信息材料基础_第三章_光电子材料基础.ppt

2019 12 19 1 第三章光电子材料基础 2019 12 19 2 概述半导体光学性质激光原理和激光材料光电子集成技术 2019 12 19 3 2 1概述 光电子技术是由光学和电子技术相结合形成的一门高薪技术 它伴随光通信和信息科学的发展而发展 光电子材料是指具有光子和电子的产生 转换和传输功能的材料 包括激光材料 光纤材料和光电显示材料等 光电子技术从上世纪60年代激光器的发明开始 到70年代低损耗光纤的实现 半导体激光器的成熟 CCD的问世 再到80年代超晶格量子阱材料和工艺的发展 掺铒光纤放大器和激光器的研制成功 短短几十年得到了迅速的发展 2019 12 19 4 2 2半导体光学性质 半导体与光的作用包括反射 吸收和透过 而吸收特性主要取决于半导体的能带结构 半导体吸收光谱 2019 12 19 5 半导体光吸收过程 自由载流子吸收 毫米波和微波杂质吸收 杂质粒子的跃迁声子吸收 晶格振动引起激子吸收 激子的形成带间吸收 价带到导带的跃迁 激子 指一种中性的非传导电的束缚状的电子激发态 2019 12 19 6 半导体的激发与复合 半导体的激发光吸收 电流注入 电子束注入由光吸收导致的光发射现象称为光致发光由电流注入或者雪崩导致的光发射现象称为电致发光由电子束激发导致的光发射现象称为阴极射线发光 半导体的复合被激发到较高能级的半导体材料 释放能量回到低能级状态的过程直接复合与间接复合体内复合与表面复合 半导体中载流子复合机制 三种释放能量方式发射光子 辐射型复合 发射声子 非辐射型复合 载流子之间的能量交换 2019 12 19 8 2 3激光原理和激光材料 2 3 1激光器的产生及历史 2019 12 19 9 1954年美国物理学家汤斯研制成第一台微波激射器 1 25cm 1958年美国的汤斯和苏联的巴索夫及普罗霍洛夫等人提出了激光的概念和理论设计 1960年美国的梅曼研制成功第一台红宝石激光器 我国的第一台激光器于1961年在长春光机所研制成功 王之江 中国激光之父 1916年爱因斯坦提出了受激辐射的概念 2019 12 19 10 1960 5 17 TedMaiman发明第一台激光器 2019 12 19 11 第一台红宝石激光器的拆卸图 2019 12 19 12 1960年12月 美国科学家贾万等人制造了第一台气体激光器 氦氖激光器 1962年 发明了半导体激光器 1966年 研制成了可在一定范围内连续调节波长的有机染料激光器 1965年 第一台大功率激光器 二氧化碳激光器诞生 1967年 第一台 射线激光器研制成功 2019 12 19 13 我国的第一台激光器于1961年在长春光机所研制成功 我国激光技术发展历史 1957年 王大珩等在长春建立了我国第一所光学专业研究所 中国科学院 长春 光学精密仪器机械研究所 简称 光机所 表一 我国各类激光器的 第一台 He Ne激光器1963年7月邓锡铭等掺钕玻璃激光器1963年6月干福熹等GaAs同质结半导体激光器1963年12月王守武等脉冲Ar 激光器1964年10月万重怡等CO2分子激光器1965年9月王润文等CH3I化学激光器1966年3月邓锡铭等YAG激光器1966年7月屈乾华等 2019 12 19 14 h 2 3 2 1自发辐射受激辐射和受激吸收 自发辐射 原子在没有外界干预的情况下 电子会由处于激发态的高能级E2自动跃迁至低能级E1 这种跃迁称为自发辐射 自发辐射光子频率 2 3 2激光的基本原理 白炽灯 日光灯等普通光源 它们的发光过程就是上述的自发辐射 频率 振动方向 相位都不固定 不是相干光 2019 12 19 15 受激吸收 当原子中的电子处于低能级时 吸收光子的能量后从低能级跃迁到高能级 光吸收 光子 2019 12 19 16 受激辐射 当原子中的电子处于高能级时 若外来光子的频率恰好满足 时 电子会在外来光子的诱发下向低能级跃迁 并发出与外来光子一样特征的光子 受激辐射 全同光子 实验表明 受激辐射产生的光子与外来光子具有相同的频率 相位 偏振方向和发射方向 2019 12 19 17 在受激辐射中通过一个光的作用 得到两个特征完全相同的光子 如果这两个光子再引起其它原子产生受激辐射 就能得到更多的特征完全相同的光子 光放大 激光 光放大 LASER 受激辐射光放大LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation 2019 12 19 18 2 3 2 2粒子数正常分布和粒子数反转 通常处于低能级的电子数较处于高能级的电子数要多 粒子数正常分布 玻耳兹曼统计分布 若E2 E1 则两能级上的原子数目之比 2019 12 19 19 数量级估计 T 103K kT 1 38 10 20J 0 086eV E2 E1 1eV 但要产生激光必须使原子激发 且N2 N1 称粒子数反转 2019 12 19 20 粒子数反转 激光产生的必要条件 如何实现 内因 粒子体系 工作物质 的内部结构 外因 给工作物质施加外部作用 2019 12 19 21 原子处在激发态时间很短10 8s 但还有一些亚稳态 可以停留10 3s 在亚稳态上粒子数不断积累 实现粒子数反转 达到光放大的目的 工作物质内部结构 铬离子 钕离子 2019 12 19 22 三能级系统 四能级系统 红宝石 Cr3 YAG Nd3 2019 12 19 23 给工作物质施加外部作用 由于热平衡分布中粒子体系处于低能级的粒子数 总是大于处于高能级的粒子数 要实现粒子数反转 就得给粒子体系增加一种外界作用 促使大量低能级上的粒子反转到高能级上 这种过程叫做激励 或称为泵浦 2019 12 19 24 固体工作物质 光泵浦 掺铬刚玉 掺钕玻璃 掺钕钇铝石榴石等气体工作物质 气体放电 如CO2 He Ne等半导体 注入大电流泵浦 如砷化镓等其它泵浦方式 化学激励法 超音速绝热膨胀法 电子束激励法 核激励等 从能量的角度看 泵浦过程就是外界提供能量给粒子体系的过程 2019 12 19 25 2 3 2 3激光的形成 光学谐振腔 其作用是产生和维持光振荡 光在粒子数反转的工作物质中传播时 得到光放大 当光到达反射镜时 又反射回来穿过工作物质 进一步得到光放大 这样不断地反射现象为光振荡 从部分透反射镜透射出的光很强 这就是输出的激光 2019 12 19 26 激光的方向性 单色性很好 光在谐振腔传播时形成驻波 由驻波条件 不满足此条件的光很快减弱而被淘汰 谐振腔又起选频的作用 单色性好 根据上面的分析 产生激光有三个主要元素 1 激活介质能经受激发射而使入射光强放大 2 能使激活介质产生粒子数反转的泵浦装置 3 放置激活介质的谐振腔 产生和维持光振荡 从而实现光放大并实施发射频率的选择 2019 12 19 27 2019 12 19 28 2 3 2 4激光产生的阈值条件 在谐振腔中存在很多损耗因素 如反射镜的吸收 透射和衍射等 工作物质不均匀引起的光折射和散射等 如果这些损耗抵消了光放大过程 就不能有激光输出 激光产生的阈值条件 R1和R2为谐振腔两块反射镜的发射率 a v 为工作物质增益系数 L为两个反射镜的距离 2019 12 19 29 阈值公式表明 光在谐振腔中每经过1次往返 即经过2次反射后 光强都要改变倍 如小于1 就意味着往返一次后光强减弱 来回多次反射后 它将变得越来越弱 因而不可能建立激光振荡 只有当粒子反转数达到一定数值时 光的增益系数才足够大 因此 实现光振荡并输出激光 除了具备合适的工作物质和稳定的光学谐振腔外 还必须减少损耗 加快泵浦抽运速率 从而使粒子反转数达到产生激光的阈值条件 2019 12 19 30 2 3 3激光器组成 工作物质 基质和激活离子 激励源 泵浦 光学谐振腔 2019 12 19 31 光学谐振腔 通过工作物质对激光提供反馈 以激发更多的光发射 工作物质 能够借外来能源激励实现粒子数反转并产生受激辐射放大作用的物质系统 包括固体 晶体 玻璃 气体 原子气体 离子气体 分子气体 液体和半导体等 激光器利用泵浦 闪光灯或另一种激光器以及气体放电激励 化学激励 核能激励 等激发源激发工作物质实现激射 2019 12 19 32 工作物质激光器最重要的部分是工作物质 包括激活离子和基质 用过渡金属离子 如Cr3 激活的三能级激光晶体 如Cr3 Al2O3氧化物激光晶体固体激光器材料用稀土离子 如Nd3 氟化物激光晶体激活的四能级体系复合石榴石激光晶体激光玻璃 钕玻璃 色心激光晶体 如LiF KCl 原子气体气体激光器材料离子气体 氩离子 氪离子 工分子气体 CO2 CO N2分子 作准分子气体 XeF KrF 物有机荧光染料 如罗丹明6B 质液体激光器材料稀土螯合物 如Eu TTA 3 Eu BTF 4 钕氧氯化硒 Nd3 SeOCl2 半导体激光器材料 可见光激光管材料 如AlGaAs 红外激光管材料 GaAs Pb1 XSnXTe 非线性光学材料 LiNbO3 激光器辅助材料窗口 透镜材料 如GaAs ZnSe 抗反射涂层 ZrO2 SiO2 TiO2 MgF2等 其它 2019 12 19 33 2 3 4激光的特性 方向性 单色性 相干性 能量高度集中 2019 12 19 34 方向性强方向性即激光束的指向性 常以光束的发散角大小来评价 它与激光器的工作物质种类和谐振腔的形式有关 气体激光器工作物质均匀性好 谐振腔长 光束的方向性最强 发散角在10 3 10 4弧度 其中氦氖激光束发散角最小 固体和液体激光器工作物质均匀性较差 谐振腔较短 光束发散角较大 在10 2弧度范围 半导体激光器以晶体解理面为反射镜 形成的谐振腔非常短 光束方向性最差 2019 12 19 35 单色性好单色性为光源发出的光强按频率 或波长 分布曲线狭窄的程度 通常用频谱分布的宽度即线宽来描述 线宽越窄 光源的单色性越好 普通光源的发光是由大量能级间的辐射跃迁 其谱线很宽 呈连续或准连续分布 是多种波长的光 激光的单色性好 一些气体激光器 如氦氖激光 谱线宽度较窄 不到10 8nm 这比普通光源中单色性最好的氪等的谱线窄数万倍 2019 12 19 36 激光的单色性是因为 1 激光器的受激辐射发生在荧光谱线固定的两能级之间 只有频率满足一定条件的光波才能得到放大 2 激光谐振腔的干涉作用使得只有那些满足谐振腔共振条件的频率 并且又落在工作物质谱线宽度内的光振荡才能形成激光输出 激光单色性受工作物质的种类和谐振腔性能的影响 气体激光束单色性较好 谱线宽度半宽值小到103Hz 固体激光单色性较差 半导体激光器单色性最差 2019 12 19 37 相干性高光的相干性 是指在空间任意两点光振动之间相互关联的程度 普通光源发光都是自发辐射过程 每个发光原子都是一个独立的发光体 相互之间没有关系 光子发射杂乱无章 因此相干性很低 激光是受激辐射产生的 发射的光子具有相同的频率 位相和方向 因而相干性很高 光束的单色性与相干性是一致的 气体激光的相干性优于固体激光 例如 氦氖激光的相干波长可达数百米 2019 12 19 38 功率密度大对于可见光波段的激光而言 光束的高功率密度表现为亮度大 激光的亮度高是因其发光面积小 而且光束发散角也极小的缘故 例如一台输出仅1mW的氦氖激光器发出的光也比太阳表面亮度高出100倍 激光的功率密度大是通过光能在空间的高度集中实现的 如果将激光发射的时间尽量缩短可以获得更高的峰值功率 用调Q或锁模技术可使激光器在毫微秒 ns 或微微秒 ps 的极短时间内释放原来用数毫秒释放的能量 可获得兆瓦级峰值功率 采用一定的技术和装置控制激光器谐振腔的Q值按一定的程序和规律变化 从而达到改善激光器输出光脉冲的功率和时间特性 获得激光巨脉冲的目的的技术调Q技术 通常的激光器 一般都呈现为多个纵模同时振荡输出 用锁模技术对激光束进行特殊的调制 使不同的振荡模间的频率差保持一定 并具有确定的相位关系 诸振荡模相干叠加 激光器将输出一列时间间隔一定的超短脉冲 2019 12 19 40 1961年提出了调Q概念 即设想把全部光辐射能压缩到极窄的脉冲中发射 1962年 制成了第一台调Q激光器 输出峰值功率为600千瓦 脉冲宽度为10 7s量级 随后的几年发展的非常快 出现了多种调Q方法 如电光调Q 声光调Q 可饱和吸收调Q等 输出功率几乎呈直线上升 脉宽压缩也取得了很大进展 到了80年代 调Q技术产生脉宽为纳秒 ns 量级 峰值功率为吉瓦 GW 量级的巨脉冲已并非困难 调Q技术的出现是激光发展史上的一个重大突破 它不仅大大推动了上述一些应用技术的发展而且成为科学研究的有力工具 但是调Q技术压缩脉冲因受产生机制的制约 很难再进一步压窄 2019 12 19 41 1964年 又提出并实现了压缩脉宽 提高功率的新机制 锁模技术 由于它能使脉冲的持续时间压缩到皮秒 ps 10 12s 量级 所以也称为超短脉冲技术 从60年代到70年代 超短脉冲技术 包括主动锁模 被动锁模 同步泵浦锁模等相应的测量技术 得到了迅速的发展 到80年代初 Fork等人又提出了碰撞锁模理论 而且实现了碰撞锁模 得到了90fs的光脉冲序列 90年代 自锁模技术的出现 在钛蓝宝石自锁模激光器中得到了8 5fs的超短脉冲序列 锁模技术能产生脉宽为飞秒 fs 10 15s 峰值功率为太瓦 TW 1012W 以上的超短脉冲 为物理学 化学 生物学以及光谱学等学科对微观世界和超快过程的研究提供了重要手段 2019 12 19 42 2 3 5激光器的种类 激光器的分类 激励方式 工作物质 工作方式 输出波长 谐振腔结构 2019 12 19 43 工作物质 固体激光器 气体激光器 液体激光器 半导体激光器 自由电子激光器 工作方式 连续激光器 脉冲激光器 超短脉冲激光器 可调谐激光器 激光波长 红外光激光器 可见光激光器 紫外光激光器 毫米波激光器 X射线激光器 激励方式 电激励激光器 光泵浦激光器 热能激励激光器 化学激光器 谐振腔结构 内腔激光器 外腔激光器 环形腔激光器 光纤激光器 薄膜激光器 分布反馈激光器 2019 12 19 44 2 3 6激光材料 气体激光器固体激光器液体激光器半导体激光器 2019 12 19 45 2 3 6 1气体激光器 气体激光器是以气体或蒸气为工作物质的激光器 是目前种类最多 波长分布区域最宽 应用最广的一类激光器 已观察到近万条激光谱线 其波长覆盖从紫外到红外的整个光谱区域 并扩展到X射线波段和毫米波波段 气体激光器具有输出光束质量高 转换效率高 结构简单 造价低廉等优点 被广泛应用于工农业 国防 医学及其他科研领域等 2019 12 19 46 气体激光器激励方式 光激励 热激励 化学能激励 电激励 气体放电 电子束激励 气体激光器最主要的激励方式 2019 12 19 47 气体放电激励 在高压电场下 气体粒子发生电离而导电 在导电过程中 高速电子与气体粒子 原子 分子 离子 碰撞 使后者激发到高能级 形成粒子数反转 气体放电分为直流或交流连续放电 射频放电和脉冲放电等 光激励 指用特定波段的光照射工作物质 在吸收对应波长的光能后 产生粒子数反转 光激励的气体激光器主要工作于远红外和亚毫米波段的激光器 2019 12 19 48 热激励 化学能激励 利用某些工作物质本身发生化学反应所释放的能量来激励工作物质 建立粒子数反转而实现受激辐射 采用化学能激励的激光器称为化学激光器 其最大特点是将化学能直接转换成激光 原则上不需外加电源或光源最为激励原 采用某种高温加热的方式使整个气体工作物质体系温度升高 从而使较多的粒子处于高能级状态 然后再通过某种方式 如气体绝热膨胀方式 使热弛豫时间较短的某些较低能级上的粒子倒空 而热弛豫时间较长的某些较高能级上的粒子得以积累 从而实现粒子数反转 2019 12 19 49 气体激光器 原子激光器 离子激光器 分子激光器 准分子激光器 原子激光器 以氦 氖激光器为代表 这种激光器大都是连续工作方式 输出功率在100mW以下 多用于检测和干涉计量 离子激光器 以氩离子激光器为代表 这种激光器可以发射较强的连续功率激光 功率可达几十瓦 是可见光中的重要激光器件 多用于扫描 医学及全息学等方面 2019 12 19 50 分子激光器 以CO2激光器为代表 因红外波长激光的热效应高 故多用于激光刀 医疗 机械加工方面 还用于测距 通信 准分子激光器 特点 发光都在紫外波段 用途 用于微细加工 光刻及医学 原理 不是分子固有能级跃迁发光 而是当两种元素的原子被高能量的电脉冲激励时 两种元素的原子在瞬态结合成的准分子的能级间跃迁产生的受激发光 发光后 分子很快分解成原子 气体原子激光器输出谱线 632 8nm 1 15 m 3 39 m 以632 8nm为最常见 功率在mW级 最大1W光束质量好 发散角可小于1mrad单色性好 带宽可小于20Hz稳定性高 2019 12 19 51 He Ne激光器 He Ne激光器是最早问世的气体激光器 主要波段在可见光区或近红外区 具有输出光束质量好 输出功率和频率稳定度高 结构简单紧凑等特点 寿命可达数万小时 2019 12 19 52 He Ne原子能级结构 2019 12 19 53 He Ne激光器属典型的四能级系统 Ne原子激光上能级的激发主要有两个过程 a 电子碰撞直接激发 b He Ne能量共振转移过程 过程b激发Ne的速率是过程a激发速率的60 80倍 2019 12 19 54 He Ne激光器结构形式和实物图 He Ne激光器结构 2019 12 19 55 组成 放电管 电极 光学谐振腔 毛细管 放电工作增益区 贮气管 增加工作气体总量 采用冷阴极形式 通常为铝或者铝合金 阳极为钨针 一般采用直流放电激励 放电长度为1m激光器 起辉电压8000V 工作电流几毫安至几百毫安 由一对高反射率的多层介质膜反射镜组成 一般采用平凹腔形式 输出平面镜透过率1 2 凹面全反镜的反射率接近100 2019 12 19 56 Cu原子蒸气激光器 金属蒸气激光器是利用被加热的金属蒸气为工作物质的激光器 包括金属蒸气原子激光器和金属蒸气离子激光器两大类 前者包括铜 金 锰 铅和锌等 Cu原子激光器是典型的自终止跃迁激光器 自终止 自限 跃迁方式 通常发生于中性原子系统中 原子的第一激发共振能级具有最大的电子碰撞激发截面 选为激光上能级 而激光下能级为亚稳能级 系统在短脉冲电流激发下 形成瞬态粒子数反转 由于亚稳能级的禁戒跃迁性质 系统很快不满足激光振荡条件 跃迁自行终止 所以只能以脉冲形式运转 2019 12 19 57 Cu原子能级结构 Cu原子能级结构和激光跃迁 分子气体激光器波长9 11 m 最常见10 6 m效率高光束质量好功率范围大 几瓦 数十万瓦 运行方式多样结构多样 2019 12 19 58 CO2激光器 CO2激光器是最重要 应用最广泛的激光器 其连续波输出功率达数十万瓦 脉冲输出能量达数万焦耳 脉冲功率达1012W 能量转换效率达20 25 2019 12 19 59 CO2分子是线性对称排列的三原子分子 有一条对称轴以及垂直于对称轴的对称平面 具有三种基本振动方式 对称振动 1 形变振动 2 反对称振动 3 CO2分子的振动能级可用振动量子数来表示 2019 12 19 60 CO2分子能级结构 CO2激光器类型 封离型纵向激励CO2激光器高功率轴快流CO2激光器高功率横流CO2激光器横向激励高气压CO2激光器波导CO2激光器 2019 12 19 61 CO2激光器运行方式 2019 12 19 62 高功率分子激光器工作物质 准分子气体高重复率可调谐量子效率高波长短 紫外到可见区 2019 12 19 63 主要的准分子激光器 准分子激光器 2019 12 19 64 准分子激光器能级结构 跃迁过程 束缚态 自由态泵浦要求 大面积均匀放电快速泵浦激励泵浦方式 电子束泵浦脉冲放电泵浦 2019 12 19 65 电子束激励准分子激光器结构图 Ar 激光器 气体离子激光器主要波长488nm 514 5nm常见功率几十瓦 最高500W能量转换效率低 2019 12 19 66 气体离子激光器是以气态离子在不同激发态之间的激光跃迁工作的一种激光器 主要分惰性气体离子激光器 分子气体离子激光器和金属蒸气离子激光器 特点是输出波段遍布紫外到近红外 是目前可见光波段连续输出功率最高的激光器 阈值电流密度相当高 可达几百安培 Ar 激光器工作原理 2019 12 19 67 Ar 能级的粒子数反转主要靠气体放电中电子与Ar Ar 之间的碰撞激发过程 Ar 激光器工作特性 阈值电流强度磁场对输出效率的影响 可以减少离子对放电管壁的轰击 提高输出功率和效率输出谱线 488 0nm和514 5nm 2019 12 19 68 2019 12 19 69 2 3 2固体激光器及材料 固体激光器是以固体为工作物质的激光器 目前 实现激光振荡的固体工作物质达数百种 输出激光谱线达数千条 连续运转输出功率达数千瓦 脉冲激光能量达几十万焦耳 峰值功率高达拍瓦 1015W 广泛应用于工农业 军事技术 医学 分子生物学和科学研究等 2 3 2 1固体激光器基本结构 激光工作物质泵浦源谐振腔聚光腔冷却与滤光 2019 12 19 70 2019 12 19 71 2 3 2 2固体激光器工作物质 工作物质包括激活离子和基质材料 作为激活离子掺入固体基质的元素 常见的大致分为 过渡族金属离子 如Cr3 Ni2 Co2 三价稀土金属离子 如Nd3 Ho3 Er3 二价稀土金属离子 如Sm2 Tm2 Dy2 镝 固体基质材料可粗略分为晶体和玻璃两大类 要求 具备清晰的荧光线 强的吸收带及相当高的量子效率 优良的光学 热学性能和机械性能 晶体质量 对光学损伤或机械损伤的抵御能力 化学稳定性等也至关重要 1 离子大小 晶体的晶格格点必须与激活离子的大小相当 在离子晶体中 离子半径之差大于15 就不能直接掺入1 以上的激活离子 但用稀土激活的晶体激活离子的掺入量可大于1 2019 12 19 73 2 电性中和 掺杂剂价态如与基质阳离子不同 则要采取适当的电荷补偿技术维持高掺杂下的电性中和 否则掺杂剂的溶解度将受到限制 例如CaWO4中如只掺入稀土取代Ca2 溶解度就受到限制 这时再加入Na 稀土溶解度才增加 3 抗热冲击能力 基质的某些物理性质决定该晶体对突然爆发的泵浦能的抗热冲击能力 对一些运转方式如连续运转或高功率 高重复率脉冲运转颇为关键 对于这些运转方式 利用热膨胀系数低 强度高 热导率高的晶体更合适 这些性质的相对数值大体上与化合物的熔点有关 因此使用高熔点化合物更有利 2019 12 19 74 4 光学性质 理想晶体应对泵浦波长有较强吸收 对激发波长吸收很弱 5 纯度 生长激光晶体所用氧化物纯度为5 6个 9 总杂质含量不得超过1 10ppm 主要的基质晶体 金属氧化物晶体 刚玉 钇铝石榴石 YAG 铝酸钇 YAP 钒酸钇 YVO4 五磷酸钕 NPP 五磷酸镧钕 NLPP 氟化物晶体 氟化钙 氟化钡 氟化钇锂 氟磷酸钙 FAP 高浓度自激活晶体 如NdP5O14中Nd3 的浓度在50 可达到4 1021cm 3 比YAG Nd3 最高掺杂 1 2 高30倍 这类晶体的激活成分本身就是基质的组成 故称作自激活晶体 是发展微型激光器最有应用前景的材料色心晶体 碱金属卤化物 如LiF Nd3 LiF Na 2019 12 19 75 2019 12 19 76 2 3 2 3固体激光器泵浦系统 固体激光工作物质中的粒子数反转分布都是由光泵激励来实现的 泵浦系统包括泵浦光源和聚光腔两大部分 泵浦光源必须具有较高的辐射功率密度和效率 并且与工作物质的吸收带相匹配 聚光腔又称泵浦腔 其作用是将泵浦光源的辐射能量传输到激光工作物质上去 2019 12 19 77 泵浦光源 惰性气体放电灯脉冲氙灯 Xe气气压高 短时间大电流放电连续氪弧灯 具有稳定的 显著线状光谱特性的光辐射 发光效率高 Nd3 YAG 金属蒸气放电灯白炽灯发光二极管激光太阳能泵浦 2019 12 19 78 脉冲氙灯的发射光谱图 连续氪弧灯的发射光谱图 2019 12 19 79 聚光腔 为将泵浦光源的辐射能量有效传输到激光工作物质上去 采用多种不同的投射系统 聚光腔大致分为侧面泵浦 端面泵浦和面泵浦三种 侧面泵浦 2019 12 19 80 端面泵浦 2019 12 19 81 面泵浦 优点 泵浦光均匀性好 散热效果好 热畸变较小 适用于大功率固体激光器 2019 12 19 82 2 3 2 4固体激光器的构型 典型光泵浦固体激光器的工作物质都采用圆柱形状 为改善输出激光特性和适应特殊场合要求 还有一些特殊构型 如板条状激光器 盘片状激光器和光纤激光器等 2019 12 19 83 板条状激光器 锯齿形光路板条状激光器 锯齿形光路增加了光束的增益长度 提供了激活介质的利用率和激光器的效率 增大了激光器的输出功率 2019 12 19 84 光纤激光器 光纤激光器原理图 2019 12 19 85 光纤激光器特点 光纤芯径很小 光纤内易形成高的泵浦光功率密度 光纤可以做成很长 因此可获得很高的总增益 谐振腔镜可直接镀在光纤端面 可设计紧凑的激光器构型可获得相当宽的调谐范围和极好的单色性 光纤激光器类型 晶体光纤激光器 红宝石单晶光纤激光器和Nd3 YAG单晶光纤激光器 非线性光学型光纤激光器 受激拉曼散射和受激布里渊散射 稀土类掺杂光纤激光器 基质 玻璃 激活离子 稀土离子塑料光纤激光器 基质 塑料光纤 激活离子 激光染料 2019 12 19 86 举例1 红宝石激光器 最早的激光系统是红宝石激光器 Rubylaser 由Maiman1960年发明 并且至今仍然是一个重要的激光系统 红宝石激光器以刚玉为基质晶体 掺入0 05 wt的Cr3 作激活离子 刚玉化学式为Al2O3 Al2O3为红宝石激光晶体 掺杂的Cr3 取代 Al2O3晶格中的Al3 离子 2019 12 19 87 用氙灯的强可见光照射到红宝石晶体上 Cr3 离子的d电子从基态4A2激发到较高的激发态4F1 4F2能级 这些能级上的电子通过非辐射过程很快回到稍低一些的能级2E 2E激发态能级的寿命非常长 约为5 10 3秒 这意味着有足够的时间可以将这种激发状况普遍化 实现粒子数反转 从能级2E回到基态就产生激光 在这一转变过程 晶体相中许多离子互相激励 便产生了强的波长为693nm的相干红光脉冲 红宝石激光器能级结构 2019 12 19 88 红宝石激光器的主体是一根长数百厘米 直径1 2厘米的红宝石晶体棒 周围环绕着闪烁灯 还可以在两侧也装上灯 使得它从各方向都受到有效的辐照 棒的一个侧端装有一个镜子 使得发出光又返回棒中 另一侧端装有Q阀 其实这是一个可旋转的镜子 既可以允许激光束从系统中射出 又可以将光束返回棒中 只是当光束强度达到最佳要求时才被发射出来 这样 由于激光束在棒中往返通过 形成了更多的激活中心 就使初始相干辐射脉冲强度变大 红宝石激光器的构造 2019 12 19 89 红宝石激光器输出特性 右侧反射镜反射率约为50 时最佳 阈值较低 腔内光能密度较大 耦合效率较高 激光输出最强 2019 12 19 90 红宝石激光器工作特性 2019 12 19 91 举例2 Nd3 YAG激光器 掺钕钇铝石榴石晶体 Nd3 YAG 是以无色透明的钇铝石榴石晶体 化学式Y3Al5O12 记作YAG 为基质 掺入Nd3 为激活离子 Nd3 部分取代YAG中的Y3 掺钕的重量比为0 725 掺钕后 晶体是淡紫色 2019 12 19 92 Nd3 YAG激光器能级结构 4F3 24I9 20 914 m4F3 24I11 21 06 m4F3 24I13 21 35 m 2019 12 19 93 Nd3 YAG激光器输出特性 连续工作Nd3 YAG激光器输出特性 2019 12 19 94 Nd3 YAG激光器工作特性 连续工作Nd3 YAG激光器工作特性 2019 12 19 95 2 3 6 3液体激光器 染料激光器 有机染料溶液为工作物质无机液体激光器 无机液体为工作物质 液体可在很大的体积内做到完全均匀 从而可以提高激光辐射的能量 如果让液体在容器内循环流动 就能够改善激光器的散热特性 液体具有固定的光学性能 并且是各向同性的 工作过的液体很容易用新鲜液体进行替换 而且价格便宜 最重要的特点是激光辐射的频率在比较宽的波长范围内连续可调 染料激光器 以某种有机染料溶解于一定溶剂中作为激活介质的激光器波长可调谐 调谐范围宽 0 34 1 2 m 每个脉冲激光能量可达数十焦耳 峰值功率达几百兆瓦 能量转换效率高达50 结构简单价格便宜稳定性差 2019 12 19 96 染料分子的结构 2019 12 19 97 与激光有关的染料都含有单键和双键构成的碳原子链 共轭双键 染料分子的荧光波长主要取决于碳原子链的长度 链长则荧光波长也长 但链过长 就会变得不稳定而容易断裂 若丹明 6G和香豆素2的分子结构式 染料分子的能级 2019 12 19 98 单态激发单态激发三重态 染料为大分子结构 振 转动能级耦合及染料分子与溶剂分子的碰撞使能级展宽为宽的能带 染料的吸收和发射过程 2019 12 19 99 染料分子的激光过程是一个四能级系统 并且其发射的荧光波长较之吸收波长 有斯托克斯频移 泵浦 光激发 通常为激光激发 将染料分子激发到S1能级 激励方式 横向和纵向 2019 12 19 100 激光的猝灭 由于S1S0的发射能量与T1T2的吸收能量接近 所以 如果有大量染料分子积累在T1态上 发出的激光就会被T1态吸收 称这种现象为激光猝灭 消除激光猝灭方法 使溶液富含氧 T1态能量通过氧迅速释放返回基态S0 染料激光器的调谐 发展染料激光器的主要目的就是要实现激光波长的调谐 波长能在几十纳米范围连续可调 这是染料激光的特点或优点 调谐方法 光栅衍射法或色散频谱上狭缝移动法 常用染料的波长范围 2019 12 19 101 无机液体激光器 2019 12 19 102 无机液体激光器产生激光的机理类似于玻璃激光器 在掺钕的无机液体激光器中 激活离子也是Nd3 不同之处是其基质是无机液体 因此 它的激光性能与钕玻璃激光器基本一致 Nd3 POCl3 SnCl4 P2O3Cl4无机液体激光器发光效率达2 流动性好 毒性和腐蚀性较小Nd3 SeOCl3 SnCl4无机液体激光器阈值低 能量转换效率高 但毒性和腐蚀性较大 粘度高 流动性差 无机液体激光器结构及特性 2019 12 19 103 无机液体激光器的结构 优点 易于获得大功率大能量输出 掺钕浓度高 易制备体积大 光学质量高的工作物质 制作简单 成本低 缺点 热膨胀系数大 因此不能高频率工作 具有毒性和腐蚀性 2019 12 19 104 2 3 6 4半导体激光器 半导体激光器是指以半导体材料为工作物质的一类激光器 主要特点 超小型 重量轻 激活面积约为0 5 0 5mm2 效率高 微分量子效率大于50 能量转换效率大于30 发射激光波长范围宽 通常谱宽在0 5 30 m之间 使用寿命长 可达百万小时以上 准连续输出功率达300W 脉冲输出功率达1000W以上 2019 12 19 105 固体能带理论 固体中由于大量原子紧密结合 使得单原子的能级分裂为宽的能带 能带由相距很小的精细能级组成 电子在能带中的分布形式决定了固体材料的导电性能 由此分为导体 半导体和绝缘体三种 1 禁带宽度 2 费米能级 指导带底与价带顶之间的能量差 通常用符号Eg表示 指绝对零度时全满电子态与全空电子态的能量分界面 或绝对零度时电子占据的最高能态的能量 用符号EF表示 半导体费米能级 本征 纯 半导体的费密能级位于禁带中心 2019 12 19 106 p n结的形成 半导体掺杂 用本征半导体中所不具有的一种元素部分替换本征半导体晶格中某一种原子 杂质 被掺入本征半导体的元素称为杂质 P型掺杂 用低价元素掺杂本征半导体 N型掺杂 用高价元素掺杂本征半导体 P型半导体 P掺杂形成的半导体 以空穴导电 费米能级降低 N型半导体 N掺杂形成的半导体 以电子导电 费米能级升高 2019 12 19 107 p n结的形成 由于N型半导体中有富裕的自由电子 而P型半导体中有富裕的自由的空穴 所以当P型和N型半导体接触时 P型半导体中的空穴就会向N型中扩散 而N型半导体中的电子向P型中扩散 结果是P型端带负电 而N型端带正电 因而会形成内建电场 内建电场的方向从N型端指向P型端 从而又阻止电子和空穴的扩散 最后 依靠电子和空穴浓度梯度的扩散和内建电场的电作用达到平衡 在接触面附近形成一个耗尽层 即p n结 2019 12 19 108 载流子的迁移和复合 载流子的迁移无外加电场 作完全无规则运动有外加电场 在电场作用下的定向运动 载流子的复合直接复合与间接复合体内复合与表面复合 半导体中载流子复合机制 三种释放能量方式发射光子发射声子载流子之间的能量交换 2019 12 19 109 半导体激光器中粒子数反转 重掺杂 由于费米能级随掺杂浓度而变化 所以使用重掺杂使P型半导体的费米能级进入价带 而使N型半导体的费米能级进入导带 这样在p n结耗尽层中就形成等价的四能级结构 2019 12 19 110 Ec Ev EFp EFn p n V V 当重掺杂半导体 给p n结施加足够的正向偏置电压后 满足eV Eg 在结区导带上的电子与价带上的空穴复合 发射激光 2019 12 19 111 电注入式半导体激光器 一般是由GaAs 砷化镓 InAs 砷化铟 InSb 锑化铟 等材料制成的半导体面结型二极管 沿正向偏压注入电流进行激励 在结平面区域产生受激发射 光泵式半导体激光器 一般用N型或P型半导体单晶 如GaAs InAs InSb等 做工作物质 以其他激光器发出的激光作光泵激励 高能电子束激励式半导体激光器 一般也是用N型或者P型半导体单晶 如PbS CdS等 做工作物质 通过由外部注入高能电子束进行激励 在半导体激光器件中 目前性能较好 应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器 半导体激光器的激励方式 2019 12 19 112 半导体激光器的结构和谐振腔 半导体激光器的谐振腔直接利用垂直于P N结平面的半导体两个严格相互平行的解理面 110面 组成谐振腔 反射率通常在30 50 所以损耗较大 但半导体的转换效率很高 达50 80 所以足以维持足够的增益 此外 通过镀二氧化硅膜 还可提高端面的反射率 获得更高的增益 2019 12 19 113 常见半导体激光器 一 同质结半导体激光器 同质半导体激光器以GaAs激光器为代表 通过掺入不同比例的Al形成三元化合物AlxGa1 xAs改变禁带宽度 可获得不同波长的输出 缺点 阈值电流正比于温度的立方 所以只能在低温 液氮 下连续工作 室温下只能脉冲工作 寿命较短 2019 12 19 114 二 单异质结半导体激光器 由不同半导体材料组成的p n结称为异质结 异质结又分为同型异质结 p p n n 和异型异质结 p n 1 异质p n结的形成 异质p n结的形成过程与同质p n结的形成类似 仍然涉及电子 空穴的扩散和内建电场的反作用 最后两种作用达到平衡 形成稳定的电子 空穴分布 接触前异质能级图 接触后平衡态异质p n结能带图 2019 12 19 115 施加正偏置电压后非平衡态异质p n结能带图 Ec Ev EFn P N V V EFp 2 正偏置异质p n结的粒子反转与增益 2019 12 19 116 3 单异质p n结激光器 实际的单异质p n结激光器做成三层结构 即p p n n或p p n n 型 要求中间层的折射率最大 形成波导结构 使激光发射约束在中间层中 提高激光转换效率 中间层厚度较薄 提高激光发射效率 常见的单异质p n结激光器为GaAs GaAs AlxGa1 xAs或AlyGa1 yAs AlyGa1 yAs AlxGa1 xAs结构 掺杂形成p p n p p n n 型单异质结激光器 其能带结构类似p n型的能带图 除了耗尽层厚度大一点外 谐振腔两端面与结平面垂直 激光在中间层中振荡 发射 单异质结激光器比同质结激光器具有更高的效率 低的阈值电流 2019 12 19 117 三 双异质p n结激光器 双异质结激光器仍为电注入结区 由电子和空穴复合而产生 由于结区是由不同的半导体材料结合而成 使得电子和空穴不再往深处扩散 而在结的交界面反射 因折射率的差异 于是电子积蓄在狭窄区域内 使电子浓度增高 减小扩散吸收损耗 从而提高了光的增益 降低了阈值电流 有利于实现室温下连续运转 多层结构双异质结构示意图 2019 12 19 118 四 量子阱激光器 同质结激活区厚度为1 m阈值电流大于30000A cm2异质结激活区厚度为0 1 0 4 m单异质结约为8000A cm2 双异质结约为1600A cm2当双异质结厚度进一步减小到1 10nm时 激活区宽度已经与电子的量子波长相当甚至更小 激活区内电子的运动受到强烈约束 导致电子和空穴在导带底和价带顶的能量出现不连续分布 这种陷阱称为量子阱 用量子阱结构制成的半导体激光器称为量子阱激光器 优点 阈值电流更低 200A cm2 谱线宽度窄 调制速率高 光束质量好 2019 12 19 119 五 分布反馈 DFB 激光器 一种侧壁被做成周期性光栅波导结构的半导体激光器 根据周期性波导的耦合原理 只要光栅周期是波导中1 2光波长的整数倍 该周期性光栅就会使导波光反馈 因此不需要解理端面来实现光反馈 优点 阈值电流密度小 频率特性好 可获得单模单频输出 有利于制造集成光路 2019 12 19 120 2 3 7激光材料制取方法 2 3 7 1激光晶体制取方法 2 3 7 2半导体激光材料的制取方法 2019 12 19 121 A焰熔法 维尔纳叶法 氢氧燃烧产生的高温使料粉通过火焰加热熔融 熔滴落在籽晶上 使籽晶杆下降进入炉子的较冷部分随即结晶 该法设备简单 不用坩埚 适于生长熔点大于1800 可达2500 的晶体如红宝石 钇铝石榴石 Y3A15O12 和Y2O3等基质晶体 缺点是晶体内应力大 位错密度高及存在化学不均匀性 2 3 7 1激光晶体制取方法 2019 12 19 122 B直拉法适于生长共熔化合物单晶 易自动化 能生长非常大的完美单晶 如CaWO4 CaMoO4 红宝石 碱土金属卤化物及石榴石晶体等 近年来出现的钆钪镓石榴石Gd3Sc2Ga3O12 简称GSGG 就是用直拉法生长的 采用铱坩埚在含l 3 O2的氮气氛中生长 感应加热 已生长出直径130mm 长100mm的晶坨 晶体尺寸大 质量高 适于制造高平均输出 1KW 的板条激光器 规格l 10 20cm3 在金属加工方面可与CO2激光器竞争 2019 12 19 123 作为可买到的商品Nd YAG一般都采用直拉法生长 已制出最大直径约10mm 长达150mm的激光棒 还制出直径75mm的非掺YAG晶锭 由于生长时间慢 0 5mm h 生长10 15cm长的晶棒 耗时数周 造成高的生产成本 目前正在研制400一1000W的Nd YAG板条激光器 此外 钕含量比YAG高6倍的Nd LMAO Nd La1 XMgAl11O19 也是用直拉法生长的 这种晶体解决了钕含量低使输出功率受限制的问题 已实现高功率输出 近年内可望制成千瓦级小型固体激光器 其激射波长为1 054 m 2019 12 19 124 该法将籽晶置于坩埚底部的中心位置 熔料装到籽晶的上方 坩埚位于热交换器的上部 用石墨电阻炉生长激光晶体 对于给定的物料 炉温决定液体内的温度梯度 热交换器的温度决定固体内的温度梯度 固液界面因浸没在熔体表面以下 不受机械和温度扰动的影响 故可实现均匀生长 最大限度地降低生长条纹 获得均匀的掺杂分布 该法适于生长Cr A12O3 红宝石 Nd YAG Co MgF2和Ti A12O3 蓝宝石 能获得大尺寸优质晶体 如 65mm的Co MgF2晶体和 320mm 重50Kg的蓝宝石晶体 C热交换器 HEM 法 2019 12 19 125 半导体激光器主要用于光学器件 激光唱盘 激光印刷机和光纤通信等领域 目前研制的半导体激光材料体系 短波长 0 7 1 0 m 材料以 Ga Al As GaAs为主 长波长 1 10 1 6 m 材料以 In Ga As P InP为主 因此GaAs InP衬底材料及 Ga Al As In Ga As P 外延膜质量至关重要 2 3 7 2半导体激光材料的制取方