固体激光材料物理学 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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罗遵度，黄艺东 著

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• 材料物理
• 光学物理
• 固体物理
• 激光技术
• 晶体材料
• 非线性光学
• 稀土掺杂
• 光子学

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030465610

版次：1

商品编码：11847198

包装：精装

丛书名： “十二五”国家重点图书出版规划项目光学与光子学丛书

开本：16

出版时间：2015-12-01

用纸：胶版纸

页数：380

字数：467000

正文语种：中文

内容简介

《固体激光材料物理学》主要论述固体激光材料中光的发射、吸收，晶格振动对光谱性能的影响以及无辐射跃迁、离子之间能量传递等重要物理过程的基本理论，导出计算其光谱能级和主要性能参数的公式，纠正一些文献中出现的错误。从基本物理定律和公式出发，联系材料的结构和组成，对其光谱和激光性能进行较深入的分析。《固体激光材料物理学》的另一个主要内容是应用基本理论知识介绍、分析当前激光技术领域几种主要激光材料的性能。附录中包括分析和计算固体激光材料能级和光谱性能的重要表格。

目录

前言
第1章 自由离子能级1
1.1单电子原子(离子)的能级1
1.2多电子自由离子能级的一般性质5
1.3自由过渡族离子能级9
1.4自由稀土离子能级12
1.5稀土离子中各种相互作用理论21
参考文献25
第2章 群论与量子理论27
2.1对称性的数学描述27
2.2群的基本概念28
2.3群表示理论31
2.4群的直积和群表示的直积34
2.5光谱学常用群概述35
2.6点群及其表示40
2.7对称性与介质中离子的量子理论44
2.8球对称群和角动量理论46
2.9不可约张量算符和矩阵元计算51
参考文献56
第3章 介质中的稀土离子57
3.1晶场对激活离子的作用57
3.2稀土离子的能级分裂59
3.3晶场量子数66
3.4晶场计算中的群链方法74
参考文献83
第4章 辐射跃迁理论85
4.1电磁场与激活离子的相互作用85
4.2光发射和吸收的几率88
4.3辐射跃迁的选择定则94
参考文献100
第5章 光谱参数及其计算101
5.1吸收系数、吸收(发射)截面和振子强度101
5.2爱因斯坦系数及其与光谱系数的关系106
5.3Judd-Ofelt参数计算109
5.4各向异性晶体光谱参数计算118
5.5超敏跃迁122
参考文献123
第6章 声子与光谱线126
6.1晶格振动量子化——声子126
6.2杂质进入晶格后引起的晶格振动模的变化133
6.3光的发射和吸收中的晶格弛豫134
6.4光谱线热加宽和热位移的主要机制143
6.5单声子吸收(发射)对谱线宽度的贡献144
6.6声子拉曼散射对谱线宽度的贡献148
6.7光谱线热位移计算151
6.8谱线热加宽和热位移的具体例子155
参考文献159
第7章 介质中过渡族离子能级和光谱161
7.13d1电子组态的能级和光谱162
7.23d2电子组态的能级和光谱166
7.33d3电子组态的能级和光谱174
7.4红宝石偏振吸收谱R线相对强度分析181
7.5晶体中三价铬离子的光谱参数的估算184
参考文献189
第8章 离子内无辐射跃迁192
8.1无辐射跃迁矩阵元的数学变换193
8.2无辐射跃迁的激发模和接收模196
8.3弱耦合系统无辐射跃迁理论——跃迁几率能隙指数定律197
8.4无辐射与辐射在跃迁几率上的平行性202
8.5弱耦合下无辐射跃迁几率与温度的关系204
8.6强耦合系统无辐射跃迁理论205
8.7无辐射跃迁的非线性理论211
8.8受激无辐射跃迁213
参考文献219
第9章 离子间的能量传递和迁移221
9.1离子之间的共振能量传递理论221
9.2离子之间的声子辅助的能量传递225
9.3离子间能量传递的统计理论229
9.4离子间能量迁移及其对能量传递的作用232
9.5自激活激光晶体荧光猝灭特点242
参考文献246
第10章 激光与材料物理性能248
10.1固体激光原理简述248
10.2固体激光材料性能品质因数254
10.3激光起振阈值与基质化学组成间的关系255
10.4固体激光材料的热—光学性能258
10.5非线性光学性能与激光损伤270
参考文献274
第11章 激光晶体复合功能276
11.1晶体的二阶非线性光学效应277
11.2自倍频激光晶体中基波和倍频波的关系.283
11.3自倍频激光非线性光学耦合方程287
11.4激光晶体的自混频效应292
11.5激光晶体的受激拉曼散射效应300
参考文献307
第12章 激光玻璃表观晶场模型及其应用310
12.1玻璃材料的结构和光谱特征311
12.2稀土离子在非晶基质中的表观晶场315
12.3Er3+在三种典型玻璃中晶场能级的分析323
参考文献335
附录337
索引369

精彩书摘

第1章 自由离子能级
原子光谱是光谱学的渊源，也是固体光谱物理学的基础。本书主要的研究对象固体激光材料，由绝缘材料中加入稀土或过渡金属离子(统称激活离子)构成，其光谱与自由离子的能级结构和跃迁规律有很紧密的关系。因此，自由离子(原子)能级和光谱的基本特点、规律和研究方法是学习本书以后各章所必需掌握的基本知识。原子光谱学的基本理论已有很多很好的参考书，如Herzberg[1]，Condon和Shortley[2]，Slater[3]及Condon和Odabasi[4]的专著，本章只介绍与材料光谱性质研究有关的最基本的知识并进行常用符号的约定，读者可参阅有关专著以获得更深入的了解。
1.1 单电子原子(离子)的能级
氢原子只有一个电子，类氢离子(如He+，Li2+，Be3+等)也都只有一个电子绕着带正电荷的原子核运动。单电子原子的能级结构是量子力学可以进行严格理论处理的问题，是分析其他光谱问题的基础。用量子力学理论分析氢原子或类氢离子，实际上是求解一个带电粒子在有心力场中的薛定谔方程。其哈密顿量可写成
H=H0+Hso+HZ+其他小项(1.1)
式中，H0是电子与原子核静电相互作用的哈密顿量；Hso是自旋{轨道相互作用的哈密顿量
Hso=(r)l￠s(1.2)
式中，(r)为自旋{轨道耦合参数；l=r￡p是电子的轨道角动量算符；s是电子的自旋角动算符量。自旋{轨道相互作用严格地讲是一种相对论效应。除此以外，其他相对论效应的影响暂不考虑。HZ是原子与外磁场相互作用哈密顿量，当外磁场的磁感应强度为B时，HZ可写成
量子力学的一般处理方法是先将式(1.1)中的主要项H0考虑进来，小项在第二步再用微扰论处理。
从式(1.18)可以看出，当不考虑自旋{轨道相互作用和其他相对论效应时，氢原子和类氢离子的单电子能量仅与主量子数有关。同一主量子数下，不同角动量状态和不同自旋状态具有相同的能量，这种情况在量子力学中称为简并。其相应的简并度f容易求得。
有一类原子的电子运动与氢原子类似。例如，碱金属原子Li，Na，K，Rb和Cs都有一个价电子，与原子实结合比较松弛，而相应原子实的电子结构分别类似于He，Ne，Ar等惰性气体原子。未计入电子的自旋{轨道耦合时，其价电子的能量本征值与氢原子有类似的表示式。
量子亏损￠随着主量子数n的不同只有微小的变化，但随着角动量量子数l的增大而明显减小。
原子能级理论的一个最基本但又最常用的结果是电子状态由主量子数n、轨道角动量量子数l、磁量子数m和自旋量子数s来标记。它是讨论多电子问题的基础。光谱学上一般用s，p，d，f，g，h，i，k，l，￠￠￠来表示l=0，1，2，3，4，5，6，7，8，￠￠￠。
1.2 多电子自由离子能级的一般性质
从量子力学上讲，多电子原子系统是一个复杂的多体系统，要严格求解几乎是不可能的。所幸的是像许多其他量子力学问题一样，可以在足够好的近似下忽略一些次要的相互作用，把问题加以简化。其中一个重要的近似就是“中心场近似”。可以把原子视为N个电子围绕一个质量可看成无穷大、电荷为Z的核运动，每个电子的电荷为.e，质量为me，哈密顿量可表示。
第二项包含了电子之间的间距ri;j，因而不能采用分离变量法求解，而且，这项足够大，不能用微扰法处理。为解决这一困难，可以求助于中心场近似。假设电子是在一个可用函数.U(ri)/e表示的势场中运动，除了电子自旋{轨道相互作用外的哈密顿量表示成

前言/序言

《光之魂：晶体与玻璃的奥秘》 这是一部关于光与物质奇妙交织的探索之旅，深入揭示了那些能够驾驭、塑造并释放光之能量的无形之物的本质。本书将带领读者跨越物理学的边界，潜入材料科学的深邃世界，去理解那些在激光技术、光学通信、精密测量乃至艺术创作等领域扮演着核心角色的神秘物质。 我们生活的世界，无时无刻不被光所照耀，而光，远不止是让我们看见色彩的媒介。它是一种强大的能量，一种传递信息的载体，一种能够被精心操控的工具。然而，要实现对光的精妙控制，我们必须依赖于那些具有特殊光学性质的材料。本书正是聚焦于这些“光之魂”，它们或许是结构严谨、一丝不苟的晶体，也可能是形态自由、包容万象的玻璃。 第一篇：晶体之韵——有序结构中的光之舞 晶体，以其原子排列的周期性和高度有序性而著称。这种严谨的内部结构，使得晶体对光波的响应具有了高度的规律性和可预测性。在本篇中，我们将首先从晶体学的基础入手，理解晶格、对称性以及它们如何影响材料的宏观光学性能。 晶体结构与光学各向异性： 我们将深入探讨非立方晶体中的双折射现象，例如方解石（Iceland Spar）如何将一束光分裂成两束，各自沿着不同的偏振方向传播。读者将了解到，材料内部电偶极子在光场作用下的不同取向，是如何导致折射率在不同方向上产生差异的。我们还会介绍负单轴晶体、正单轴晶体以及双轴晶体等概念，并分析它们在偏振光学器件中的应用，如波片、偏振片等。 激活掺杂：发光中心的奥秘： 许多高性能的固体激光器依赖于在主体晶体中掺杂稀土离子或过渡金属离子。在本篇的重点章节中，我们将详细解析这些“发光中心”是如何工作的。读者将了解到，掺杂离子的电子能级结构，是如何吸收泵浦光，然后通过受激辐射的方式，以特定波长的激光形式释放能量的。我们将探讨不同掺杂离子（如Nd³⁺、Yb³⁺、Er³⁺、Ti³⁺等）在不同主体晶体（如YAG、YVO₄、Sapphire等）中的发光特性、激发和辐射跃迁过程、以及非辐射衰减机制。这将帮助读者理解为何某些掺杂离子组合能产生高效的激光输出，而另一些则不然。 光诱导效应与饱和吸收： 除了发光，晶体还能展现出更复杂的光响应。我们将讨论光诱导折射率变化，例如光折变效应，以及它在全息存储和光波导制造中的潜力。此外，饱和吸收材料在激光器中扮演着至关重要的角色，它们能够实现激光脉冲的调Q和锁模。本篇将详细阐述染料分子或某些缺陷在强光照射下如何发生吸收饱和，从而实现对激光能量的有效控制，产生短脉冲、高功率的激光输出。 非线性光学现象： 当光的强度达到一定程度时，材料的响应不再是线性的，从而引发一系列非线性光学现象。我们将介绍二次谐波产生（SHG）和三次谐波产生（THG），以及和频（SFG）和差频（DFG）等过程。这些现象使得我们可以通过非线性晶体（如BBO、KDP、LiNbO₃等）将激光频率进行转换，获得不同波长的光源，极大地扩展了激光的应用范围。我们还将探讨自聚焦、自相位调制等效应，以及它们在光纤通信和超快光学中的重要性。 第二篇：玻璃之灵——无序结构中的光之传承 与晶体截然不同，玻璃呈现出一种原子排列无序但局部短程有序的结构。这种“冻结的液体”状态，赋予了玻璃独特的加工性能和广阔的光学应用前景。 玻璃的形成与结构： 本篇将首先介绍玻璃的宏观性质，如透明度、耐腐蚀性、以及其高熔点和易塑性。我们将深入到原子层面，分析玻璃的无定形结构，理解网络形成剂（如SiO₂、B₂O₃）和网络修饰剂（如Na₂O、CaO）的作用，以及它们如何影响玻璃的物理和光学特性。我们将特别关注玻璃的折射率、色散特性以及热膨胀系数等关键参数。 掺杂玻璃：色彩的源泉与光纤的灵魂： 玻璃是承载掺杂离子的绝佳基质。与晶体不同，玻璃的无序结构允许掺杂离子更均匀地分布，并且在某些情况下，能够带来更宽的发光光谱。我们将重点介绍掺铒光纤（EDFA）的原理，分析铒离子在二氧化硅玻璃基质中的能级结构和激发过程，以及它们如何实现对光信号的放大，这无疑是现代光通信网络的基石。此外，我们还将探讨其他掺杂玻璃在激光器、LED和发光显示等领域的应用，例如掺钕玻璃（Nd:Glass）激光器，其在大能量激光系统中的作用。 玻璃的光谱特性与色散控制： 玻璃的色散特性是影响光学系统性能的关键因素。我们将详细介绍不同类型玻璃（如冕牌玻璃、火石玻璃）的阿贝数（Abbe number）差异，以及它们在消色差透镜设计中的应用。读者将了解如何通过组合不同色散特性的玻璃，来校正色差，获得更清晰的成像。我们还会探讨异常色散现象，以及它在超快光学脉冲压缩中的作用。 玻璃的纳米结构与表面修饰： 随着纳米技术的发展，对玻璃材料的控制能力得到了极大的提升。本篇将介绍如何通过控制玻璃的纳米结构，如形成纳米晶体或有序介孔结构，来赋予玻璃新的光学功能，例如超材料（Metamaterials）的构建，它们能够实现负折射等奇异的光学现象。同时，我们将探讨玻璃表面的涂层技术，如减反射膜、增透膜等，以及它们如何优化光的传输效率，减少损失。 第三篇：应用与未来——光之魂的无限可能 在理解了晶体和玻璃的光学本质之后，本书的第三篇将聚焦于这些材料在现代科技和社会中的实际应用，并展望它们未来的发展趋势。 固体激光器的核心： 从工业加工、医疗美容到科学研究，固体激光器已经无处不在。我们将详细介绍不同类型的固体激光器，包括掺钕玻璃激光器、Nd:YAG激光器、光纤激光器、二极管泵浦固体激光器（DPSS）等，并分析它们的设计原理、性能指标以及应用领域。读者将了解到，材料的选择、泵浦方式、谐振腔设计以及热管理等因素，共同决定了激光器的最终性能。 光通信与信息传输： 现代通信网络高度依赖于光纤技术，而光纤正是由特殊的玻璃材料制成。我们将探讨光纤的传输损耗机制、色散补偿技术，以及光放大器（如EDFA）在长距离信息传输中的关键作用。 精密测量与传感： 激光的精确性和单色性使其成为高精度测量的理想工具。本书将介绍激光在干涉测量、测距、光谱分析等领域的应用，以及基于特殊光学材料的传感器，它们能够灵敏地探测温度、压力、化学物质等变化。 新兴技术与前沿探索： 随着科学技术的飞速发展，对光学材料的需求也在不断变化。我们将探讨有机-无机杂化材料、量子点、二维材料等新型光学材料的最新研究进展，以及它们在非线性光学、光电转换、量子信息处理等领域的潜在应用。例如，研究人员正致力于开发新型高非线性材料，以实现更高效的频率转换；探索具有优异光电性能的材料，以制造更高效的太阳能电池和LED。 《光之魂：晶体与玻璃的奥秘》不仅仅是一本关于材料的教科书，它更是一次对人类智慧如何驾驭自然力量的赞颂。通过深入浅出的讲解和丰富的实例，本书将带您领略光与物质之间和谐共舞的奇妙景象，激发您对科学探索的无限热情。无论您是光学领域的专业人士，还是对光电技术充满好奇的学生，亦或是希望了解科技如何改变世界的普通读者，都能在这本书中找到属于自己的光芒。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计相当朴实，没有那些花里胡哨的插图，一眼看过去就知道是学术类的读物。书脊上的书名“固体激光材料物理学”也直接点明了主题，不过对于我这样的初学者来说，光是这个名字就够让人望而生畏的了。我当初翻开这本书，更多的是抱着一种“试试看”的心态，想了解一下固体激光到底是怎么回事，它的材料方面有什么特别之处。我对这个领域知之甚少，只知道激光在很多高科技领域都有应用，比如医疗、工业，甚至军事。所以，我想从这本书里找到一些基础的物理原理，以及那些构成激光“心脏”的材料，它们又是如何被挑选和处理的。我期望书中能有一些直观的比喻，或者图示，来帮助我理解那些抽象的物理概念，比如能级跃迁、粒子数反转之类的。我对材料的晶体结构、光谱特性，以及它们与激光性能之间的关系非常好奇。这本书的篇幅看上去不算太厚，但内容肯定很密集，我估计需要反复阅读才能消化。我希望它能给我一个清晰的脉络，从宏观到微观，一步步揭示固体激光材料的神奇世界。

评分☆☆☆☆☆

我购买这本书，更多的是出于对“材料”这个关键词的好奇。在我看来，任何技术，最终都要落脚到具体的材料上。固体激光，顾名思义，就是利用固态物质作为工作介质的激光器。这本书，想必是在这个“介质”上大做文章。我最想了解的是，是什么样的材料特性，使得某些固体能够被用作激光工作物质？是它们的电子能级结构，还是它们的光学性质？书中是否会介绍一些关键的物理参数，比如吸收系数、发射截面、荧光寿命，以及这些参数是如何影响激光输出的？我特别想知道，工程师们是如何通过改变材料的成分、掺杂浓度、或者进行各种表面处理，来优化激光器的性能的。是不是有一些“魔法”般的配方，能够让材料产生更强、更稳定的激光？我希望这本书能让我明白，那些看似不起眼的固体材料，在激光技术中扮演着多么至关重要的角色，它们是如何被精雕细琢，最终成为高科技的基石的。

评分☆☆☆☆☆

坦白说，我一开始买这本书，完全是冲着它的“固体”这两个字来的。我一直觉得，那些在科幻电影里出现的，能够穿透一切的激光束，背后的实现原理一定非常复杂，而“固体”这个词，在我的想象中，代表着一种坚固、稳定、可以被精确操控的物质形态。我好奇的是，到底是什么样的固体材料，才能够承载如此强大的能量，并且以如此有序的方式释放出来？是某种特殊的晶体，还是经过特殊设计的合金？这本书会不会深入探讨这些材料的微观结构，比如它们的原子排列方式，电子在其中的运动规律，以及这些微观特性是如何影响宏观的光学性质的？我特别想知道，工程师们是如何在这些材料中“注入”能量，又是如何控制激光的波长、功率和方向的。书中的讲解会不会涉及到一些实验技术，比如如何合成这些特种材料，或者如何测量它们的性能参数？如果能有一些实际的案例分析，比如某种在特定领域表现优异的固体激光材料，那就更好了。我对那些看似普通，实则蕴含巨大能量的材料充满敬畏，这本书能否为我揭开这层神秘的面纱，是我非常期待的。

评分☆☆☆☆☆

当我拿到这本书时，其实并没有抱太高的期望，想着不过是又一本堆砌专业术语的教科书罢了。然而，翻开之后，我还是被书中某种严谨的逻辑和一丝不苟的论述所吸引。它不像市面上很多通俗读物那样，为了吸引读者而过度简化，而是坚持用科学的态度去剖析问题。我尤其关注书中关于“物理学”的部分。激光的产生，归根结底是量子力学和电磁学的范畴，我希望这本书能够从这些基础的物理原理出发，解释固体材料为何能产生受激辐射。比如，它会不会详细介绍能带理论，解释在固体材料中电子是如何被激发到高能级，以及这些能级之间的跃迁过程是如何被控制的？还有，书中会不会触及到一些更深层次的物理现象，比如声光效应、电光效应，以及它们与激光性能的关联？我对那些能够影响激光输出的物理机制非常感兴趣。如果书中能够用清晰的数学公式和详细的物理推导来支撑论点，那将是一场智力上的盛宴。我希望这本书能让我理解，固体激光不仅仅是“发光”这么简单，而是背后有深厚的物理学支撑。

评分☆☆☆☆☆

这本书的名字“固体激光材料物理学”让我联想到一种非常具体而微观的视角。我感兴趣的是，这本书是否会深入探讨构成固体激光器的各种“原料”，它们究竟有什么“过人之处”。比如，是否会详细介绍不同类型的固体激光晶体，例如掺杂了稀土元素的钇铝石榴石（YAG）、钛宝石，或者其他一些我叫不上名字的材料？这些材料的化学成分、晶体结构、缺陷控制，以及它们如何影响激光器的性能，例如阈值、效率、波长稳定性等等，这些内容是我非常想了解的。书中会不会有一些关于材料制备工艺的介绍，比如晶体生长技术，或者薄膜沉积技术？毕竟，材料的质量直接决定了激光器的品质。我还好奇，书中是否会对比不同材料的优劣，以及它们各自适用的应用场景。比如，为什么某种材料适合做高功率激光器，而另一种则更适合做精密测量？我希望这本书能够提供一个系统性的视角，让我理解这些固体材料是如何被“炼制”成激光器的核心部件的。