活中心所处的状态不同，所以在这类混合晶体中激活离子荧光光谱线型总是非均匀加宽的。它们类似于激活玻璃和无机液体的性质。多数体系能在室温下甚至更高的温度下实现激光，但这类材料的热学、力学性能欠佳，因而限制了它的应用范围。(三)简单氧化物晶体氧化物晶体是使用最早、数量最多、应用最广的激光晶体工作物质，其中具有实用价值的优良晶体有红宝石、掺钕钇铝榴石、掺钕铝酸钇、掺铬铝酸铍等。它们具有很好的物理化学性能，都能在室温下实现激光振荡，适于作高重复频率激光器、连续或脉冲输出的大功率大能量激光器工作物质。但氧化物晶体的熔点大多较高，所以较难制备优质单晶。激光基质晶体(四)复合氧化物晶体在这类复合氧化物结晶固熔体中，阳离子的分布也是无规则的。掺入的激活离子处于不同性质的格位上，所以光谱线型属于非均匀加宽。许多复合氧化物晶体熔点都很高，难于制备出高质量的晶体。它们的物理化学性质一般都不如简单氧化物晶体优良，这使其应用范围受到限制。实用激光晶体(一)红宝石(Al2O3:Cr3+)红宝石是最早实现激光运转的固体激光工作物质，它是由刚玉单晶(

-Al2O3)为基质，掺入0.05-1％(重量比)的Cr2O3为激活剂所组成的。红宝石的机械性能和热传导性能都很好，化学性能也很稳定，是十分理想的激光基质材料。三价铬离子的能级结构，属三能级系统。亚稳态能级实际上由两个离得很近的能级组成，当这两个能级上的粒子返回基态时，分别辐射荧光线R1(6943Å)和R2(6934Å)。但R1的强度比R2大，所以，激光器在室温时输出激光波长为6943Å的红光。实用激光晶体

红宝石的三能级结构，决定了红宝石激光阈值和效率均比较高，不宜作高重复率器件。但是红宝石的亚稳态寿命长(约3ms)，且具有优良的机械和热学性能，可承受高功率负载，又比较容易制成大尺寸的工作体，故红宝石适合于做单脉冲大能量输出激光器(输出能量达约103J)和调Q大功率激光器(峰值输出功率可达上万兆瓦)。这类激光器正在激光加工、测距等方面得到实际应用。红宝石也能做重复频率脉冲器件、连续激光器、单膜激光器等，供不同目的的需要。实用激光晶体(二)掺钕钇铝榴石晶体(Y3Al5O12:Nd3+)石榴子石是一类天然矿物，因外形很象石榴子而得名。钇铝榴石Y3Al5O12，简称YAG。YAG晶体具有良好的力学、热学和光学性能，所以从1964年一出现便引起人们的普遍重视，经过几年的研制到70年代初便趋于成熟。YAG:Nd3+的辐射跃迁属四能级系统，因而具有阈值低、能在室温下连续运转的特点。现在YAG:Nd3+的激光效率已超过2％，输出多种波长，最强的输出波长在1.06微米。现在YAG:Nd3+的连续输出和高重复频率Q调制输出激光器巳达到很高的水平，从而得到广泛的应用。最大连续输出功率已超过1000W，效率达约3％，重复频率为5000次/秒，调Q巨脉冲输出功率达到百兆瓦量级。目前在YAG:Nd3+晶体方面的研制工作着重于提高晶体产量和降低生产成本两个方面，生长大尺寸晶体是当前的主要努力方向。红外材料红外线的基本性质

牛顿在1666年用玻璃棱镜进行太阳光的分光实验，把看上去是白色的太阳光分解成由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各种颜色所组成的光谱，称“太阳光谱”。在太阳光谱发现以后的相当长一段时间里，没有人注意到在太阳光中除了各种彩色可见光外，还存在不可见光。直到1800年，英国物理学家赫舍尔发现太阳光经棱镜分光后所得到光谱中还包含一种不可见光。它通过棱镜后的偏折程度比红光还小，位于红光谱带的外侧，所以叫红外线。红外线按波长可分为三个光谱区：近红外：0.7-15m中红外:15-50m远红外：50-1000m

红外线与可见光的差别仅仅在于它的波长比可见光长得多。由此也使红外线具有某些特点，其中与红外线的实际应用有关的特性主要有二条：一是红外线对人的肉眼是不可见的；二是红外线通过大气层时的吸收比普通可见光要小。即在大气层中，对红外波段存在着一系列吸收很低的“透明窗”。这些特点导致了红外线在军事、工程技术和生物医学上的许多实际应用。红外线的产生是同物体分子的运动(包括转动和振动)密切相关。这类物体分子的运动过程是因物体受热而引起的。所以，在0K以上的任何温度下，一切物体都是红外线源。获取红外线的最简单的方法是加热物体。红外线的基本性质红外线的应用1)热探向术。这是根据热辐射来探测发热的军事目标并测定其方位。当这类物体运行时，由于机器工作时发出热量，使物体的外表温度升高。由于军事目标的温度与背景温度的差别，产生两种辐射的对比度。热探向器接收来自目标和背景的辐射，并按照这两种辐射的对比度探测军事目标。在军事上：2)导弹的自动制导。火箭排出的气体是强大的红外辐射源。红外线制导系统就是利用位于导弹头部的红外线接收器，接收目标的红外辐射。接收器发出的信号控制导弹的伺服系统，使导弹始终瞄准目标。红外线制导由于系统简单，尺寸小，成本低，抗干扰能力强，已成为雷达制导系统的劲敌。3)夜视仪。红外夜视仪是利用一个红外辐射源照射目标，再通过光学系统及电子-光变换器将所接收到的目标红外象在变换器的屏幕上形成目标的可见象。在这类仪器中，自动步枪用夜视瞄准器，头盔式红外双筒望远镜等已用于夜间的侦察和瞄准。红外线的应用在科研上：1)红外测温。任何物体只要它的温度在0K以上，它就会不断地发射红外辐射。红外辐射的功率(W)决定于物体的温度(T),即W

T4，称斯忒藩-玻耳兹曼定律。若测出了物体的辐射功率，利用该定律就能确定出物体的温度。红外测温是非接触式的，测温过程不影响被测目标的温度分布，故特别适用于远距离目标、高速远动目标、带电目标和其他不可接触的目标的测温。此外，红外测温具有反应速度快、灵敏度高、测量温度范围宽等优点。红外线的应用2)红外线干燥。含水物质吸收红外线后，加速了水分子的运动，促使其蒸发，达到干燥的目的。这种干燥方法，在单位时间内传给待处理物质的热量远远大于一般干燥方法(如对流方法、接触方法)，所以水蒸发的程度强几十倍。3)红外线摄影。红外线摄影是根据各种物质对红外线有不同的吸收与反射特性而建立起来的。一幅物体的红外图像是在红外光照明下用摄影机拍摄的，其中的底片是对红外线敏感的红外感光材料。它们的共同依据就是利用物质对红外线的吸收与反射特性上的差异，从而得到在普通摄影中(可见光照明)所得不到的结果。红外线摄影又在遥感技术上大显身手，如在气象卫星上拍摄红外云图，较早地察知热带风暴、飓风、台风的中心位置。在飞机和卫星上拍摄地球的地质构造图，指导找矿，利用卫星上的红外摄影监视森林火灾等。4)红外光谱分析。物体不但能向外发射红外线，而且也能吸收射到它上面的红外线，吸收的程度随入射红外线波长不同而异。以物质对红外线的吸收程度为纵坐标，红外线的波长为横坐标，将物质对红外线的吸收情况划成曲线，称谓该物质的红外吸收光谱。红外吸收光谱由一系列不同宽度的宽带所组成。各谱带中最大吸收蜂的位置相应于物质内部分子振动的特征频率，吸收峰的高低相应于该分子吸收能量的多少，即同该分子的含量多少有关。所以，通过物质的红外吸收光谱分析，可以进行物质的组分测定,还可以进行未知物的结构测定。红外线的应用红外材料在红外线应用技术中，有许多地方要使用能够透过红外线的材料。例如：用于会聚红外线的红外透镜，装在密封式红外探测元件前方的允许红外线透过的红外窗口，可把不同波长的红外线分解的红外棱镜，让单一波长红外线通过的红外滤光片，以及在高速飞行的红外装备上透红外线的头罩等。这样一类材料称为红外光学材料。对于红外光学材料，在实际应用中应当考虑的主要性能有以下几点：1)对不同波长红外线的透过率；2)对不同波长红外线的折射率和色散；3)材料的机械强度及物理、化学的稳定性；4)材料的最高使用温度；5)可能制备的材料最大尺寸;6)价格。考虑了上述诸多因素后，真正具有实用价值的红外光学材料就为数不多了。红外光学晶体

在红外技术中作为光学材料使用的晶体主要有碱卤化合物晶体、碱土-卤族化合物晶体、氧化物晶体、无机盐晶体以及半导体晶体，其中经常使用的约有二三十种。

碱卤化合物晶体是一类离子晶体，如LiF、NaF、NaCl、KCl、KBr等。它们都是碱金属的卤化物。这类晶体熔点不高，比较容易培育成大单晶，具有较高的透过率和较宽的透过波段，所以广泛地应用于实验室里的红外仪器中作分光棱镜和部分窗口材料。但是碱卤化合物晶体易受潮解、硬度低、机械强度差，因而应用范围受到相当的限制。红外光学晶体碱土-卤族化合物晶体是另一类重要的红外材料，它们都是碱土金属的卤化物，如CaF2、BaF2、SrF2、MgF2。这类晶体具有较高的机械强度和硬度，几乎不溶于水。特别是氟化镁晶体性能更为优良，故广泛用于窗口、滤光片基板等。红外光学