光功能材料ppt课件

1、光功能材料，固体的光的性质，本质上是固体和电磁波的相互作用，这与结晶对光放射的反射和吸收，结晶的光作用引起的发光，光在结晶中的传播和作用，光电作用，光磁作用等有关。 根据这些性质，可以开发光学结晶材料、光电材料、发光材料、激光材料及各种光功能转换材料等。 研究了传导带、能隙(禁带)价格带、固体光吸收的本质。 如图所示，基础吸收或固有吸收固体中电子的带结构、绝缘体和半导体的带结构，其中的价带相当于阴离子的价电子层，完全充满电子。 导带和价带之间存在一定宽度的能隙(禁带)，能隙中不存在电子的能级。 这样，当固体暴露于光时，发射光子的能量不足，电子从价带移动到导带时，结晶不被激发，也不引起光的吸收。

2、 例如，离子结晶的能隙宽度一般是几个电子伏特，相当于紫外光的能量。 因此，单纯理想的离子结晶放射到从可见光到红外区域的光中，不吸收光，全部是透明的。 碱金属卤化物晶体对电磁波透明波长为25 m250 nm，相当于0.055ev的能量。 如果紫光一样的强放射线照射到离子结晶上，价电子带的电子就会超过能隙被传导带激发，有可能引起光吸收。 与这种电子的价向导带的迁移相关的光吸收被称为基础吸收或固有吸收。 例如，CaF2的基础吸收带在200nm (约6ev )附近，NaCl的基础吸收约8ev，Al2O3的基础吸收约9ev、传导带激子能级能隙(禁带)价格带除了基础吸收以外还吸收比能隙宽度低的能量这些能级

3、可视为一些电子空穴(或激子，excition )的激发态(图2 )。 处于这种能级的电子与被传导带激发的电子不同，没有显示光传导现象，合成价电子带中的空穴和电子空穴对，作为整体存在于结晶中或运动，在结晶中移动一定距离(1m )后，可以复合消失。 激子的吸收，一、激光材料，世界第一种激光的诞生，使激光技术发展为新兴科学，为光学发展史揭开了新的篇章。 激光的出现大大促进了光学材料的发展。 迄今为止，关于各种激光，产生了各种激活结晶和玻璃、半导体、有机液体、气体等数百种新的激光工作物质。 激光材料包括激光工程材料、激光调制q材料、激光调频材料和偏转材料。一、激光的基本原理，一、光的吸收和发射，辐射和

4、物质的相互作用主要包括激发吸收、自发发射和激发发射。 1 )激发吸收：处于低能级E1的原子吸收入射光子，向高能级E2迁移。 这种过程称为激发吸收。 2 )自发放出：向能级e-2迁移的原子不稳定，通过自发放射能量的光子返回e-1能级。 3 )被激发的辐射：处于高能级的原子不仅能自发辐射，还能在入射频率21的光子感应下被激发，转移到E1能级。 这种过程称为激发辐射。 2、粒子数逆转：要使被辐射占优势，N2必须大于N1。 如果通过外界的激励破坏了粒子的热平衡分布，则高能量水平E2的粒子数N2有可能大于低能量水平E1的粒子数N1，称为粒子数反转分布。二、激光的产生，一、激光的构成激光通常由工作物质、激

5、发源和谐振器三部分组成。 1 )工作物质：激光中发射激光的物质，是激光的核心。 例如包含Cr3的红宝石。2 )激发源：为了将工作物质中处于基态的粒子激发到激发态能级，得到粒子数的反转，激发源需要供给能量。 3 )谐振器：激光器两端分别有反射镜，构成谐振器。2，激光工作物质，1，激光激励装置，3，激光放大谐振器，例如红宝石激光激励装置是脉冲氙灯，产生激光的材料是红宝石，钇铝石榴石等结晶，将激光装置放大，一面镜对应激光发生装置的原理图，2、激光的发生，激光工作物质的粒子吸收外来能量后，从基态转变到不稳定的高能状态，很快无辐射转变达到准稳态能级。 因为粒子的准稳态寿命很长，粒子的数量不断增加，这就是

6、泵的过程。 当准稳态粒子数比基态粒子数多时，即实现粒子数的反转分布时，粒子下降到基态，放出相同性质的光子，光子也下降到基态，放出新的光子，起到放大作用。 如果光的放大在一个光谐振器中反复发生，则构成光振动并发出强激光。 激光的特征：1 )相干性好。 所有发射的光具有相同的相位。 2 )单色性单纯。 这是因为，如果光学谐振器被调谐到特定频率，则其他频率的光会相互抵消。 3 )方向性好。 空腔内未调制的轴方向的辐射在发射几次后发散。 4 )亮度高。 激光脉冲有巨大的亮度，激光焦点的放射亮度比普通光高108-1010倍。三、激光材料、激光对工作物质的要求是，具有有利于激光生产的能级，其中的能级具有足

7、够长的寿命，即粒子被该能级激励后，可以在其中停留很长时间。 因此，该能级积蓄了比较多的粒子，与下能级之间粒子数反转。 同时，要求这一对能量水平之间存在一定强度的迁移，从而产生激光。 工质材料的质量优劣直接影响激光装置的性能。1，激光材料的特征值1 )材料的吸收光谱吸收光谱是指物质在光频率范围内的吸收系数是光频率分布的整体。 材料的吸收光谱直接表现出发光中心和材料的组成、结构关系、环境及其影响。 2 )材料的荧光光谱发光物质发出光子的能量的频率分布整体称为该物质的荧光光谱，也称为发光光谱。 3 )材料的激发光谱激发光谱是指物质发光时激发光以频率分布的整体。 激励光谱的测量可以确定有效吸收带的位置

8、，即吸收光谱中的哪些吸收带有助于产生荧光光谱带。 (4)荧光量子效率也可以表现为荧光转换效率，是表示放射系统效果大小的物理量，也是激光器的重要参数。 荧光量子效率0被定义为发出荧光的光子数n2与激活物质从激发源吸收的光子数n1的比。 0=n2/n1荧光转换效率取决于功物质的特性、粒子数转变方式以及无辐射转变概率和辐射转变概率等因素。 常见的三种固体工作物质的量化效率为红宝石0.7，钕玻璃0.4，YAG:Nd3约为1。I、 在激光器输出效率方面，以输入激光器的能量Ein为横轴，以激光器输出的能量Eout为纵轴，生成激光器的输出特性曲线。 激光的效率通常也被称为整体效率t，也称为绝对效率，是指输出

9、能量和输入能量的比。 另一种被称为斜率效率s，指的是在输入功率超过阈值时激光器的输出特性曲线接近直线的直线的斜率，其反映了伴随输入功率的输出功率的增加率。 8 )谐振器的q值是谐振器的质量系数。2、激光材料的种类，1 .固体激光工作物质主要用于固体激光器，其应具备的基本条件是材料具有适当的光谱特性，激发态吸收小； 必须具有良好的光学均匀性和稳定性，必须具有良好的物化性能。 主要由活性离子和基质两部分组成。 现在的活化离子主要有4种：(1)过渡金属离子：这些3d电子没有外层电子屏蔽，在结晶中受到周围结晶场的直接作用。 因此，光谱特性因结晶而大不相同。 这种离子包含Ti3 V2 Cr3 Co2 N

10、i2和Cu2。 (2)三价稀土离子：这些4f电子被5s和5p电子屏蔽，周围的结晶场的影响弱。 为了提高效率，需要提高掺杂浓度或采用增感技术。 这种离子最常见的是Nd3，Pr3、Sm3、Eu3、Dy3、Ho3、Er3、Tm3和YY3、(3)二价稀土离子：这些4f电子比三价稀土离子多一个，降低5d状态能，4f-5d过渡的吸收带可见但是，这种离子是不稳定的。 (4)锕系元素： U3离子已经激活基质产生激光，但其中大多数是放射性元素，在实用上很难。 固体激光材料的基质有结晶基质和非晶(玻璃)基质两种。 (1)晶体基质的晶体基质分为掺杂型、自活性型和色心型三种。 掺杂型结晶基质将活性离子掺杂到该基质中。

11、 自我活性型把活性离子作为结晶基质的一部分。 色心晶体通过与在矩阵晶格点缺陷周围束缚的电子或其他晶格的相互作用，形成发光中心。掺杂型结晶基质：按化学组成分为三种：第类元素的氧化物、红宝石-Al2O3(Cr3 )、钕铝石榴石(YAG)-Y5Al5O12(Cr3、Nd3 )等。 属于稀土类元素的氧化物有掺杂钕的镧氧化物-La2O3(Nd3 )、掺杂钕的镓氧化物-Gd2O3(Nd3 )、掺杂钬、铥的铒氧化物-Er2O3(Ho3、Tm3 )、钕、铒以第v族元素的氧化物为基质的材料的钒酸盐基质是Ca2VO4、YVO4、GdVO4、LaVO4、ThLn(VO4)3，混入的杂质是Nd、Eu、Tb、Dy、Er

12、等。 掺杂了铌酸的钙-Ca(NbO3)2(Nd3、Pr3、Er3、Ho3、Tm3 )和掺杂了铌酸的锂。 以vi族元素的氧化物为基质的材料有钨酸盐和钼酸盐等。 例如CaWO4、SrWO4、Na0.5Gd0.5WO4可以分别配合Nd3、Pr3、Tm3、Er3、Ho3、Dy3等。 两种是非氧化物。 主要指以几种金属氟化物(LaF3、HoF3、CaF2、SrF2、MgF2、BaF2 )为基质，添加了活性元素的材料。 活性元素有U3、稀土类元素Tm3、Sm3、Dy3和其他元素Nd3、Ni2、Co2等。三种是其他结晶。 这种材料中含有氟氧或硫氧阴离子的化合物Ca5(PO4)3F:Nd3、Ho3、La2O2

13、S:Nd3 氯化物(LaCl3:Pr3)和溴化物(PrBr3:Pr3)结晶. 自激活晶体基质： NdxLa1-xP5O15、LiNdxLa1-xP4O12、KNdxGa1-xP4O12、NdxLa1-xNa5(WO4)4、NdxLa1-xP3O9。 色心结晶基质：主要通过碱金属卤化物的离子缺陷捕获电子，形成色心。 例如，PS、PS、PS、PS、PK、PS。 (2)非晶质基质主要是玻璃，容易成为光学品质高的大型元件，所以能均匀混入高浓度活性离子，获得高激光效率等，激光玻璃已经成为大能量高功率固体激光最重要的工作物质。 在玻璃基板中，活化离子除三价钕外，大部分稀土离子相继实现激光振荡，其中添加钕的

14、激光玻璃性能最高。 钕玻璃有硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、氟化物玻璃、氟化磷玻璃等多种。以下为国产激光钕玻璃： Na2O-K2O-BaO-B2O3-SiO2、Na2O-K2O-CaO-SiO2、Na2O-K2O-BaO-Al2O3-ZnO-SiO2、Li2O-CaO-SiO2、Bao -，Al2O3红宝石激光材料，红宝石激光的能级图，红宝石激光材料是在Al2O3单晶中掺杂0.05%Cr3的结构，三能级激光，产生的激光波长为0.69m。 主要用于精密测距、激光雷达及冲孔、焊接等工业加工流域。 晶体结构六方a=4.758、c=12.992、单晶纯度99.99%、介电常数9.4 (A轴)； 11.58(C

15、轴)正切损耗2x10-5 (A轴)5 x10-5 (C轴)、熔点2040 oC、密度3.98 g/cm3、Al2O3蓝宝石单晶材料、Sapphire蓝宝石由Al2O3单晶掺杂Ti4构成，具有优异的热特性、优异的电特性和介电特性广泛用于高温红外窗材料和III-V族氮化物、以及多个外延薄膜基板材料，并用于蓝、紫、白色发光二极管(LED )和蓝色激光器(LD )。钕钇铝石榴石激光器的能级图，钕钇铝石榴石(Nd:Y3Al5O12 )的结晶材料Nd:YAG是目前最重要、应用最广泛的固体激光器工作物质，二极管可以得到绿色、蓝色的连续激光输出，是军事、科学研究、医疗和工业激光，广泛用于各种规格的测距仪、光电

16、对抗设备系统、高性能激光设备、激光治疗仪、美容器、激光标识器、打孔机等激光加工机械中。 掺钕的钇铝石榴石激光是四能级的激光. 含有钕钇的铝石榴石(Nd:YAG )结晶、钕钒酸钇(Nd:YVO4)结晶、钕钒酸钇(Nd:YVO4)结晶、含有钕的YVO4结晶(nd 33366 在激光波长上有很大的激发辐射截面，具有高吸收系数和宽的吸收带宽，具有优良的机械、物理、光学性能，特别适合制造微小型固体激光器，能制造全固体微小型绿色、红色和蓝色激光，在国内外军事、信息产业等多种领域得到广泛应用2、气体激光工作物质有原子、离子和分子气体三种，品种多，各种惰性气体原子、金属蒸汽、各种二原子和多原子气体、气体离子等，氦氖、氩离子、氪离子、CO2、CO、N2、O2、锡优点是品种多，用途广泛，单色性和相干性比较好，能长期稳定工作，几乎可以连续工作。 主要缺点是功率相同，气体激光器的体积比固体激光器的体积大得多。 3 .液体激光工作物质包括：含有稀土元素的二酮有机溶液和有机染料溶液； 稀土元素的无机化合物溶液。 其中，有机染料溶液作为活性介质的激光效率最高。 常用的有机染料有罗丹明、荧光素、花青类、香豆素等。 4 .半导体激光器工作物质半导体激光器的作用原理基于电子和空穴的辐射复合现象。 有GaAs、GaP、InP、CdS、GaSb、PbTe、异质结