1、激光材料word版第四章 激光材料激光器是60年代初才出现的一种新颖光源，激光较普通光具有三个突出特点：第一，方向性好，亮度高；第二，单色性好；第三，相干性好。首先，在现有的各类光源中，激光的亮度最高，比太阳表面的亮度还要高1010 倍。激光的另一个特点是方向性好。普通光源发出的光是向四面八方发射的，激光器则不同，他只向一定的方向发出一束几乎平行的光，光束的发射角很小。 例如，氦氖激光器的光束发散角只有15mrad。虽然探照灯的方向性较好，但它的光束在几公里之外扩展到几十米，而激光器的光束在几公里之外，扩展的范围仅有几厘米。 其次，激光的单色性好。 一般有单色光源发出的光实际上波长并不是单一的
2、，而是有一定的波长范围，这个范围称为单色光的谱线宽度。光的波长范围越小，谱线宽度越窄，说明它的单色性越好。 在普通光源中，单色性最好的是氪灯，发出光的谱线宽度在室温下为0.00095 nm。 氦氖气体激光器发出的光，其谱线宽度在室温下为110-8 nm。 由此可知，激光器的单色性比氪灯要好上万倍。 激光还具有相干性，它有高度的空间相干性和时间相干性。 空间相干性是指从两个不同点发出的单色光相位间的相关性。 时间相干性是指从一点光源发出的单色光经过不同路径而到达同一区域时，由于时间差而产生干涉现象。激光器发出的激光有可见光，也有红外光，紫外光甚至是x射线。第一节激光产生的原理 在正常情况下，原子
3、中的电子大多数处于能级较低的稳定状态。 在原子受到光的照射，加热或微粒的碰撞后，就吸收外来的能量，电子便从能量较低的基态跃迁到能量较高的激发状态。 处于激发状态的电子不稳定，会很快跳回到基态，同时放出能量。 能量释放的方式通常有两种，一种是以热的形式放出，称为无辐射跃迁；另一种是以光的形式辐射出来，称为辐射跃迁。辐射出来的光的频率由跃迁前后的两个能级之间的能量差所决定。 = E2-E1/h在普通光源如电灯，日光灯、高压水银灯中，处于激发状态的电子可以不受外界影响，而通过自发发射光子，从能量高的状态衰变到能量低的状态，这种过程称为自发辐射跃迁。此外，也可以在外来光波的作用下，导致电子从较高能级向
4、较低能级跃迁，这种跃迁称为受激辐射跃迁。这时辐射出来的光和外来的光在频率、传播方向和位相等方面是完全相同的。只有当外来光波的频率和原子的相应能级相当时，既符合= E2-E1/h 的条件时（E1,E2分别表示不同能级的能量E2E1）,才能发生受激辐射。相当于水泵把水从地处抽到高处，用光照射，借助气体放电或利用化学反应都可引起激励。因此常用的泵有光泵，电泵，气动泵，化学泵等。怎样才能使受激辐射从次要地位转变为主导地位呢？当光的频率和原子的相应能级相当且通过物体时，有两方面的作用：一方面是已被激发到高能级的原子发生受激辐射，使光子数增多。另一方面是处在低能级的原子吸收光子的能量被激发到高能级上去，使
5、光子数减少。光的吸收和受激辐射是同时存在的，但又是不平衡的。通常在热平衡状态下，处于低能级的原子数(N1)总是多于处在高能级的原子数(N2)，即N1N2这时光的吸收起主导作用； 反之，当处于高能级的原子数多于处在低能级的原子数，即N2N1时，受激辐射起主导作用。在通常情况下，总是N1N2,但在外来能量的激发下，有可能使N2N1，这种反常状态称为出现了粒子数反转。粒子数反转是使受激辐射从次要地位转化为主要地位的必要条件，也就是产生激光的必要条件。在激光器中，可以实现粒子数反转而产生受激辐射的物质称为工作物质。在通常情况下，处于较高能级的离子是很不稳定的，存在的时间很短，只有10-8S。但有些物质
6、，如，氖原子及二氧化碳分子等，它们的某一较高能级比较稳定，可存在较长时间，这种能级称为亚稳态能级。由亚稳态能级的粒子（原子、离子或分子）体系，较易在亚稳态能级和低能级之间实现粒子数反转，亚稳态能级的存在是工作物质造成粒子数反转的内因。 若此时有某种外部作用，使大量原来处于低能级的粒子跃迁到较高的亚稳态能级上，造成粒子数反转，这种过程成为 激 励。引起激励的外部作用称为泵。工作物质是否容易实现粒子数反转与工作物质的能级结构有关，工作物质的能级结构有以下几种情况。1、二能级系统在没有外界作用的情况下，体系中处于较低能级E1的粒子数总是多于处在较高能级E2的粒子数。在受到泵的激励后，处于低能级E1的
7、粒子可以吸收能量被激发到高能级E2上，造成粒子数反转。这种体系如果单纯用光泵激励，由于同时也产生受激辐射，很难实现粒子数反转。2、三能级系统在体系受到泵的激励后处在基态E1的粒子可吸收能量被激发到较高能级E2上，粒子在能级E2的寿命（存在时间）很短，一般只有10-8s，它迅速跃迁到寿命较长的能级E3（亚稳定能级）上，这样就实现能级E3与基态能级E1之间的粒子数反转，只有当=E3-E1/h 的外来光作用时，立刻产生受激辐射。在热平衡状态时，基态能级上的粒子数很多，因此必须用很强的泵，才能使基态能级E1上较多的粒子跃迁到较高的能级E2上去，然后造成能级E3与E1的粒子数反转。这种体系能实现粒子数反
8、转，但对泵的要求较高。3、四能级系统当体系受到泵的激励后，处在基态E1的粒子先被激发到较高能级E2上去，然后由E2迅速跃迁到寿命较长的能级E3上，这时能级E3积聚较多的粒子，在正常情况下比基态能级稍高的另一较低能级E4上的粒子数很少，因此，在能级E3与E4之间很易实现粒子数反转，当有=E3-E4/h的外来光作用时，立即产生受激辐射。这种体系较易实现粒子数反转。工作物质是激光器的核心，它的主要作用有2个方面，一个是发出激光，另一个是作为介质传播光束。因此，对工作物质有一定的要求。作为产生激光的发光体，要求：1、有宽而多的吸收带，（即可吸收多种波长的光），能有效地用光泵的能量，提高光泵的激励效率。
9、2、亚稳定有较长的寿命，这样才能积聚较多的粒子，便于造成粒子数反转。3、产生激光时，相应的低能级高于基态能级，使低能级上的粒子数很少，易造成粒子数反转，由此可知，最理想的工作物质是四能级系统。作为光的传播的介质，有如下要求:1、光学均匀性好，否则会引起光的散射和吸收，影响激光束的发射角。2、对产生的激光有较大的透过率，尽可能减少杂质对激光束的吸收。3、光照性能好，即在光泵照射下，工作物质的性能仍稳定，保持原有的机械性能和化学性能稳定性。4、导热性好。因为用光泵激励时，部分光能转变成热能，使工作物质温度升高，影响它的性能和使用寿命，所以要求尽快把热能传递出去。在电灯、日光灯等普通光源中，自发辐射
10、占主导地位。有机磁子，0.6 nmICP在激光器中，受激辐射处于支配地位。这就是激光和普通光相互区别的内在原因。第二节激光器的种类根据激光工作物质的性质和状态，激光器可分为固体激光器，气体激光器，半导体激光器，化学激光器及液体激光器等几种类型。一、固体激光器固体激光器有三种不同的工作方式。第一种是脉冲式激光器，单次发射，每次激光持续的时间为零点几毫秒到几十毫秒；第二种是重复频率激光器，在一秒钟内能产生几到几十次的激光脉冲；第三种是连续激光器，能长时间稳定地输出激光。固体激光器的工作物质包括两个组成部分：激活粒子（真正产生激光的离子）和基质材料（传播光束的介质）。 形成激活离子的元素有三类：第一
11、类是过渡元素如铬、锰、钴、镍、钒等；第二类是大多数稀土元素如钕、镝、钬、铒、铥、镱、镥、铕、钐、镨等；第三类是个别的放射性元素如铀。目前应用最多的是Cr3+和Nd3+.Nd-Fe-B 永磁材料 磁魔Sm-Co基质材料有晶体和玻璃，分别称为晶体激光器和玻璃激光器。（超速冷却 非晶态）*每一种激活离子都有其对应的一种或几种基质材料。例如，Cr3+掺入氧化铝晶体中有很好的发生激光的性能，但掺入到其他晶体或玻璃中发光性能就很差，甚至不会产生激光。作为基质材料用的晶体也有几种类型：第一种是金属氧化物。如，Al2O3,Y2O3,La2O3,Ga2O3等。第二种是复合氧化物如。Y3Al5O12(钇铝石榴石)
12、 Y3Fe5O12，Y3Ga5O12 Gd3Ga5O12等。第三种是氟化物。如，CaF2,MgF2,LaF3,CeF3等。夜明珠 蓄水池 蓄电池 蓄光材料（池）光伏产业 50000亿美圆 LED第四种是复合氟化物。如，CaF2-YF3,BaF2-LaF3,NaCaYF6等。第五种是含氧酸盐。如CaWO4,SrMoO4,YVO4,LaAlO3,Ca(P04)3F等。红宝石、钕玻璃和掺钕钇铝石榴石是固体激光器中常用的几种工作物质。1、红宝石激光器红宝石的基质材料是氧化铝晶体，其中掺有0.05%的氧化铬，激活离子是Cr3+。红宝石是三能级系统的工作物质，发射的激光是可见光，波长为694.3 nm（红
13、光），多数以脉冲方式工作。固体激光器难以连续工作的原因之一是不能使晶体温度太高，必须经常进行散热，使温度降下来。制备红宝石单晶用的原料必须有很高的纯度，通常用重结晶法提纯后的铵明矾（NH4Al(SO4)212H2O）和重铬酸铵（NH4）2Cr2O7）,将它们以一定比例混合，加热到1050-1150，这时发生下列反应， 制得的Al2O3与Cr2O3的混合物，再用火焰法或引上法制成红宝石单晶。火焰法是利用氢氧焰产生的高温，使固体混合物融化，然后缓慢冷却长成单晶，这种方法生长单晶的速度快，设备简单，但是制成的晶体光学均匀性较差。引上法的原理和直接法制半导体晶体相同，用这种方法制得的单晶光学质量较好，
14、但Cr3+浓度分布不匀。2、钕玻璃激光器钕玻璃的激活离子是Nd3+，这是四能级系统的工作物质。基质材料是玻璃，玻璃的成分不同，制成的钕玻璃工作性能也不同，以K2O-BaO-SiO2成分的玻璃为基质材料时，产生激光的性能较好，其中掺入Nd2O3 2-6%(质量比)。钕玻璃制备方便，易获得良好的光学均匀性，形状和尺寸有较大的自由度。缺点是导热性和机械性能较差，不能连续工作。3、 Nd：YAG激光器掺钕钇铝石榴石可用符号Nd3+:YAG(yttrium aluminium garnet的缩写)表示，它的激活离子是Nd3+，是四能级系统的工作物质。基质材料是钇铝石榴石（YAG），它是由Y203和Al2
15、O3 以3：5的比例化合生成Y3Al5O12 。在晶体内部，Y3+,Al3+与O2-按一定的规律排列，掺入Nd3+的浓度是1-3%。和红宝石相比，由于它是四能级系统，易实现粒子数反转，性能较好。与钕玻璃相比，导热性良好，采用适当的冷却方法，能方便地将热量传送出去，使晶体内部温度均匀，始终保持较低的温度，所以可按连续的方式工作。用作激光工作物质的Nd3+:YAG必须有很高的纯度，晶体生长的好坏对激光器的工作性能有很大的影响，常采用引上法制取单晶。先将Y2O3.Nd2O3与Al2O3分别灼烧除去水分，再按一定比例充分混合，压块成型，然后放入高频炉内，逐渐升温至熔点（1950），保持温度，再用粒晶引
16、拉，为了生长出良好的单晶，必须严格控制熔融物的温度，粒晶的转速及提升速度，为了使晶体缓慢均匀地生长，粒晶提升速度必须很慢，一般为1-2 mmh-1,单晶制成后，高频炉慢慢降温，取出的单晶还需放在空气中于1400下进行退火处理，最后经过光学加工，即得成品。钕玻璃与Nd3+ :YAG输出的激光主要是波长为1060nm的红外光，现在通过倍频技术，采用非线性光学元件，将1060nm的红外光转变成波长为530nm的绿光。倍频材料的种类很多，磷酸二氢铵（NH4H2PO4）和磷酸二氢钾（KH2PO4）是较简单的两种，它们是水溶性晶体，易潮解，难保存。现在采用碘酸锂（LiIO3）、铌酸锂（LiNbO3）和铌酸
17、钡钠（NaBa2Nb5O15）等晶体做倍频材料，尤其铌酸钡钠的转换效率特别高。作为倍频材料的晶体也要求有良好的光学特性，因此必须是生长良好的单晶。二、气体激光器气体激光器中的工作物质可以是Ne,He,Kr,Xe及金属蒸汽原子，也可以是CO，N2,O2,CO2,水蒸气等双原子分子，三原子分子以及Ar,Kr,Xe,Cd,Hg等离子。气体激光器中，除一种产生激光的工作气体以外，一般还加入一些辅助气体，例如，各种稀有气体以及氧、氮、水蒸气、空气等，它们和工作气体混合，可提高器件的输出功率和延长器件的工作寿命。气体激光器是目前种类最多，应用最广的一类激光器。它有许多特色，多数能连续工作，输出的激光波长很
18、丰富，目前气体激光器得到的谱线已达到数千种，分布在从200 nm的真空紫外到4 mm的远红外波段内。它的单色性较好，且能长时间稳定地工作，为精密计量工作提供了极好的单色光源；此外，结构简单，成本低，操作方便，这些是气体激光器的优点。它的缺点是输出功率较低。气体激光器可分为原子气体激光器，分子气体激光器和离子气体激光器三类。1、原子气体激光器原子气体激光器的工作物质是稀有气体原子如氦、氖、氩、氪、氙等和一些金属蒸汽如铜、铅、锰、铯等。稀有气体原子激光器输出激光的波长大部分在红外和远红外，少数在可见光范围。金属蒸汽原子激光器输出的波长大部分在可见光范围。最常用的原子气体激光器是氦-氖激光器，它有很
19、多输出波长，最重要的是波长为632.8 nm的红光，这相当于氖原子的电子由3s能级跃迁到2p能级时辐射的能量。通常氦-氖激光器中，工作气体的气压在79.993 Pa左右为最好，这个气压称为最佳工作气压，氦和氖的气压比为5：1-10：1最佳。2、分子气体激光器气体分子激光器的工作物质一般是双原子分子和三原子分子，如CO,N2,O2,水蒸气和CO2等，其中最突出的是CO2激光器。双原子分子气体激光器输出的激光波长在紫外和可见光部分，三原子分子气体激光器输出的波长在中红外和远红外。分子气体激光器的工作原理比较复杂。在分子中有三种不同的运动，一种是分子中电子的运动，它决定了分子的电子能态；第二种是分子
20、中原子的振动，即分子中的原子围绕其平衡位置不停地作周期性的振动，这种运动决定了分子的振动能态；第三种是分子的转动，即分子作为一个整体，在空间不断地旋转，这种运动决定了分子的转动能态。分子气体激光器是利用分子的振动能级与转动能级之间的跃迁产生激光的。CO2激光器的工作条件十分简单，工作气体的纯度要求不高，一般只需工业纯就可以了。CO2激光器在发生激光的过程中，分子的电子能态不发生改变，保持一个固定的能量状态，可以不加考虑，分子转动能态的改变也可忽略，起主要作用的是分子的振动能态。 对称振动 非对称振动 0-C-O 弯曲振动 CO2分子是直线型对称分子，根据分子振动理论，可知CO2分子有三种振动方
21、式。第一种振动方式是分子中碳原子保持不动，两个氧原子沿对称轴同时向着碳原子或背向碳原子振动，这种振动方式称为对称振动。第二种振动方式是三个原子都沿着对称轴振动，其中碳原子的运动方向与两个氧原子相反，这种振动方式称为不对称振动。第三种振动方式是三个原子的运动方向不沿着对称轴，而是在垂直于对称轴的方向振动，其中碳原子的运动方向与两个氧原子相反，这种振动方式称为形变振动。对于每一种振动方式都有一组相应的能级，各种振动能级间的跃迁是它产生激光的原因。在二氧化碳激光器中，一般都加进一些辅助气体，如N2,He,它们的存在可提高激光器输出激光的效率。产生激光的气体是CO2,N2所起的作用和氦-氖激光器中的氦
22、相似，N2起能量传递作用，它较易被激发，先受到激发，然后在和CO2分子碰撞时，把能量传递给CO2分子，使CO2分子处于能级较高的001能级。He的加入可使能量较低的100能级和020能级上的粒子数减少，这样有利于造成CO2分子001能级对100能级和020能级的粒子数反转，可发生受激辐射。必须注意到N2和CO2的混合气体放电时会产生危害性很大的N20,所以要严格控制N2和CO2的比例，一般采用的气压混合比是CO2: N2 = 2:8. 001 100 CO2 激光器的工作能级 020当粒子由001能级跃迁到100能级时，辐射出波长为10600nm的红外光；由001能级跃迁到020能级时，辐射出
23、波长为9600nm的红外光。前者跃迁的几率比后者大得多，所以在通常情况下，CO2激光器的输出波长为10600nm。CO2激光器除用气体放电方式激励外，近来还采用两种新的激励方式。一种是热激励，使处于高温下的CO2迅速膨胀，由于在膨胀过程中来不及和周围的物体交换能量，气体本身的温度猛烈下降，这是处于100能级和001能级的分子都要回到基态，但001能级的寿命较长，而100能级的寿命较短，就造成001能级对100 能级的粒子数反转。还有一种是化学激励，利用化学反应过程中形成的激发态分子或原子，当它们与CO2分子混合时，由于分子间的碰撞，通过分子间的能量交换实现粒子数反转。例如，氟和氘反应生成的激发
24、态氟化氘（DF）可有效地激励CO2分子，造成粒子数反转，目前能量转换效率已达到4%。CO2激光器是连续输出功率和转换效率最大的激光器，连续输出功率已超过几万瓦，转换效率可达到30%。3、离子气体激光器离子气体激光器的工作物质是稀有气体的离子和金属蒸气的离子，如Ar、Kr、Xe离子和Cd、Hg离子等，其中最典型的是氩离子激光器。ICP离子气体激光器输出的波长范围大多数是在紫外光和可见光范围内，在日常应用上也是很有价值的。离子气体激光器的工作能级一般离基态较远，此时电子具有较高的能量，所以要求的激光能量较高，能量转换效率较低。氩离子激光器是目前可见光范围内连续输出功率最强的激光器，但能量转换效率只
25、有万分之几至千分之几的水平。三、半导体激光器半导体激光器是用半导体材料制成的激光器，它具有效率高、体积小，质量轻及结构简单等优点。现已制成激光器的半导体材料有砷化镓，硫化镉、硒化锌等。其中砷化镓激光器是目前最成熟、应用较广泛的半导体激光器。半导体激光器产生激光的条件是导带中较多的电子，价带中有较多的空穴。当导带中的电子跃迁到价带中与空穴复合时，就辐射出一定波长的光。一旦电子在导带底部占有的几率和空穴在价带顶部占有的几率都超过50%，价带和导带之间就实现了粒子数反转。四、化学激光器 化学激光器是在化学反应过程中建立粒子数反转而产生激光的器件，它的激发源是化学反应中释放出来的能量，由于把化学能直接
26、转换成激光的能量，因此不需要外加的激发源。化学激光器的工作物质可能是参加化学反应的成分，也可能是反应过程中形成的原子、分子、离子或游离基。H2,F2 混合物激光器是常用的一种化学激光器，H2与F2的混合气体易反应生成HF。首先 F22F F+H2HF+H这个反应生成激发态的HF，然后H+F2HF+F反应过程中放出大量的能量（269KJmol-1），使形成的HF分子多数处在能量较高的亚稳定能级上，实现了粒子数反转。化学反应释放的能量是很大的，期望可获得大功率的激光输出，由于化学激光器是多种多样的，产生的激光波长相当丰富，从紫外到红外都有。五、液体激光器目前应用的液体激光器主要有两类一类是有有机染
27、料激光器，它的最大特点是输出波长可连续调节。一种固体激光器或气体激光器一般只能输出一种或少数几种波长的激光。有机染料激光器通过改变溶剂的种类，染料在溶液中的浓度或溶液的pH值等方法，可使输出的激光波长发生变化，用一台染料激光器便可获得多种波长的激光。常用的染料有酞菁、若丹明、香豆素等有机染料，分子中一般都有共轭双键的结构。另一类是无机液体激光器。工作原理基本上和固体激光器相似。常用的无机液体有掺Nd3+的氯化氧硒加四氯化锡（Nd3+:SeOCl2+SnCl4）,其中SeOCl2是溶剂、SnCl4是助溶剂。这类激光器的优点是制备简单，成本简单，成本低廉，光学质量高和功率大，缺点是热膨胀系数较大，
28、限制其重复频率。第三节 激光器的应用 一、激光加工激光具有能量高度集中的特点，其功率密度可达到108 Wcm-2以上，当功率密度为105-106 Wcm-2 时，已能使各种材料包括各种硬质合金和难熔物质熔化甚至气化。因此，激光广泛应用于打孔、焊接和切割等工业加工方面。与机械加工相比，激光加工具有速度快，质量好，装置简单、操作方便等优点，能加工某些用机械方法不能加工的工件，例如，金刚石是最硬的材料，用别的材料不能对它加工，但用激光却可以加工金刚石。二、激光通讯和激光电视光通讯比无线电通讯的传送路数多，这是因为光波的频率（1亿MHZ左右）比无线电波的频率（如中波约为1M HZ左右）要高得多。但是在
29、激光出现之前，光通讯应用不多，由于激光单色性好，亮度高，为光通讯提供了有力的工具。光导纤维，光缆代替电缆通讯，不受气候等恶劣条件的影响。在普通电视中，传送的电视图像显示在显像管的荧屏上。而在激光电视中，图像可以通过激光显示器显示在电影屏幕上。由于激光显示不需要在真空条件下工作，显示图像的屏幕可以摆在大气空间，这样电视的图像可以放得很大，面积可达3*4m2，使看电视和看电影一样。此外，由于激光的单色性好，只要用三种波长作为基色（红、绿、蓝）组合起来，就组成激光彩色电视。三、激光雷达雷达是一种活动的测距仪，发出的信号是有一定方向的，它向被测目标发射探测信号，然后通过测量反射信号的到达时间，强弱程度
30、和频率变化等参数来确定目标的距离，方位和运动速度。雷达的极限分辨率决定于波长，由于光波的波长比无线电波短的多，所以激光雷达的分辨率比无线电雷达高得多，激光雷达的测量精度也比无线电雷达高。无线电雷达的另一个缺点是易被敌方干扰，激光雷达由于光束细，不易被干扰。但是激光雷达受气候影响很大，而且由于光束细，用于大面积搜索和监视较困难。实际应用时，把无线电雷达和激光雷达结合使用，先用无线电雷达搜索目标，再用激光雷达精密跟踪。激光制导、导弹 星球大战计划 太阳光热或电激光四、激光引发、催化化学反应 有些化学反应在常温、常压下是不能进行的，但用激光照射后，使某种原子或分子进入激发态，从而导致化学反应地进行。
31、例如 在常压下将N2F4和NO的混合物加热至300，不发生化学反应，但是在常温常压下，用二氧化碳激光器照射后，立即发生化学反应。有些化学反应在通常条件下，速度较慢，用激光照射后可大大加快化学反应的速度。例如 BCl3与乙炔在200时反应很慢，需用甘汞做催化剂，但用激光照射后，不需使用催化剂也能加快反应速度: (光催化)激光还可用于精密计量，全息照相等方面，激光防伪标志。在医学上可用激光束作外科手术刀，这种光刀能烧灼伤口，从而阻止血液流失。在热核聚变上，利用激光可产生高温，高密度等离子体，引发聚变反应。在科学研究上，激光也有广泛的应用，不仅使光学获得迅速发展，而且正深入到力学、天文学、电子学等领域中去，引起许多重大的变革。工程材料与化学冯文麒 （注：本资料素材和资料部分来自网络，仅供参考。请预览后才下载，期待您的好评与关注！）
