1、主要内容：主要内容：l激光材料l光纤材料l发光材料l红外材料l液晶材料l光存储材料回顾回顾在物质的原子中，存在许多能级，最低能级在物质的原子中，存在许多能级，最低能级E1称为基称为基态，能量比基态大的能级态，能量比基态大的能级Ei(i=2, 3, 4 )称为激发态。称为激发态。(热力学平衡状态下，在较低能级上比较高能级上存热力学平衡状态下，在较低能级上比较高能级上存在较多的电子在较多的电子)电子在低能级电子在低能级E1的基态和高能级的基态和高能级E2的激发态之间的的激发态之间的跃迁有三种基本方式：跃迁有三种基本方式：受激吸收（本征吸收），受激吸收（本征吸收）， 自发自发辐射，受激辐射辐射，受激
2、辐射第四章光学材料4.1 4.1 激光材料激光材料激发态能量耗散途径激发态能量耗散途径第四章光学材料4.1 4.1 激光材料激光材料振动弛豫振动弛豫传能，淬灭传能，淬灭辐射跃迁辐射跃迁无辐射跃迁无辐射跃迁荧光荧光磷光磷光内转换内转换系间窜跃系间窜跃回顾回顾第四章光学材料4.1 4.1 激光材料激光材料hE2E1E2E1h=E2-E1E2E1E2E1hE2E1E2E1(1)受激吸收受激吸收 在正常状态下，电子处于低能级在正常状态下，电子处于低能级E1，在入射光作用下，在入射光作用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级它会吸收光子的能量跃迁到高能级E2上，这种跃迁称上，这种跃迁称为受激吸收。电子跃迁后
3、，在低能级留下相同数目的空为受激吸收。电子跃迁后，在低能级留下相同数目的空穴。穴。(2)自发辐射自发辐射 在高能级在高能级E2的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，的电子是不稳定的，即使没有外界的作用， 也会自动地跃迁到低能级也会自动地跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射。量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射。 (3)受激辐射受激辐射 在高能级在高能级E2的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级低能级E1上与空穴复合，释放的能量产生光辐射，这上与空穴复合，释放的能量产生光辐射，这种跃迁
4、称为受激辐射。种跃迁称为受激辐射。第四章光学材料4.1 4.1 激光材料激光材料受激辐射受激辐射和和自发辐射自发辐射区别在于是否有外来光子的参与，且区别在于是否有外来光子的参与，且产生的光的特点很不相同。产生的光的特点很不相同。受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为相干光。种光称为相干光。自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为非相
5、干光。非相干光。受激辐射和受激吸收的区别与联系受激辐射和受激吸收的区别与联系受激辐射是受激吸收的逆过程。电子在受激辐射是受激吸收的逆过程。电子在E1和和E2两个能级之间跃两个能级之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件，即迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件，即E2E1h式中，式中，h=6.62810-34Js，为普朗克常数，为普朗克常数， 为吸收或辐射的光为吸收或辐射的光子频率。子频率。 第四章光学材料4.1 4.1 激光材料激光材料产生受激辐射和产生受激吸收的物质是不同的。设在单位物质产生受激辐射和产生受激吸收的物质是不同的。设在单位物质中，处于低能级中，处于
6、低能级E1和处于高能级和处于高能级E2(E2E1)的原子数分别为的原子数分别为N1和和N2。当系统处于热平衡状态时，存在下面的玻尔兹曼分布当系统处于热平衡状态时，存在下面的玻尔兹曼分布 式中，式中， k=1.38110-23J/K，为玻尔兹曼常数，为玻尔兹曼常数，T为热力学温度。为热力学温度。由于由于(E2-E1)0，T0，所以在这种状态下，总是，所以在这种状态下，总是N1N2。 这这是因为电子总是首先占据低能量的轨道。是因为电子总是首先占据低能量的轨道。第四章光学材料4.1 4.1 激光材料激光材料受激吸收和受激辐射的速率分别比例于受激吸收和受激辐射的速率分别比例于N1和和N2，且比例系数，
7、且比例系数(吸收和辐射的概率吸收和辐射的概率)相等。相等。l如果如果N1 N2，即受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物，即受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质时，光强按指数衰减，质时，光强按指数衰减， 这种物质称为这种物质称为吸收物质吸收物质。 l如果如果N2 N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物，即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质时，会产生放大作用，这种物质称为质时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质激活物质。lN2 N1的分布，和正常状态的分布，和正常状态(N1 N2)的分布相反，所以称的分布相反，所以称为粒子为粒子(电子电子)数反转分布。数反转分布。第四章光学材料4.1
8、 4.1 激光材料激光材料问题：如何得到粒子数反转分布的状态呢问题：如何得到粒子数反转分布的状态呢? l强光对激光物质进行照射固体激光器强光对激光物质进行照射固体激光器l注入载流子半导体激光器注入载流子半导体激光器l气体电离气体激光器气体电离气体激光器第四章光学材料4.1 4.1 激光材料激光材料光光增增益益第一节激光材料第一节激光材料一、激光的特性和激光器的基本结构一、激光的特性和激光器的基本结构l 激光的特性激光的特性定向性或准直性好定向性或准直性好一般光线是发散开来的。一般光线是发散开来的。波长单一，即单色性好波长单一，即单色性好一般光通常是由几种不同频率的光组成的。一般光通常是由几种不
9、同频率的光组成的。具有相干性具有相干性激光的光波都是同相位的，可以互相增强，而一般光是非相干的。激光的光波都是同相位的，可以互相增强，而一般光是非相干的。强度大，亮度高。强度大，亮度高。激光的上述四个特性都很重要，每一个特性都能开发出许激光的上述四个特性都很重要，每一个特性都能开发出许 多重要的应用。多重要的应用。第四章光学材料4.1 4.1 激光材料激光材料l 激光器的基本结构激光器的基本结构激光介质激光介质即激光材料。即激光材料。激励装置激励装置激光产生的能源，作用激光产生的能源，作用是把原子源源不断地激励是把原子源源不断地激励到高能级上，实现到高能级上，实现“粒子粒子数反转数反转”。激励
10、装置也叫。激励装置也叫“泵浦泵浦”，它可以是光源，它可以是光源泵、电流泵，也可以是激泵、电流泵，也可以是激光器泵另一个激光器。光器泵另一个激光器。激光器的三个基本组成部分激光器的三个基本组成部分高高反反射射镜镜部部分分透透过过反反向向镜镜第四章光学材料4.1 4.1 激光材料激光材料反馈系统反馈系统又称谐振腔。通常由两端各一个反射镜组成，镜子能将激光介质所产又称谐振腔。通常由两端各一个反射镜组成，镜子能将激光介质所产生的相干光反射回到介质中，使其来回振荡，光子就越积越多，产生生的相干光反射回到介质中，使其来回振荡，光子就越积越多，产生 “放放大大”的作用。的作用。二、固体激光器材料二、固体激光
11、器材料 l 固体激光器材料应具备的条件固体激光器材料应具备的条件应具有合适的光谱特性应具有合适的光谱特性激发态吸收要小激发态吸收要小具有良好的光学均匀性和稳定性具有良好的光学均匀性和稳定性应具有良好的物化性能应具有良好的物化性能l 固体激光工作物质固体激光工作物质 固体激光工作物质由激活离子和基质晶体两部分构成。固体激光工作物质由激活离子和基质晶体两部分构成。1 1、激活离子、激活离子（1 1）激活离子的作用）激活离子的作用实现粒子数反转。实现粒子数反转。激活离子在固体中提供亚稳态能级，由光泵作用激发振荡出一定波激活离子在固体中提供亚稳态能级，由光泵作用激发振荡出一定波长的激光，即实现将低能级
12、上的粒子长的激光，即实现将低能级上的粒子“抽运抽运”到高能级上去。激活离子到高能级上去。激活离子是激光晶体的发光中心，激光的波长即由激活离子的种类决定。是激光晶体的发光中心，激光的波长即由激活离子的种类决定。第四章光学材料4.1 4.1 激光材料激光材料（2 2）激活离子的种类）激活离子的种类 过渡金属离子过渡金属离子 TiTi3+3+、V V2+2+、CrCr3+3+、CoCo2+2+、NiNi2+2+和和CuCu+ +等，在不同晶体中，其光谱特性有等，在不同晶体中，其光谱特性有 很大差异。很大差异。 三价稀土离子三价稀土离子镧系稀土元素镧系稀土元素NdNd3+3+( (钕钕) )、PrPr
13、3+3+( (镨镨) )、SmSm3+3+( (钐钐) )、EuEu3+3+( (铕铕) )、DyDy3+3+( (镝镝) )、 HoHo3+3+( (钬钬) )、ErEr3+3+( (铒铒) )、TmTm3+3+( (铥铥) )和和YbYb3+3+( (镱镱) )等，以等，以NdNd3+3+最常见。对一般光最常见。对一般光 泵的吸收效率较低，因此应采用敏化技术或提高掺杂浓度等措施来提泵的吸收效率较低，因此应采用敏化技术或提高掺杂浓度等措施来提高效率。高效率。 二价稀土离子二价稀土离子SmSm2+2+、TmTm2+2+、ErEr2+2+和和DyDy2+2+等。有利于泵浦光的吸收，但不稳定。等。
14、有利于泵浦光的吸收，但不稳定。 锕系离子锕系离子主要是主要是U U3+3+。由于有放射性，不易制备，使用不方便，实用较困难。由于有放射性，不易制备，使用不方便，实用较困难。 第四章光学材料4.1 4.1 激光材料激光材料激激励励抽抽运运W21E1E2E3E0E3 E1寿命短寿命短,E2 是亚稳态是亚稳态.因此能容易实现因此能容易实现E2与与E1四能级体系效率高四能级体系效率高激激励励抽抽运运E1E2E3W21E3与与E1构成一个宽吸收带构成一个宽吸收带E3上的原子无辐射跃迁到上的原子无辐射跃迁到E2E2与与E1构成粒子数反转构成粒子数反转.三能级体系效率不高三能级体系效率不高.能级的粒子数反转
15、能级的粒子数反转.激活离子激活离子YAG : Nd（Y3Al5O12）KTP（KTiOPO4） CLBO（CsLiB6O12）2 2、基质晶体。、基质晶体。（1 1）基质晶体的要求）基质晶体的要求基质晶体一般是单晶体，应有良好的机械强度、良好的导热性和较小基质晶体一般是单晶体，应有良好的机械强度、良好的导热性和较小的光弹性，对产生激光的吸收应接近零，且光学性能均匀。的光弹性，对产生激光的吸收应接近零，且光学性能均匀。基质晶体都是基质晶体都是“宝石宝石”。一些常见的激光晶体一些常见的激光晶体第四章光学材料4.1 4.1 激光材料激光材料（2 2）基质晶体的种类）基质晶体的种类 氟化物晶体氟化物晶
16、体 CaFCaF2 2、BaFBaF2 2、SrFSrF2 2、LaFLaF3 3、MgFMgF2 2等，立方形晶体结构。等，立方形晶体结构。特点：特点：熔点较低，易于生长单晶。宜在低温下工作，现应用较少。熔点较低，易于生长单晶。宜在低温下工作，现应用较少。适用的激活离子：适用的激活离子：锕系离子锕系离子U U3+3+，稀土元素，稀土元素SmSm3+3+、DyDy3+3+、TmTm3+3+、NdNd3+3+和过和过 渡金属离子渡金属离子CoCo2+2+、NiNi2+2+等。等。 含氧金属酸化物晶体（阴离子络合物）含氧金属酸化物晶体（阴离子络合物）CaWOCaWO4 4、CaMnOCaMnO4
17、4、LiNbOLiNbO4 4、Ca(POCa(PO4 4) )3 3F F等。等。特点：特点：掺杂时需要电荷补偿，是一种四能级机构的工作物质。掺杂时需要电荷补偿，是一种四能级机构的工作物质。适用的激活离子：适用的激活离子：三价稀土离子。三价稀土离子。 金属氧化物晶体金属氧化物晶体如如AlAl2 2O O3 3、Y Y3 3AlAl5 5O O1212、ErEr2 2O O3 3、Y Y2 2O O3 3等。等。特点：特点：熔点高、硬度大、物理化学性能稳定，应用最广泛。熔点高、硬度大、物理化学性能稳定，应用最广泛。适用的激活离子：适用的激活离子：三价过渡金属或三价稀土离子，如三价过渡金属或三价
18、稀土离子，如CrCr3+3+、NdNd3+3+等。等。第四章光学材料4.1 4.1 激光材料激光材料l 红宝石激光晶体（红宝石激光晶体（AlAl2 2O O3 3:Cr:Cr3+3+） 优点：优点：晶体的物化性能好，硬度高，抗破坏能力强，同时对泵浦光的吸晶体的物化性能好，硬度高，抗破坏能力强，同时对泵浦光的吸收特性好，可在室温条件下获得收特性好，可在室温条件下获得694.3nm694.3nm的可见激光振荡。的可见激光振荡。 缺点：缺点：属三能级结构，产生激光的阈值较高。属三能级结构，产生激光的阈值较高。 工作原理：工作原理： 主要用途：主要用途： 激光器基础研究、强光光学研究、激光光谱研究、激
19、光照相和全息技激光器基础研究、强光光学研究、激光光谱研究、激光照相和全息技术、激光雷达与测距技术等。术、激光雷达与测距技术等。红宝石激光器的基本构造红宝石激光器的基本构造能能量量E0E3E2E1非辐射跃迁非辐射跃迁受激辐射跃迁受激辐射跃迁694.3nm红宝石中铬离子能级示意图红宝石中铬离子能级示意图第四章光学材料4.1 4.1 激光材料激光材料量子效率：优质红宝石可达量子效率：优质红宝石可达0.7，普通红宝石，普通红宝石0.5l 钕钇铝石榴石激光晶体钕钇铝石榴石激光晶体(YAG:Nd(YAG:Nd3+3+) ) 优点：优点： 属四能级系统，产生激光的阈值较低。属四能级系统，产生激光的阈值较低。
20、力学、热学和光学性能良好。力学、热学和光学性能良好。缺点：缺点： 荧光寿命较短，荧光谱线较窄，工作荧光寿命较短，荧光谱线较窄，工作粒子在激光跃迁到高能级上不易得到大粒子在激光跃迁到高能级上不易得到大量积累，激光储能较低，以脉冲方式运量积累，激光储能较低，以脉冲方式运转时，输出激光脉冲的能量和峰值功率转时，输出激光脉冲的能量和峰值功率都受到限制。都受到限制。能能量量E0E3E1非辐射跃迁非辐射跃迁受激辐射跃迁受激辐射跃迁钕钇铝石榴石激光晶体中钕钇铝石榴石激光晶体中Nd+3的四能级系统示意图的四能级系统示意图E2主要用途：主要用途： 主要应用于军用激光测距仪和制导用激光照明器。这种激光器还是唯一能
21、主要应用于军用激光测距仪和制导用激光照明器。这种激光器还是唯一能 在常温下连续工作，且有较大功率的固体激光器。在常温下连续工作，且有较大功率的固体激光器。第四章光学材料4.1 4.1 激光材料激光材料量子效率接近量子效率接近1三、半导体激光器的基本结构三、半导体激光器的基本结构l 基本结构基本结构 + + + + + +- - - - - -反射镜面反射镜面（晶体劈开面）（晶体劈开面）激光束激光束激光束激光束电极电极空穴流空穴流电子流电子流活性区活性区p区区n区区半导体激光器的基本结构半导体激光器的基本结构第四章光学材料4.1 4.1 激光材料激光材料l 半导体激光器产生激光的条件半导体激光器
22、产生激光的条件 （1 1）利用电流注入的少数载流子复合时放出的能量须高效率变换为光。）利用电流注入的少数载流子复合时放出的能量须高效率变换为光。 一般必须是直接带隙半导体。一般必须是直接带隙半导体。 （2 2）在引起反转分布时要注入足够浓度的载流子。）在引起反转分布时要注入足够浓度的载流子。 载流子浓度低于某一阈值，仅引起注入发光，但不会发生激光。载流子浓度低于某一阈值，仅引起注入发光，但不会发生激光。 （3 3）具备谐振器。）具备谐振器。 利用垂直于结面而且平行的二极管两个侧面作为反射镜即可。利用垂直于结面而且平行的二极管两个侧面作为反射镜即可。 第四章光学材料4.1 4.1 激光材料激光材
23、料01234gE价 带 1 1 1 1 0 0 导 带能量能量/eVG aA sE0.31p动量2101234gE价 带111100导 带能量能量/eVS ip动量小提示：小提示：直接带隙半导体直接带隙半导体又称直接跃迁半导体，导带的最小值和价带的最大值均位于布里渊区内同一波数处的半导体，毋须声子参与，又称直接跃迁半导体，导带的最小值和价带的最大值均位于布里渊区内同一波数处的半导体，毋须声子参与，其中自由电子和空穴间能直接复合。它具有量子效率高的特点，其中自由电子和空穴间能直接复合。它具有量子效率高的特点，GaAsGaAs是一种典型的直接带隙半导体。是一种典型的直接带隙半导体。间接带隙半导体间
24、接带隙半导体又称间接跃迁半导体，导带底和价带顶都不在布里渊区内相同波数处的半导体，其中自由电子和空穴间不能直又称间接跃迁半导体，导带底和价带顶都不在布里渊区内相同波数处的半导体，其中自由电子和空穴间不能直接复合，必须有声子参与才能复合，量子效率低。接复合，必须有声子参与才能复合，量子效率低。GaPGaP是此类半导体之一。是此类半导体之一。 (a) P-N结内载流子运动结内载流子运动 P 区区PN结空结空间电间电荷区荷区N 区区内部电场内部电场 扩散扩散 漂移漂移势垒势垒能量能量EpcP区区EncEfEpvN区区Env(b) 零偏压时零偏压时P-N结结的能带倾斜图的能带倾斜图hhEfEpcEpf
25、EpvEncnEnv电子，电子，空穴空穴内部电场内部电场外加电场外加电场正向偏压下正向偏压下P-N结能带图结能带图增益区（作用区）的产生：增益区（作用区）的产生： 在在PNPN结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外加电场，结果能带倾斜减小，扩结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外加电场，结果能带倾斜减小，扩散增强。电子运动方向与电场方向相反，便使散增强。电子运动方向与电场方向相反，便使N N区的电子向区的电子向P P区运动，区运动，P P区的空穴向区的空穴向N N区运动，区运动，最后在最后在PNPN结形成一个特殊的结形成一个特殊的增益区增益区。 增益区的导带主要是电子，价带主要是空
26、穴，结果获得增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得粒子数反转分布粒子数反转分布。 在电子和空穴扩散过程中，导带的电子可以跃迁到价带和空穴复合，产生在电子和空穴扩散过程中，导带的电子可以跃迁到价带和空穴复合，产生自发辐射光自发辐射光, ,这这些光子将引起处于反转分布状态的非平衡载流子产生受激复合而发射受激辐射光子。些光子将引起处于反转分布状态的非平衡载流子产生受激复合而发射受激辐射光子。 产生粒子数反转分布的条件：产生粒子数反转分布的条件：npffgEEEVqq当给当给PN 结加以正向电压结加以正向电压V时时，原来，原来的自建场将被削弱，势的自建场将被削弱，势垒降低，破坏了原来的平衡，
27、引起多数载流子流入对方，使得垒降低，破坏了原来的平衡，引起多数载流子流入对方，使得两边的少数载流子比平衡时增加了，这些增加的少数载流子称两边的少数载流子比平衡时增加了，这些增加的少数载流子称为为“非平衡载流子非平衡载流子”。这种现象叫做。这种现象叫做“载流子注入载流子注入”。粒子数就是载流子数。正常情况下，电子总是从低能态的价带粒子数就是载流子数。正常情况下，电子总是从低能态的价带填充起，填满价带后才填充导带。如果我们能利用光或电注入填充起，填满价带后才填充导带。如果我们能利用光或电注入的办法，便在的办法，便在PN 附近够成大量的非平衡载流子，在此其复附近够成大量的非平衡载流子，在此其复合寿命
28、更短的时间内电子在导带、空穴在价带分别达到暂时合寿命更短的时间内电子在导带、空穴在价带分别达到暂时的平衡，则在这一段时间内简并化分布的导带电子和价带空穴的平衡，则在这一段时间内简并化分布的导带电子和价带空穴就处于相对反转分布的状态就处于相对反转分布的状态。对于重掺杂的对于重掺杂的 GaAs PN 结，在结，在PN 结的附近，导带中有电结的附近，导带中有电子而价带中有空穴，这一小段区域称为子而价带中有空穴，这一小段区域称为“作用区作用区”。如果电子。如果电子从导带中向价带中跃迁，则将释放光子，并在谐振腔的反馈作从导带中向价带中跃迁，则将释放光子，并在谐振腔的反馈作用下，产生受激辐射。当然，价带中
29、的电子也可能在光子的激用下，产生受激辐射。当然，价带中的电子也可能在光子的激发下跃迁到导带中，即所谓受激吸收，而要产生激光输出自然发下跃迁到导带中，即所谓受激吸收，而要产生激光输出自然要求要求受激发射的受激发射的速率大于速率大于受激吸收的受激吸收的速率速率。导带底电子的占据几率导带底电子的占据几率价带顶空穴的占据几率价带顶空穴的占据几率价带顶电子占据几率则为价带顶电子占据几率则为在结区导带底和价带顶实现粒子（电子）数反转的条件是在结区导带底和价带顶实现粒子（电子）数反转的条件是此式便是此式便是半导体激光器的载流子反转分布条件。其物理意义是：半导体激光器的载流子反转分布条件。其物理意义是：1.工
30、作区中导带能级的电子占有几率大于价带能级中的电子占有几率。工作区中导带能级的电子占有几率大于价带能级中的电子占有几率。2.因为发射的光子能量基本等于禁带宽度因为发射的光子能量基本等于禁带宽度Eg，因而要求，因而要求 ，而，而PN 结两边的结两边的P型和型和N型半导体都必须高掺杂，从而使电子和空穴的准费米型半导体都必须高掺杂，从而使电子和空穴的准费米能级分别进入导带和价带。能级分别进入导带和价带。3. 所加的正向偏压必须满足所加的正向偏压必须满足npffgEEEVee111pvfnvpvEEkTfEfEe 激光振荡的产生激光振荡的产生粒子数反转分布（必要条件粒子数反转分布（必要条件)+ 激活物质
31、置于光学谐振激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择腔中，对光的频率和方向进行选择 = 连续的光放大和连续的光放大和激光振荡输出。激光振荡输出。 基本的光学谐振腔由两个反射率分别为基本的光学谐振腔由两个反射率分别为R1和和R2的平的平行反射镜构成，并被称为法布里行反射镜构成，并被称为法布里-珀罗珀罗(Fabry Perot, FP)谐振腔。谐振腔。由于谐振腔内的激活物质具有粒子数反转分布，可以由于谐振腔内的激活物质具有粒子数反转分布，可以用它产生的自发辐射光作为入射光。用它产生的自发辐射光作为入射光。激光稳定工作的条件激光稳定工作的条件1 1：合适的谐振腔：合适的谐振腔2/Lmn产生
32、稳定振荡的条件（相位条件）产生稳定振荡的条件（相位条件）m 纵模模数，纵模模数，n 激光媒质的折射率激光媒质的折射率注入电流注入电流有源区有源区解理面解理面解理面解理面L增益介质增益介质R1R2z=0z=L 法布里珀罗腔法布里珀罗腔 只有当增益等于或大于总损耗时，才能建立起稳定的只有当增益等于或大于总损耗时，才能建立起稳定的振荡，这一增益称为振荡，这一增益称为阈值增益阈值增益。为达到阈值增益所要求。为达到阈值增益所要求的注入电流称为的注入电流称为阈值电流阈值电流。 一个纵模只有在其增益大于或等于损耗时，才能成一个纵模只有在其增益大于或等于损耗时，才能成为工作模式，即在该频率上形成激光输出。为工
33、作模式，即在该频率上形成激光输出。 激光稳定工作的条件激光稳定工作的条件2 2：光增益等于或大于总损耗：光增益等于或大于总损耗在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡的在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡的阈值条件为阈值条件为 式中，式中，th th 为阈值增益系数，为阈值增益系数，为谐振腔内激活物质的损为谐振腔内激活物质的损耗系数，耗系数，L L为谐振腔的长度，为谐振腔的长度，R R1 1，R R2 21 n2光的全反射原理光的全反射原理2211sinsinnnn1n2折射率折射率 n1 n2光在光纤中的传输路径光在光纤中的传输路径第四章光学材料4.2 4.2 光纤材料光纤材料l 光的传输模式光的传输模
34、式 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，或称为光的一种波型。式，或称为光的一种波型。 传输模式是光纤最基本的传输特性之一。传输模式是光纤最基本的传输特性之一。 两种模式的光纤：两种模式的光纤：单模光纤：单模光纤：直径仅直径仅310 m，与光波的波长相近，只允许传输一个模式的光波。，与光波的波长相近，只允许传输一个模式的光波。多模光纤：多模光纤：直径为几十至上百微米，允许同时传输多个模式的光波。直径为几十至上百微米，允许同时传输多个模式的光波。第四章光学材料4.2 4.2 光纤材料光纤材料由光学损耗引起的光脉
35、冲振幅衰减由光学损耗引起的光脉冲振幅衰减由光学色散引起的光脉冲失真由光学色散引起的光脉冲失真 第四章光学材料4.2 4.2 光纤材料光纤材料由光学损耗引起的光脉冲振幅衰减由光学损耗引起的光脉冲振幅衰减由光学色散引起的光脉冲失真由光学色散引起的光脉冲失真 （dB/km）第四章光学材料4.2 4.2 光纤材料光纤材料四、光纤材料的种类四、光纤材料的种类l 按纤芯折射率按纤芯折射率光纤光纤阶跃型光纤阶跃型光纤梯度型光纤梯度型光纤多模光纤多模光纤单模光纤单模光纤包层包层包层包层包层包层包层包层包层包层包层包层纤芯纤芯纤芯纤芯ABCABCA折射率分布折射率分布折射率分布折射率分布折射率分布折射率分布a)
36、n2 n1n2 n1n2 n1b)c)光纤的种类和光的传播光纤的种类和光的传播a) 阶跃型多模光纤（阶跃型多模光纤（SI光纤）光纤）b) 梯度型多模光纤（梯度型多模光纤（GI光纤）光纤）c) 单模光纤（单模光纤（SM光纤）光纤）第四章光学材料4.2 4.2 光纤材料光纤材料l 按材料组分按材料组分l 按传输模数按传输模数l 从传感角度从传感角度光纤光纤石英玻璃光纤石英玻璃光纤多组分玻璃光纤多组分玻璃光纤塑料（聚合物）光纤塑料（聚合物）光纤光纤光纤多模光纤多模光纤单模光纤单模光纤光纤光纤传输光纤传输光纤功能光纤功能光纤第四章光学材料4.2 4.2 光纤材料光纤材料五、光纤材料及制造五、光纤材料及
37、制造l 石英玻璃光纤石英玻璃光纤（1 1）石英预制棒的）石英预制棒的MCVDMCVD法制备法制备 制成的石英预制棒外径一般在制成的石英预制棒外径一般在10mm以上。以上。 制备石英玻璃预制棒制备石英玻璃预制棒 拉丝拉丝气态原料气态原料废气废气石英管石英管氢氧焰氢氧焰玻璃微粒玻璃微粒MCVD法制备石英预制棒法制备石英预制棒2224Cl2SiOOSiCl2224Cl2OeGOGeCl25223Cl6OP2O34POCl23223Br6OBO34BBr载气：超纯载气：超纯O O2 2原料气：超纯原料气：超纯SiClSiCl4 4掺杂剂：掺杂剂：GeClGeCl4 4、BBrBBr3 3、POClPO
38、Cl3 3GeOGeO2 2增大折射率，增大折射率，P P2 2O O5 5和和B B2 2O O3 3减小折射率减小折射率 第四章光学材料4.2 4.2 光纤材料光纤材料（2 2）拉丝工艺）拉丝工艺 石英预制棒石英预制棒加热炉加热炉线径测定仪线径测定仪线径线径控制电路控制电路卷筒卷筒硬化部分硬化部分塑料涂覆部分塑料涂覆部分拉丝装置拉丝装置光纤拉出时保持折射率的分布光纤拉出时保持折射率的分布从加热炉上方插入预制棒，在从加热炉上方插入预制棒，在18001800 C C左右加热熔化顶端，在下方卷绕纤维。左右加热熔化顶端，在下方卷绕纤维。直径从预制棒到纤维急剧减小，但断面直径从预制棒到纤维急剧减小，
39、但断面折射率分布保持原样。折射率分布保持原样。MCVDMCVD法制备出的是梯度型光纤。法制备出的是梯度型光纤。第四章光学材料4.2 4.2 光纤材料光纤材料l 多组分玻璃光纤多组分玻璃光纤 组成：组成：主要成分主要成分SiOSiO2 2，另含有，另含有NaNa2 2O O、K K2 2O O、CaOCaO、B B2 2O O3 3、TiOTiO2 2等。等。 特点：特点：光纤材料熔点低，制作设备简光纤材料熔点低，制作设备简单，可制成几十千米的长纤维。但损单，可制成几十千米的长纤维。但损耗较大（耗较大（4 47dB/km)7dB/km)，光通信上极少，光通信上极少采用。采用。 制备：制备：双坩埚
40、法双坩埚法 应用：应用：对损耗要求不是非常苛刻的传对损耗要求不是非常苛刻的传感器。感器。双坩埚法一般制成的是阶跃型光纤。双坩埚法一般制成的是阶跃型光纤。坩埚坩埚纤芯用玻璃纤芯用玻璃包层用玻璃包层用玻璃加热器加热器纤维纤维采用双坩埚的拉丝法采用双坩埚的拉丝法第四章光学材料4.2 4.2 光纤材料光纤材料l 聚合物光纤聚合物光纤 聚合物光纤是以透明聚合物（或石英玻璃）为纤芯，用比纤芯折射聚合物光纤是以透明聚合物（或石英玻璃）为纤芯，用比纤芯折射率低的聚合物为包层所组成的能传输光线的纤维。率低的聚合物为包层所组成的能传输光线的纤维。 组成：组成：纤芯用聚甲基丙烯酸甲酯纤芯用聚甲基丙烯酸甲酯( (有机
41、玻璃，有机玻璃，PMMA)PMMA)或聚苯乙烯或聚苯乙烯(PS)(PS)，包层用含氟聚合物。包层用含氟聚合物。 特点：特点：可挠性好、质轻、加工容易。但耐热性和耐候性较差、传输损可挠性好、质轻、加工容易。但耐热性和耐候性较差、传输损耗较大、频带窄。耗较大、频带窄。l 晶体光纤晶体光纤有单晶与多晶两类。主要有有单晶与多晶两类。主要有YAGYAG（Y Y3 3AlAl5 5O O1212）系、）系、YAPYAP（YAlOYAlO3 3）系、）系、AlAl2 2O O3 3系、系、LNLN（LiNbLiNb2 2O O3 3）系、）系、LBOLBO（LiBLiB3 3O O5 5）系、）系、BSOB
42、SO（BiBi1212SiOSiO2020）系和）系和卤化物系等晶体光纤。卤化物系等晶体光纤。优点：优点：具有更宽的红外波段窗口、与普通光纤良好的耦合性能。具有更宽的红外波段窗口、与普通光纤良好的耦合性能。 第四章光学材料4.2 4.2 光纤材料光纤材料六、光纤材料的应用及展望六、光纤材料的应用及展望l 光学系统中的应用光学系统中的应用 光学纤维潜望镜、自准直系统、平像场器、光学纤维换向器。光学纤维潜望镜、自准直系统、平像场器、光学纤维换向器。l 光电系统中的应用光电系统中的应用 像增强器、像增强器、X射线像增强器、阴极射线管和变像管。射线像增强器、阴极射线管和变像管。l 传感技术中的应用传感
43、技术中的应用 各种光纤传感器，如光纤声、光纤磁、光纤温度、光纤网络和光纤辐射各种光纤传感器，如光纤声、光纤磁、光纤温度、光纤网络和光纤辐射传感器。传感器。l 医学领域中的应用医学领域中的应用 内窥镜，如腹腔镜、胃镜等，以及内窥镜，如腹腔镜、胃镜等，以及“光刀光刀”，用于诊断和手术。，用于诊断和手术。l 通信技术中的应用通信技术中的应用 光纤通信具有容量大，抗干扰，保密性好，重量轻、抗潮湿和抗腐蚀等光纤通信具有容量大，抗干扰，保密性好，重量轻、抗潮湿和抗腐蚀等优点。优点。l 未来的光纤未来的光纤第四章光学材料4.2 4.2 光纤材料光纤材料第三节发光材料第三节发光材料平衡辐射和非平衡辐射平衡辐射
44、和非平衡辐射l平衡辐射只与辐射体的温度和发射本领有关，如白炽灯的发光。l非平衡辐射在外界激发下物体偏离了原来的热平衡，继而发出的辐射。自然界自然界中物质的运动都靠能量及其转换，把各种能量转换为光能的过程主要有两种：其一是热辐射；其二是发光。而它们都中物质的运动都靠能量及其转换，把各种能量转换为光能的过程主要有两种：其一是热辐射；其二是发光。而它们都需要中间的媒介。如从这个中间媒介的个别原子或分子中发生的过程来看，两个原子或分子可以分别独立地自发发光，而无需要中间的媒介。如从这个中间媒介的个别原子或分子中发生的过程来看，两个原子或分子可以分别独立地自发发光，而无需协调它们的相位，因而它们的发光不
45、是相干的；在热辐射中两个原子或分子也经历着这种互不相干的过程。需协调它们的相位，因而它们的发光不是相干的；在热辐射中两个原子或分子也经历着这种互不相干的过程。所以就单个原所以就单个原子或分子而言，发光同温度辐射并无不同。子或分子而言，发光同温度辐射并无不同。但就这个中间媒介的整体发光而言，它们就截然不同了，当物质温度升高时，但就这个中间媒介的整体发光而言，它们就截然不同了，当物质温度升高时，从从400K就就开始有可见光发出，并逐渐蓝移，它的光谱分布、发光强度都符合热辐射的开始有可见光发出，并逐渐蓝移，它的光谱分布、发光强度都符合热辐射的规律规律（一切温度高于绝对零度的物体都能（一切温度高于绝对
46、零度的物体都能产生热辐射，温度愈高，辐射出的总能量就愈大，短波成分也愈多。热辐射的光谱是连续谱，波长覆盖范围理论上可从产生热辐射，温度愈高，辐射出的总能量就愈大，短波成分也愈多。热辐射的光谱是连续谱，波长覆盖范围理论上可从0直直至至+）。而发光则不然，在室温下看不到发光体的热辐射，但受到能量激发时发光体则可发出强烈的、耀眼的可见光。它的而发光则不然，在室温下看不到发光体的热辐射，但受到能量激发时发光体则可发出强烈的、耀眼的可见光。它的光谱是发光体的特征，不因温度而变。冷热不是光的属性，但是低温更有利于发光体的发光，人们常称发光为冷光光谱是发光体的特征，不因温度而变。冷热不是光的属性，但是低温更
47、有利于发光体的发光，人们常称发光为冷光。第四章光学材料4.3 4.3 发光材料发光材料第三节发光材料第三节发光材料光发射的定义光发射的定义l当某种物质受到诸如光的照射、外加电场或电子束轰击等的激发后，只要该物质不会因此而发生化学变化，它总要回复到原来的平衡状态。在这个过程中，一部分多余的能量会通过光或热的形式释放出来。如果这部分能量是以可见光或近可见光的电磁波形式发射出来的，就称这种现象为发光。概括地说，发光就是物质在热辐射之外以光的形式发射出多余的能量，并且这种多余能量的发射过程具有一定的持续时间。l自然界中很多物质都可发光，但近代显示技术所用的发光材料主要是无机化合物，在固体材料中主要是采
48、用禁带宽度较大的绝缘体，其次的半导体它们通常以多晶粉末、薄膜或单晶的形式被应用。l从应用的角度，主要关注材料的光学性能包括：发光颜色、发光强度及延续时间等。第四章光学材料4.3 4.3 发光材料发光材料第三节发光材料第三节发光材料发光的两个主要特征发光的两个主要特征l任何物体在一定温度下都有热辐射，发光是物体吸收外来能量后所发出的总辐射中超出热辐射的部分；发光现象的第一个特征强调的是：发光是物体热辐射之外的一种“过量的”辐射，这种辐射的持续时间要超过光的振动周期。魏德曼规定了这个定义的第一部分，它强调的是发光与热体的光辐射不同，发光材料的发光不需要加热（“冷光”）。l当外界激发源对物体的作用停
49、止后，发光现象还会持续一定的时间，称为余辉。瓦维洛夫补充了定义的第二部分，定义了这种发光现象在激发停止后仍持续一段时间。把发光与光的反射、散射造成的光辐射以及带电粒子的契伦科夫辐射所引起的光辐射区别开来。所列举的上述各种类型的光辐射现象在“激发”停止后都会立即消失，是瞬态的效应，不会有持续的余辉。第四章光学材料4.3 4.3 发光材料发光材料光的基本物理量光的基本物理量l球面度l发光强度l光通量l光照度（照度）l辐照度（辐射照度）l亮度第四章光学材料4.3 4.3 发光材料发光材料光的基本物理量光的基本物理量l球面度由于光源是在三维的空间范围内辐射光能，对于其传播范围的描述只能用一个立体的锥角
50、进行表征，即立体角。立体角常用表示，它体现的是一个三维的张角。以球心为顶点在球的表面切割等于球半径平方的面积所对应的的立体角为一球面弧度。球面度球面度 （steradiansteradian，符号，符号srsr）是）是立体立体角的国际单位角的国际单位 。它可算是三维的弧度 。其英文字是希腊语立体（stereos）和弧度（radian）的混合。1球面度所对应的立体角所对应的球面表面积为 r2。球表面积为4r2，因此整个球有4 个球面度，即=S/r2。第四章光学材料4.3 4.3 发光材料发光材料光的基本物理量光的基本物理量l发光强度 Luminous intensity用于表示光源在给定方向上单
