固體激光材料物理學 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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羅遵度，黃藝東 著

圖書標籤:

• 固體激光
• 激光材料
• 材料物理
• 光學物理
• 固體物理
• 激光技術
• 晶體材料
• 非綫性光學
• 稀土摻雜
• 光子學

齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030465610

版次：1

商品編碼：11847198

包裝：精裝

叢書名： “十二五”國傢重點圖書齣版規劃項目光學與光子學叢書

開本：16

齣版時間：2015-12-01

用紙：膠版紙

頁數：380

字數：467000

正文語種：中文

內容簡介

《固體激光材料物理學》主要論述固體激光材料中光的發射、吸收，晶格振動對光譜性能的影響以及無輻射躍遷、離子之間能量傳遞等重要物理過程的基本理論，導齣計算其光譜能級和主要性能參數的公式，糾正一些文獻中齣現的錯誤。從基本物理定律和公式齣發，聯係材料的結構和組成，對其光譜和激光性能進行較深入的分析。《固體激光材料物理學》的另一個主要內容是應用基本理論知識介紹、分析當前激光技術領域幾種主要激光材料的性能。附錄中包括分析和計算固體激光材料能級和光譜性能的重要錶格。

目錄

前言
第1章 自由離子能級1
1.1單電子原子(離子)的能級1
1.2多電子自由離子能級的一般性質5
1.3自由過渡族離子能級9
1.4自由稀土離子能級12
1.5稀土離子中各種相互作用理論21
參考文獻25
第2章 群論與量子理論27
2.1對稱性的數學描述27
2.2群的基本概念28
2.3群錶示理論31
2.4群的直積和群錶示的直積34
2.5光譜學常用群概述35
2.6點群及其錶示40
2.7對稱性與介質中離子的量子理論44
2.8球對稱群和角動量理論46
2.9不可約張量算符和矩陣元計算51
參考文獻56
第3章 介質中的稀土離子57
3.1晶場對激活離子的作用57
3.2稀土離子的能級分裂59
3.3晶場量子數66
3.4晶場計算中的群鏈方法74
參考文獻83
第4章 輻射躍遷理論85
4.1電磁場與激活離子的相互作用85
4.2光發射和吸收的幾率88
4.3輻射躍遷的選擇定則94
參考文獻100
第5章 光譜參數及其計算101
5.1吸收係數、吸收(發射)截麵和振子強度101
5.2愛因斯坦係數及其與光譜係數的關係106
5.3Judd-Ofelt參數計算109
5.4各嚮異性晶體光譜參數計算118
5.5超敏躍遷122
參考文獻123
第6章 聲子與光譜綫126
6.1晶格振動量子化——聲子126
6.2雜質進入晶格後引起的晶格振動模的變化133
6.3光的發射和吸收中的晶格弛豫134
6.4光譜綫熱加寬和熱位移的主要機製143
6.5單聲子吸收(發射)對譜綫寬度的貢獻144
6.6聲子拉曼散射對譜綫寬度的貢獻148
6.7光譜綫熱位移計算151
6.8譜綫熱加寬和熱位移的具體例子155
參考文獻159
第7章 介質中過渡族離子能級和光譜161
7.13d1電子組態的能級和光譜162
7.23d2電子組態的能級和光譜166
7.33d3電子組態的能級和光譜174
7.4紅寶石偏振吸收譜R綫相對強度分析181
7.5晶體中三價鉻離子的光譜參數的估算184
參考文獻189
第8章 離子內無輻射躍遷192
8.1無輻射躍遷矩陣元的數學變換193
8.2無輻射躍遷的激發模和接收模196
8.3弱耦閤係統無輻射躍遷理論——躍遷幾率能隙指數定律197
8.4無輻射與輻射在躍遷幾率上的平行性202
8.5弱耦閤下無輻射躍遷幾率與溫度的關係204
8.6強耦閤係統無輻射躍遷理論205
8.7無輻射躍遷的非綫性理論211
8.8受激無輻射躍遷213
參考文獻219
第9章 離子間的能量傳遞和遷移221
9.1離子之間的共振能量傳遞理論221
9.2離子之間的聲子輔助的能量傳遞225
9.3離子間能量傳遞的統計理論229
9.4離子間能量遷移及其對能量傳遞的作用232
9.5自激活激光晶體熒光猝滅特點242
參考文獻246
第10章 激光與材料物理性能248
10.1固體激光原理簡述248
10.2固體激光材料性能品質因數254
10.3激光起振閾值與基質化學組成間的關係255
10.4固體激光材料的熱—光學性能258
10.5非綫性光學性能與激光損傷270
參考文獻274
第11章 激光晶體復閤功能276
11.1晶體的二階非綫性光學效應277
11.2自倍頻激光晶體中基波和倍頻波的關係.283
11.3自倍頻激光非綫性光學耦閤方程287
11.4激光晶體的自混頻效應292
11.5激光晶體的受激拉曼散射效應300
參考文獻307
第12章 激光玻璃錶觀晶場模型及其應用310
12.1玻璃材料的結構和光譜特徵311
12.2稀土離子在非晶基質中的錶觀晶場315
12.3Er3+在三種典型玻璃中晶場能級的分析323
參考文獻335
附錄337
索引369

精彩書摘

第1章 自由離子能級
原子光譜是光譜學的淵源，也是固體光譜物理學的基礎。本書主要的研究對象固體激光材料，由絕緣材料中加入稀土或過渡金屬離子(統稱激活離子)構成，其光譜與自由離子的能級結構和躍遷規律有很緊密的關係。因此，自由離子(原子)能級和光譜的基本特點、規律和研究方法是學習本書以後各章所必需掌握的基本知識。原子光譜學的基本理論已有很多很好的參考書，如Herzberg[1]，Condon和Shortley[2]，Slater[3]及Condon和Odabasi[4]的專著，本章隻介紹與材料光譜性質研究有關的最基本的知識並進行常用符號的約定，讀者可參閱有關專著以獲得更深入的瞭解。
1.1 單電子原子(離子)的能級
氫原子隻有一個電子，類氫離子(如He+，Li2+，Be3+等)也都隻有一個電子繞著帶正電荷的原子核運動。單電子原子的能級結構是量子力學可以進行嚴格理論處理的問題，是分析其他光譜問題的基礎。用量子力學理論分析氫原子或類氫離子，實際上是求解一個帶電粒子在有心力場中的薛定諤方程。其哈密頓量可寫成
H=H0+Hso+HZ+其他小項(1.1)
式中，H0是電子與原子核靜電相互作用的哈密頓量；Hso是自鏇{軌道相互作用的哈密頓量
Hso=(r)l￠s(1.2)
式中，(r)為自鏇{軌道耦閤參數；l=r￡p是電子的軌道角動量算符；s是電子的自鏇角動算符量。自鏇{軌道相互作用嚴格地講是一種相對論效應。除此以外，其他相對論效應的影響暫不考慮。HZ是原子與外磁場相互作用哈密頓量，當外磁場的磁感應強度為B時，HZ可寫成
量子力學的一般處理方法是先將式(1.1)中的主要項H0考慮進來，小項在第二步再用微擾論處理。
從式(1.18)可以看齣，當不考慮自鏇{軌道相互作用和其他相對論效應時，氫原子和類氫離子的單電子能量僅與主量子數有關。同一主量子數下，不同角動量狀態和不同自鏇狀態具有相同的能量，這種情況在量子力學中稱為簡並。其相應的簡並度f容易求得。
有一類原子的電子運動與氫原子類似。例如，堿金屬原子Li，Na，K，Rb和Cs都有一個價電子，與原子實結閤比較鬆弛，而相應原子實的電子結構分彆類似於He，Ne，Ar等惰性氣體原子。未計入電子的自鏇{軌道耦閤時，其價電子的能量本徵值與氫原子有類似的錶示式。
量子虧損￠隨著主量子數n的不同隻有微小的變化，但隨著角動量量子數l的增大而明顯減小。
原子能級理論的一個最基本但又最常用的結果是電子狀態由主量子數n、軌道角動量量子數l、磁量子數m和自鏇量子數s來標記。它是討論多電子問題的基礎。光譜學上一般用s，p，d，f，g，h，i，k，l，￠￠￠來錶示l=0，1，2，3，4，5，6，7，8，￠￠￠。
1.2 多電子自由離子能級的一般性質
從量子力學上講，多電子原子係統是一個復雜的多體係統，要嚴格求解幾乎是不可能的。所幸的是像許多其他量子力學問題一樣，可以在足夠好的近似下忽略一些次要的相互作用，把問題加以簡化。其中一個重要的近似就是“中心場近似”。可以把原子視為N個電子圍繞一個質量可看成無窮大、電荷為Z的核運動，每個電子的電荷為.e，質量為me，哈密頓量可錶示。
第二項包含瞭電子之間的間距ri;j，因而不能采用分離變量法求解，而且，這項足夠大，不能用微擾法處理。為解決這一睏難，可以求助於中心場近似。假設電子是在一個可用函數.U(ri)/e錶示的勢場中運動，除瞭電子自鏇{軌道相互作用外的哈密頓量錶示成

前言/序言

《光之魂：晶體與玻璃的奧秘》 這是一部關於光與物質奇妙交織的探索之旅，深入揭示瞭那些能夠駕馭、塑造並釋放光之能量的無形之物的本質。本書將帶領讀者跨越物理學的邊界，潛入材料科學的深邃世界，去理解那些在激光技術、光學通信、精密測量乃至藝術創作等領域扮演著核心角色的神秘物質。 我們生活的世界，無時無刻不被光所照耀，而光，遠不止是讓我們看見色彩的媒介。它是一種強大的能量，一種傳遞信息的載體，一種能夠被精心操控的工具。然而，要實現對光的精妙控製，我們必須依賴於那些具有特殊光學性質的材料。本書正是聚焦於這些“光之魂”，它們或許是結構嚴謹、一絲不苟的晶體，也可能是形態自由、包容萬象的玻璃。 第一篇：晶體之韻——有序結構中的光之舞 晶體，以其原子排列的周期性和高度有序性而著稱。這種嚴謹的內部結構，使得晶體對光波的響應具有瞭高度的規律性和可預測性。在本篇中，我們將首先從晶體學的基礎入手，理解晶格、對稱性以及它們如何影響材料的宏觀光學性能。 晶體結構與光學各嚮異性： 我們將深入探討非立方晶體中的雙摺射現象，例如方解石（Iceland Spar）如何將一束光分裂成兩束，各自沿著不同的偏振方嚮傳播。讀者將瞭解到，材料內部電偶極子在光場作用下的不同取嚮，是如何導緻摺射率在不同方嚮上産生差異的。我們還會介紹負單軸晶體、正單軸晶體以及雙軸晶體等概念，並分析它們在偏振光學器件中的應用，如波片、偏振片等。 激活摻雜：發光中心的奧秘： 許多高性能的固體激光器依賴於在主體晶體中摻雜稀土離子或過渡金屬離子。在本篇的重點章節中，我們將詳細解析這些“發光中心”是如何工作的。讀者將瞭解到，摻雜離子的電子能級結構，是如何吸收泵浦光，然後通過受激輻射的方式，以特定波長的激光形式釋放能量的。我們將探討不同摻雜離子（如Nd³⁺、Yb³⁺、Er³⁺、Ti³⁺等）在不同主體晶體（如YAG、YVO₄、Sapphire等）中的發光特性、激發和輻射躍遷過程、以及非輻射衰減機製。這將幫助讀者理解為何某些摻雜離子組閤能産生高效的激光輸齣，而另一些則不然。 光誘導效應與飽和吸收： 除瞭發光，晶體還能展現齣更復雜的光響應。我們將討論光誘導摺射率變化，例如光摺變效應，以及它在全息存儲和光波導製造中的潛力。此外，飽和吸收材料在激光器中扮演著至關重要的角色，它們能夠實現激光脈衝的調Q和鎖模。本篇將詳細闡述染料分子或某些缺陷在強光照射下如何發生吸收飽和，從而實現對激光能量的有效控製，産生短脈衝、高功率的激光輸齣。 非綫性光學現象： 當光的強度達到一定程度時，材料的響應不再是綫性的，從而引發一係列非綫性光學現象。我們將介紹二次諧波産生（SHG）和三次諧波産生（THG），以及和頻（SFG）和差頻（DFG）等過程。這些現象使得我們可以通過非綫性晶體（如BBO、KDP、LiNbO₃等）將激光頻率進行轉換，獲得不同波長的光源，極大地擴展瞭激光的應用範圍。我們還將探討自聚焦、自相位調製等效應，以及它們在光縴通信和超快光學中的重要性。 第二篇：玻璃之靈——無序結構中的光之傳承 與晶體截然不同，玻璃呈現齣一種原子排列無序但局部短程有序的結構。這種“凍結的液體”狀態，賦予瞭玻璃獨特的加工性能和廣闊的光學應用前景。 玻璃的形成與結構： 本篇將首先介紹玻璃的宏觀性質，如透明度、耐腐蝕性、以及其高熔點和易塑性。我們將深入到原子層麵，分析玻璃的無定形結構，理解網絡形成劑（如SiO₂、B₂O₃）和網絡修飾劑（如Na₂O、CaO）的作用，以及它們如何影響玻璃的物理和光學特性。我們將特彆關注玻璃的摺射率、色散特性以及熱膨脹係數等關鍵參數。 摻雜玻璃：色彩的源泉與光縴的靈魂： 玻璃是承載摻雜離子的絕佳基質。與晶體不同，玻璃的無序結構允許摻雜離子更均勻地分布，並且在某些情況下，能夠帶來更寬的發光光譜。我們將重點介紹摻鉺光縴（EDFA）的原理，分析鉺離子在二氧化矽玻璃基質中的能級結構和激發過程，以及它們如何實現對光信號的放大，這無疑是現代光通信網絡的基石。此外，我們還將探討其他摻雜玻璃在激光器、LED和發光顯示等領域的應用，例如摻釹玻璃（Nd:Glass）激光器，其在大能量激光係統中的作用。 玻璃的光譜特性與色散控製： 玻璃的色散特性是影響光學係統性能的關鍵因素。我們將詳細介紹不同類型玻璃（如冕牌玻璃、火石玻璃）的阿貝數（Abbe number）差異，以及它們在消色差透鏡設計中的應用。讀者將瞭解如何通過組閤不同色散特性的玻璃，來校正色差，獲得更清晰的成像。我們還會探討異常色散現象，以及它在超快光學脈衝壓縮中的作用。 玻璃的納米結構與錶麵修飾： 隨著納米技術的發展，對玻璃材料的控製能力得到瞭極大的提升。本篇將介紹如何通過控製玻璃的納米結構，如形成納米晶體或有序介孔結構，來賦予玻璃新的光學功能，例如超材料（Metamaterials）的構建，它們能夠實現負摺射等奇異的光學現象。同時，我們將探討玻璃錶麵的塗層技術，如減反射膜、增透膜等，以及它們如何優化光的傳輸效率，減少損失。 第三篇：應用與未來——光之魂的無限可能 在理解瞭晶體和玻璃的光學本質之後，本書的第三篇將聚焦於這些材料在現代科技和社會中的實際應用，並展望它們未來的發展趨勢。 固體激光器的核心： 從工業加工、醫療美容到科學研究，固體激光器已經無處不在。我們將詳細介紹不同類型的固體激光器，包括摻釹玻璃激光器、Nd:YAG激光器、光縴激光器、二極管泵浦固體激光器（DPSS）等，並分析它們的設計原理、性能指標以及應用領域。讀者將瞭解到，材料的選擇、泵浦方式、諧振腔設計以及熱管理等因素，共同決定瞭激光器的最終性能。 光通信與信息傳輸： 現代通信網絡高度依賴於光縴技術，而光縴正是由特殊的玻璃材料製成。我們將探討光縴的傳輸損耗機製、色散補償技術，以及光放大器（如EDFA）在長距離信息傳輸中的關鍵作用。 精密測量與傳感： 激光的精確性和單色性使其成為高精度測量的理想工具。本書將介紹激光在乾涉測量、測距、光譜分析等領域的應用，以及基於特殊光學材料的傳感器，它們能夠靈敏地探測溫度、壓力、化學物質等變化。 新興技術與前沿探索： 隨著科學技術的飛速發展，對光學材料的需求也在不斷變化。我們將探討有機-無機雜化材料、量子點、二維材料等新型光學材料的最新研究進展，以及它們在非綫性光學、光電轉換、量子信息處理等領域的潛在應用。例如，研究人員正緻力於開發新型高非綫性材料，以實現更高效的頻率轉換；探索具有優異光電性能的材料，以製造更高效的太陽能電池和LED。 《光之魂：晶體與玻璃的奧秘》不僅僅是一本關於材料的教科書，它更是一次對人類智慧如何駕馭自然力量的贊頌。通過深入淺齣的講解和豐富的實例，本書將帶您領略光與物質之間和諧共舞的奇妙景象，激發您對科學探索的無限熱情。無論您是光學領域的專業人士，還是對光電技術充滿好奇的學生，亦或是希望瞭解科技如何改變世界的普通讀者，都能在這本書中找到屬於自己的光芒。

評分☆☆☆☆☆

當我拿到這本書時，其實並沒有抱太高的期望，想著不過是又一本堆砌專業術語的教科書罷瞭。然而，翻開之後，我還是被書中某種嚴謹的邏輯和一絲不苟的論述所吸引。它不像市麵上很多通俗讀物那樣，為瞭吸引讀者而過度簡化，而是堅持用科學的態度去剖析問題。我尤其關注書中關於“物理學”的部分。激光的産生，歸根結底是量子力學和電磁學的範疇，我希望這本書能夠從這些基礎的物理原理齣發，解釋固體材料為何能産生受激輻射。比如，它會不會詳細介紹能帶理論，解釋在固體材料中電子是如何被激發到高能級，以及這些能級之間的躍遷過程是如何被控製的？還有，書中會不會觸及到一些更深層次的物理現象，比如聲光效應、電光效應，以及它們與激光性能的關聯？我對那些能夠影響激光輸齣的物理機製非常感興趣。如果書中能夠用清晰的數學公式和詳細的物理推導來支撐論點，那將是一場智力上的盛宴。我希望這本書能讓我理解，固體激光不僅僅是“發光”這麼簡單，而是背後有深厚的物理學支撐。

評分☆☆☆☆☆

這本書的封麵設計相當樸實，沒有那些花裏鬍哨的插圖，一眼看過去就知道是學術類的讀物。書脊上的書名“固體激光材料物理學”也直接點明瞭主題，不過對於我這樣的初學者來說，光是這個名字就夠讓人望而生畏的瞭。我當初翻開這本書，更多的是抱著一種“試試看”的心態，想瞭解一下固體激光到底是怎麼迴事，它的材料方麵有什麼特彆之處。我對這個領域知之甚少，隻知道激光在很多高科技領域都有應用，比如醫療、工業，甚至軍事。所以，我想從這本書裏找到一些基礎的物理原理，以及那些構成激光“心髒”的材料，它們又是如何被挑選和處理的。我期望書中能有一些直觀的比喻，或者圖示，來幫助我理解那些抽象的物理概念，比如能級躍遷、粒子數反轉之類的。我對材料的晶體結構、光譜特性，以及它們與激光性能之間的關係非常好奇。這本書的篇幅看上去不算太厚，但內容肯定很密集，我估計需要反復閱讀纔能消化。我希望它能給我一個清晰的脈絡，從宏觀到微觀，一步步揭示固體激光材料的神奇世界。

評分☆☆☆☆☆

這本書的名字“固體激光材料物理學”讓我聯想到一種非常具體而微觀的視角。我感興趣的是，這本書是否會深入探討構成固體激光器的各種“原料”，它們究竟有什麼“過人之處”。比如，是否會詳細介紹不同類型的固體激光晶體，例如摻雜瞭稀土元素的釔鋁石榴石（YAG）、鈦寶石，或者其他一些我叫不上名字的材料？這些材料的化學成分、晶體結構、缺陷控製，以及它們如何影響激光器的性能，例如閾值、效率、波長穩定性等等，這些內容是我非常想瞭解的。書中會不會有一些關於材料製備工藝的介紹，比如晶體生長技術，或者薄膜沉積技術？畢竟，材料的質量直接決定瞭激光器的品質。我還好奇，書中是否會對比不同材料的優劣，以及它們各自適用的應用場景。比如，為什麼某種材料適閤做高功率激光器，而另一種則更適閤做精密測量？我希望這本書能夠提供一個係統性的視角，讓我理解這些固體材料是如何被“煉製”成激光器的核心部件的。

評分☆☆☆☆☆

我購買這本書，更多的是齣於對“材料”這個關鍵詞的好奇。在我看來，任何技術，最終都要落腳到具體的材料上。固體激光，顧名思義，就是利用固態物質作為工作介質的激光器。這本書，想必是在這個“介質”上大做文章。我最想瞭解的是，是什麼樣的材料特性，使得某些固體能夠被用作激光工作物質？是它們的電子能級結構，還是它們的光學性質？書中是否會介紹一些關鍵的物理參數，比如吸收係數、發射截麵、熒光壽命，以及這些參數是如何影響激光輸齣的？我特彆想知道，工程師們是如何通過改變材料的成分、摻雜濃度、或者進行各種錶麵處理，來優化激光器的性能的。是不是有一些“魔法”般的配方，能夠讓材料産生更強、更穩定的激光？我希望這本書能讓我明白，那些看似不起眼的固體材料，在激光技術中扮演著多麼至關重要的角色，它們是如何被精雕細琢，最終成為高科技的基石的。

評分☆☆☆☆☆

坦白說，我一開始買這本書，完全是衝著它的“固體”這兩個字來的。我一直覺得，那些在科幻電影裏齣現的，能夠穿透一切的激光束，背後的實現原理一定非常復雜，而“固體”這個詞，在我的想象中，代錶著一種堅固、穩定、可以被精確操控的物質形態。我好奇的是，到底是什麼樣的固體材料，纔能夠承載如此強大的能量，並且以如此有序的方式釋放齣來？是某種特殊的晶體，還是經過特殊設計的閤金？這本書會不會深入探討這些材料的微觀結構，比如它們的原子排列方式，電子在其中的運動規律，以及這些微觀特性是如何影響宏觀的光學性質的？我特彆想知道，工程師們是如何在這些材料中“注入”能量，又是如何控製激光的波長、功率和方嚮的。書中的講解會不會涉及到一些實驗技術，比如如何閤成這些特種材料，或者如何測量它們的性能參數？如果能有一些實際的案例分析，比如某種在特定領域錶現優異的固體激光材料，那就更好瞭。我對那些看似普通，實則蘊含巨大能量的材料充滿敬畏，這本書能否為我揭開這層神秘的麵紗，是我非常期待的。