激光玻璃.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,激光玻璃,1,目录,激光玻璃概念,激光玻璃是一种以玻璃为基质的固体,激光玻璃发展及特点,因为该样品在短波区的透过率不高,2,激光玻璃概念,激光玻璃是一种以玻璃为基质的固体激光材料。它广泛应用于各类型固体激光光器中，并成为高功率和高能量激光器的主要激光材料。,激光玻璃由基质玻璃和激活离子两部分组成。激光玻璃各种物理化学性质主要由基质玻璃决定，而它的光谱性质则主要由激活离子决定。但是基质玻璃与激活离子彼此间互相作用，所以激活离子对激光玻璃的物理化学性质有一定的影响，而基质玻璃对它的光谱性质的影响有时还是相当重要的。,3,激光器是,60,年代初出现的一种新光源，它具有高亮度、方向性和单色性等优点。,1960,年第一台激光器问世后，,1961,年就出现了激光玻璃。与其它激光工作物质相比，激光玻璃有其本身独特的优点。,激光玻璃发展,4,激光玻璃发展,1966年,，E.Carnall等采用真空热压烧结技术制备了,光学透明的Dy:CaF2陶瓷,，并且在液氮温度下实现了激光振荡，其激光阈值与单晶相似。,1972年,，R.C.Anderson等开发出了,NDY(Nd doped Yttralox)陶瓷激光器,。随后的两年中，C.Greskovich等用传统的陶瓷烧结方法制备了更高质量的NDY透明陶瓷，其激光阈值和斜率效率与当时的钕玻璃相近。,在随后的20余年中，陶瓷激光材料并没有受到关注，因为其性能不及单晶和玻璃基质材料。,在早期的Nd:YAG透明陶瓷样品中，缺陷浓度高（特别是微气孔），在短波区有很强的散射损耗。这样也就不难理解为何Nd:YAG透明陶瓷在激光振荡区(1064nm处)有很高的透过率，但仍未能实现激光输出。,激光玻璃发展,5,因为该样品在短波区的透过率不高，光吸收系数较大，亦即存在一定浓度的光散射中心，导致光学谐振腔损耗增加，并使各模式相互耦合产生新的本征模式，从而提高激光振荡阈值、降低斜率效率，以及增加光束的发散度。但在优质的光学晶体中，由于缺陷浓度低，由散射引起的总吸收系数随波长的变化不明显。,1995年,，激光透明陶瓷才取得突破性的进展，,日本学者A.Ikesue,等采用固相反应法制备出了,高质量的Nd:YAG透明陶瓷,，其折射率、热导率、硬度等物理性能与Nd:YAG单晶相似。,同时他们研制出,世界上第一台Nd:YAG陶瓷激光器,，用输出功率为600mW，输出波长为808nm的LD，采用端面泵浦技术泵浦1.1at%Nd:YAG透明陶瓷，其激光阈值仅比单晶稍高，斜率效率为28%，激光最大输出功率为70mW。随后A.Ikesue的研究小组系统地研究了钕离子浓度对Nd:YAG透明陶瓷光学性能的影响、Nd:YAG激光透明陶瓷中的散射中心以及Nd:YAG透明陶瓷中气孔体积对激光性能的影响。,激光玻璃发展,6,激光玻璃概念,随后A.Ikesue的研究小组系统地研究了钕离子浓度对Nd:YAG透明陶瓷光学性能的影响、Nd:YAG激光透明陶瓷中的散射中心以及Nd:YAG透明陶瓷中气孔体积对激光性能的影响。,1999年,，,日本,神岛化学公司T.Yanagitani的研究小组采用纳米技术和真空烧结方法制备了高质量的,Nd:YAG透明陶瓷,，其吸收、发射和荧光寿命等光学特性与单晶几乎一致。,2000年,，神岛化学公司和日本电气通信大学的K.Ueda的研究小组一起首次用这种方法,实现了高效激光输出。,基于这一技术，日本的神岛化学公司、日本电气通信大学、俄罗斯科学院的晶体研究所等联合开发出一系列二极管泵浦的高功率和高效率固体激光器，,激光输出功率从31W提高到72W、88W和1.46 KW,激光玻璃发展,7,玻璃的化学组成可以在很宽的范围内改变，因此，可以制备出各种性质不同的激光玻璃，掺入激活离子的种类和数量不太受限制；,容易制得大尺寸的激光棒或激光圆盘，光学质量比较容易得到保证等；,激光玻璃的价格也比晶体等激光工作物质要便宜得多。,激光玻璃发展,激光玻璃的优点,8,物质发光的机理,自发辐射,共振吸收,受激辐射,基 态,激发态,光子,光,子,处于高激发能态的粒子，有自发地回到基态或较低能态的趋势，在粒子由高能态自发地跃迁到低能态的过程中，将同时发射出一个光子(即组成光的基本单元)，其能量等于高能态与低能态的能量之差：E,光子,=E,高,E,低,。,9,在正常情况下，粒子绝大多数都聚集在基态，只有少数粒子处于高激发能态。使多数粒子不是聚集在基态而是聚集在高激发能态，这种特殊状态称为粒子数分布的反转状态。人们把处于粒子数反转状态的工作物质的上述行为称为光的受激发射。,发光物质的粒子数反转和受激发射,10,光学谐振腔,全反射镜,部分反射镜,激 光,激光介质,在激光器中，初始的光信号来源于自发辐射，而自发辐射的光是杂乱无章的。为了在其中进取一定传播方向和频率的信号，使其有最优的放大作用，而把其它方向和频率的光信号抑制住，最后获得单色性和方向性很好的激光，可在工作物质的两端加两块相互平行的反射镜，这对反射镜称为光学谐振腔。,谐振腔示意图,11,激光器对激光玻璃的要求,激光玻璃由基质玻璃和激活离子两部分组成。,物理化学性质主要由基质玻璃决定。,光谱性质则主要由激活离子决定。,但是，基质玻璃与激活离子彼此间相互作用，所以激活离子对激光玻璃的物理化学性质有一定的影响，而基质玻璃对它的光谱性质的影响也相当重要。,12,激活离子的发光机构中必须有亚稳态，形成三能级或四能级机构，并要求亚稳态有较长的寿命，使粒子数易于积累，达到反转。,光玻璃必须有各种适当的光谱性质。,激光基质玻璃必须有照好的透明度，尤其是对激光波长的吸收应尽可能低。,激光玻璃必须有良好的光学均匀性、,热光稳定性，及物理化学性能,。,激光器对激光玻璃的要求,13,稀土离子的能级图,14,激光阈值很低,跃迁通道多,发射截面大,Nd,3+,的能级示意图,4,I,9/2,4,I,11/2,4,I,13/2,4,I,15/2,4,F,3/2,4,F,5/2,2,H,9/2,800nm,1064nm,Nd,3+,离子,15,氟硼磷酸基质玻璃中Nd,3+,的光谱,Nd,3+,离子,吸收光谱,荧光光谱,16,现在的激光玻璃主要有,硅酸盐激光玻璃,、,磷酸盐激光玻璃,、,硼酸盐及硼硅酸盐激光玻璃,、,氟磷酸盐和氟化物激光玻璃、硅磷酸盐激光玻璃、高钕浓度激光玻璃等,若干种，我们主要介绍一下硅酸盐激光玻璃和磷酸盐、硼酸盐及硼硅酸盐激光玻璃以及高钕浓度激光玻璃这三种。,激光玻璃的分类,17,掺钕玻璃的特点,具有较长的荧光寿命，较高的量子效率，而且有一系列优良的物理化学性能。如失透倾向小、化学稳定性好和机械强度高，生产制造工艺比较简单成熟，在光学玻璃生产工艺的基础上较易获得光学均匀性高的大尺寸玻璃。,这类玻璃一般用于高能输出和高功率输出的激光器，是目前使用范围最广泛的激光玻璃。,(1)硅酸盐系统玻璃,18,(2)硼酸盐及硼硅酸盐系统玻璃,含硼玻璃存在荧光淬灭，荧光寿命较短，量子效率较低。但是，钕离子Nd,3+,在硼玻璃中的吸收系数较高。当激光玻璃用在脉冲准稳状态(玻璃激光器多半如此)时，脉冲振荡的阈值能量与荧光寿命成正比。硼玻璃因荧光寿命短而吸收系数高，所以可获得较低的阈值能量。,19,(3)磷酸盐系统玻璃,荧光寿命较短，荧光谱线较窄，钕离子,Nd,3+,在磷酸盐玻璃中的近红外吸收较强。有利于光泵能量的充分利用，很早就被认为是一种较好的连续工作和重复频率工作的激光玻璃。该玻璃的制造工艺相对比较困难。,20,钕玻璃制造工艺,对钕玻璃的质量及拉棒技术要求很高。,降低非激活吸收。,避免含结石及其它夹杂物。,提高玻璃的光学均匀性。,21,其它激活离子,Yb,3+,、Er,3+,、Tm,3+,、Ho,3+,等离子,22,Yb,3+,离子,2,F,7/2,2,F,5/2,结构简单，具有,4f,13,电子构型，仅有一个基态,2,F,7/2,和一个激发态,2,F,5/2,。,荧光寿命长，约为,Nd,3+,离子的,3-4,倍，有利于增加储能。,掺Yb,3+,材料的吸收峰位于970nm附近，能与InGaAs激光二极管输出波长(900-1100 nm)有效耦合。,23,Yb,3+,离子光谱曲线,24,Er,3+,离子,1.6m 安全的激光辐射,2.7m,和羟基物质也有很强的相互作用。,Er,3+,离子在,970 nm,附近具有的吸收，适于,InGaAs LD,（,900-1100 nm,）进行泵浦。,Er,3+,离子具有多个亚稳态，因此它具有丰富的激光跃迁通道。,Energy levels of Er3+,ion,4,I,15/2,4,F,7/2,4,I,13/2,4,F,9/2,2,H,11/2,4,I,9/2,4,I,11/2,4,S,3/2,25,Er,3+,离子的光谱图,吸收光谱,荧光光谱,26,目前制备主要采用熔体冷却成型方法，包括以铂金坩埚、陶瓷坩埚为熔器的间隙式熔体冷却成形方法及铂金池炉为熔器的连续熔融，进行高温加热形成均匀无气泡并符合成型要求的玻璃。,制备方法,27,硅酸盐激光玻璃,最早的激光玻璃都属于这类，如我国N03,、,N10,，美国的NS0835，日本的LCG13，英国的LN6等。这些玻璃大致成分（mol%）基本为：SiO26075，Na2O3015，K2O05，CaO+BaO1015，Al2O303。它们的主要优点是熔制工艺成熟、光学质量好、物化性能稳定、激光效率高。,28,磷酸盐激光玻璃,六十年代初在广泛探索基质玻璃系统时，在磷酸盐玻璃中产生了激光，但由于磷酸盐玻璃物化性能性能较差，不易制备，当时没有深入研究。到了七十年代，随着激光核聚变技术的发展，具有受激发截面大、非线性折射率低、热光系数小等优点的磷酸盐玻璃显示了其独特的优点，被选为激光核聚变装置的激光玻璃。日本、美国和我国先后定型了适合于不同要求的磷酸盐激光玻璃。但与此同时，此类玻璃的缺点是化学稳定性差、玻璃表面易潮解。,29,高钕浓度激光玻璃,为了满足微型固体激光器发展的需要，研制了玻璃态的高钕浓度激光玻璃材料（如NdP5O14、LiNdP4O12、KNdP4O12等），并在小型脉冲激光器中得到了应用。,30,结构,激光玻璃由,基质,玻璃和,激活,离子两部分组成。激光玻璃各种,物理性质,和,化学性质,主要由基质玻璃决定，而它的光谱性质则主要由激活离子决定。,31,激光玻璃中由于基质玻璃与激活离子彼此间互相作用，所以激活离子对激光玻璃的物理化学性质有一定的影响，而基质玻璃对它的,光谱,性质的影响有时还是相当重要的。作为激光玻璃的基质玻璃，大多采用,光学玻璃,，然而并不是任何一种光学玻璃接入任何一种激活离子都适合作激光玻璃。,32,氟磷酸盐,氟磷酸盐的化学组成以氟化物为主，再加入一定量的磷酸盐。氟化物玻璃有氟化铍玻璃、氟锆酸盐玻璃和氟铝酸盐玻璃等。这类玻璃一般用铂坩埚熔制，因易析晶和组分在熔制过程中亦挥发，引起化学成分不均匀，产生条纹，熔制工艺较困难，需采用特殊的工艺制备。目前，这类玻璃的抗激光破坏能力还不够强，破坏阀值大约只有硅酸盐玻璃的一半左右,33,应用,激光玻璃具有光学质量高、体积大、发射谱线宽、抗激光破坏能力强、易加工、价格便宜等优点，作为固体激光器材料可获得高亮度、高方向性、高单色性和高相干性的激光输出。,从而，在工业、农业、自然科学和军事方面得到了广泛的应用。,激光玻璃用于高功率激光装置：,34,钕玻璃高功率激光装置是研究激光核聚变的主要工具，对于新能源的开发研究和等离子体物理研究都有重大作用。,35,我国是在激光核聚变研究中最采用钕玻璃作为工作物质的国家之一。1970年以来，我所用的N03和N07型硅酸盐激光玻璃建成万兆单位和十万兆瓦六路钕玻璃激光等离子体物理实验装置，在1973年和1977年成功地打出了中子和实现了初步的激光对玻壳靶的压缩。继之，采用磷酸盐玻璃作激光器工作物质，建成“神光”高功率装置，使大功率激光器输出啊功率达到1012W以上。现在该装置已成为我国等离子体基础研究、强激光与靶的相互作用研究和X光激光的基础研究的实验工具。世界上最大的高功率激光系统是美国的NOVA装置使用的玻璃圆盘直径达46cm，输出功率达200300TW。,36,激光玻璃在钕玻璃激光器研制中的应用：,国内外用激光玻璃开展了激光谐振腔、多级放大器、热畸变、弥散、自聚焦及其补偿，激光与材料的相互作用、激光参量测量等基本实验工作，取得了一批科研成果，推动了激光技术的发展。,37,激光玻璃用于中小型固体激光器：,用于测距和大地测量的钕玻璃激光测距仪已经批量生产，测程为5001000m，精度为5m,左右，重复频率为26次/min。磷酸盐玻璃激光打孔机使用的N21型玻璃棒，以长期运转，广泛用于钻石、金属、玛瑙、玻璃材料的打孔。中小型玻璃激光器在不锈钢、人造金刚石、超硬质合金材料、特种陶瓷、叠成云母片及碲镉汞晶体片等切割和打孔方面也已广泛使用。,38,结束语：,自1961年激光玻璃发明以来,激光玻璃无论品种还是在制备工艺方面都得到了很大的发展,激光玻璃不仅以大块体的形式在惯性约束聚变装置中发挥了核心作用,还将以光纤的形式在通信和测量等领域得到越来越广的应用。相信随着掺铋离子石英光纤的出现,激光玻璃的研究和发展将进入一个新纪元。,39,特点,激光玻璃与普通玻璃的区别,(1)激光玻璃的,光学均匀性,折射率误差达到2*10(-6)，而普通光学玻璃均匀性其折射率误差达到2*10(-4)；,(2)在1054nm处的透过损耗低于0.0015cm(-1)；,(3)玻璃中OH根及铂含量极低。,40,激光玻璃与激光晶体相比优势,(1)易于制备。应用制备光学玻璃的工艺技术并加以改进，可以获得高度透明而光学均匀的玻璃，较容易制得大尺寸的工作物底材料成本低，大体积和含有高密度的激活粒子数是用于高功率和高能激光器的重要有利条件。,(2)基质玻璃易于改变。基质玻璃的成份和性质变动范围大，加入的激活剂的种类和数量也不太受限制，因此较容易发展成具有各种特色的激光玻璃品种系列。,41,(3)容易成型加工。利用光学玻璃,热成型,和,冷加工,的工艺，激光玻璃易于直接成型为各种形状，如棒、片、丝等和研密成高精度的光学面，以适应多种器件结构发展的需要。,(4)基于玻璃结构的特点，即近程有序和远程无序，玻璃中结构,缺陷,对破璃性质的影响小并且易于消除，所以容易获得各向同性、大体积上性质均匀一致的工作物质。钕玻璃由于能在室温产生激光，温度,淬灭,效应小，光泵吸收效串和发光的,量子效率,高目前是最主要的激光玻璃。,42,技术要求,（1）激活离子的发光机构中必需有,亚稳态,，形成三能级或四能级机构；并要求亚稳态有较长,寿命,，使粒子数易于积累达到反转。为使激光玻璃有较高的效率和低的振荡值，从能级机构来讲，四能级优于三能级。而当终态能级与基态,能级,之间,能量,间隔大于1000厘米-1时，在室温下终态能级几乎是空因此，在室温下泵浦也易于产生粒子数反转。已在玻璃中产生激光的各种激活离子，以Nd3+离子最佳，其为四能级机构，激光跃迁的终态与基态能级的间距约为1950厘米。,（2）激光玻璃必需有各种适串的,光谱,性质。其中包括,吸收光谱,性质，要求在激发光源的辐射光渐内有宽而多的,吸收带,，高的,吸收系数,，吸收,光谱带,与,光源,的,辐射带,的,峰值,尽可能重叠，这样有利于充分利用激发光源的能量；,荧光光谱,性质，一般要求它的荧光谱带少而窄，这样输出能量不致分散；同时为使吸收的激发光能量尽可能多地转化为激光能量，还要求荧光的量子效率尽可能高，内部的能量损耗尽可能小。,43,（3）激光基质玻璃必需有良好的,透明度,，尤其是对激光波长的吸收应尽可能低。基质玻璃的透明度高，就能使光泵的能量充分地被激活离子所吸收，转化为激光。透明度降低 就增加了基质对光泵能量的吸收，而使激光玻璃温度升高，这会带来一系列缺点。光泵的辐射谱带大部分位于可见光及近紫外和红外区域，所以必须选择在该区域透明的材料。在无机玻璃中以,氧化物,和,氟化物,玻璃较为适宜。基质玻璃中若含有,铁,、,铜,、,铅,、,锰,、,钻,、,镍,等过渡,金属元素,的,化合物,在近紫外到,红外,都有强的吸收，会使基质玻璃的透明度下降。在玻璃中引起激光波长吸收的主要来源是杂质。,（4）激光玻璃必需有良好的,光学均匀性,。激光玻璃的光学不均匀性使光线通过玻璃后波面变形和产生程差，促使其振荡阈值升良效率降低，发散角增加。,44,（5）激光玻璃必需有良好的热光稳定件。激光器工作时由于激活离子的非辐射跃迁损失和基质玻璃的紫外、红外吸收光泵的一部分光能转化为使玻璃温度升高的热能。同时，由于吸热和冷却条件的不同在棒的径向就会出现温度梯度。这些因素除导致激光玻璃的光学均匀性降低而影响激光性能外，甚至会使激光被璃由于热机械性能不好而损坏。,（6）激光玻璃必需有良好的,物理化学,性能。除了以上几点要求外，为了便于,制造,、,加工,和,使用,，还要求激光玻璃具有良好的物别化学性能。这包括,失透,倾向小，,化学稳定性,高。有一定的,机械强度,和良好的光照稳定性和热导性等。失透倾向高的玻璃使玻璃制造，尤其是大块玻璃的生产工艺带来困难，并难于得到光学均匀性高的玻璃。,45,