光材料 信息时代

1、2020/11/3,1,信息时代 信息技术 信息材料,第一章 绪论,1.1 信息时代,信息:是人类的一切生存活动和自然存在所传达出来的信号和消息。它一般泛指我们所说的消息、情报、指令、数据及信号等周围环境的知识。,可传递性和共享性 信息必须依附于载体 信息的可处理性 信息的时效性,信息的主要特征,2020/11/3,2,人类社会时代变迁：,劳动，土地密集,机器、工厂为主,？,产生传输地位,一是信息成为最为重要的战略资源 伊拉克战争 非对称性,二是信息产业上升为最重要的产业 微软 英特尔,三是信息网络成为社会的基础设置 wto 全球化 一体化 地球村,全球信息量增长趋势,2020/11/3,3,

2、20世纪90年代初全球互联网用户还不到9万，1999年为1.7亿，2000年为4.14亿 因特网信息传输量增长率：300% 每天电子邮件：14亿封 2000年：全球网页21亿个 2000年，与因特网相连的主机7240万台。而1993年只有131万台。,全球因特网用户发展趋势,亚太地区国际互联带宽发展趋势,2020/11/3,4,1992年，当时的参议员、前美国副总统阿尔戈尔提出美国信息高速公路法案。1993年9月，美国政府宣布实施一项新的高科技计划“国家信息基础设施”（national information infrastructure，简称nii），旨在以因特网为雏形，兴建信息时代的高速公

3、路“信息高速公路”，使所有的美国人方便地共享海量的信息资源。,信息高速公路(information highway)实质上是高速信息电子网络，它是一个能给用户随时提供大量信息，由通信网络、计算机、数据库以及日用电子产品组成的完备网络体系。开发和实施信息高速公路计划,不仅促进信息科学技术的发展,而且有助于改变人们的生活、工作和交往方式。,信息技术: 是指信息的获取、存储、处理、传输和显示的技术，即人们对信息的获取、处理和应用的能力。,1.2 信息技术,信息技术,信息获取技术 信息处理技术 信息传递技术 信息存储技术 信息显示技术,2020/11/3,5,人类史上的五次信息技术革命,语言的使用 口

4、耳相传 便于信息传输和收集 文字的使用 易于存储 克服时间局限 造纸术和印刷术的应用 存储空间 传播范围 电报、电话、广播、电视的发明与普及应用 速度 容量 时空界限 计算机的普及应用和计算机与现代通信技术的结合,信息技术的应用,网上学校、现代远程教育 自动取款机、可视电话、远程诊疗 信息高速公路、 “地球村” 网上购物、信息检索、电子邮件,20世纪以来，信息技术经历： 电子学和微电子学技术 信息的载体 电子 光电子学技术 信息的载体 电子和光子 光子学技术 信息的载体 光子,2020/11/3,6,材料的重要性,材料是人类进化史上的里程碑，历史学家曾用材料来划分时代。,现代文明的三大支柱：材

5、料、能源、信息 材料又是一切技术发展的物质基础。,1.3 信息材料,1.3.1 概述,2020/11/3,7,存储器材料的变迁大致可分为四个阶段：由1955年的存储器为水银延迟线1963年的存储器为具有方形磁滞特性的铁氧体磁心1970年涂敷的氧化铁粉（磁盘）近10年光存储技术（可擦写光盘的介质材料有磁光型和相变型两类） 光通信系统材料: 低损耗光纤（光导纤维：高纯石英搀杂p、ge等元素氟化物玻璃光导纤维）、化合物半导体激光器、大屏幕显示等相关材料的研制是其发展的基础和核心。 电子工业数千亿的全球市场，90%的市场份额是硬件及其相关材料。 新能源技术：如受控核聚变、太阳能利用、地热发电、磁流体发

6、电、氢能贮存等方面的发展，很大程度上取决于新材料研制和开发。 例：太阳能是目前人类受惠最大的自然资源。但太阳能是低值能源，只能达到1kw/m2,且转换率只10-20%。要提高发电效率，必须从集热体、半导体材料方向进行突破。（太阳能电池材料中目前最有希望大量应用的是硅太阳能电池。单晶硅光电池光电转换效率高，但材料价格较贵。多晶硅光电池效率只达13，半导体gaas的转换效率可达2028。采用多层复合结构，通过选择性吸收涂层和光谱转换涂层可进一步提高转换效率。ibm公司研制的多层复合太阳能电池，转换效率高达40）,2020/11/3,8,生态环境不断恶化,资源加速枯竭,世界人口迅速增长,材料是现代文

7、明的重要支柱,科学技术进一步发展,人类生活水平进一步提高,对材料科学领域提出了更高的要求,人们早就知道了喷气航空发动机比螺旋桨航空发动机有很多优点，但由于没有材料能承受喷射出燃气的高温，使这种理想只能是空中楼阁。直到1942年制成了镍基耐热合金这种新材料、才使喷气发动机的制造得以实现。 如果不能制成高纯度大直径的硅单晶，就不会有高度发展的集成电路，也不会有今天如此先进的计算机和一切电子设备。,2020/11/3,9,结构材料 功能材料,利用其力学性质，要求在使用条件下能承受一定的载荷。,通过光、电、磁、声、热、湿、气、生物等特性而完成特定功能的材料。,1.3.2 材料分类,美国贝尔研究所j.

8、a. morton博士1965年,功能材料分类 材料的物质性 材料的应用性 材料的功能性,2020/11/3,10,金属功能材料 形状记忆合金 、贮氢合金、减振合金 、超耐热合金、非晶态合金、 超导合金等 无机非金属功能材料 热功能陶瓷、光功能陶瓷、磁功能陶瓷 、 精密电子陶瓷、功能转化陶瓷 、 超硬陶瓷、生物功能陶瓷等 有机功能材料 导电高分子材料、液晶聚合物材料、光功能高分子材料、高分子分离膜、有机铁磁材料、生物高分子材料、化学功能高分子材料等 复合功能材料 金属基复合材料、陶瓷基复合材料、高分子基复合材料等,根据材料的物质性：,2020/11/3,11,材料的应用性,信息材料 电子材料

9、电工材料 能源材料 航空航天材料 生物医用材料,材料的功能性,电学功能材料 磁学功能材料 光学功能材料 声学功能材料 热学功能材料 生物医学功能材料,2020/11/3,12,信息材料,指用于信息的获取、存储、处理、传输和显示的微电子材料和光电子材料，是信息技术基础和先导。信息材料领域的每一次创新都会推动信息技术和产业向前发展。,信息材料,信息获取材料 信息处理材料 信息传输材料 信息存储材料 信息显示材料,1.3.3 信息处理技术及材料,信息处理工具 古代：中国简单的计算工具：算筹算盘 西方：计算尺是主要的计算工具，机械式计算机穿孔卡片计算机继电器计算机1946年电子计算机的诞生。,2020

10、/11/3,13,世界上第一台电子计算机 埃尼阿克（eniac）。1946年诞生于美国的 宾夕法尼亚大学。,重达30吨，占地170多平方米，全机用了18000多个电子管，5000多个继电器，10000多只电容器，7000多个电阻，功率150千瓦，运算速度每秒钟5000次。 它的耗电量超过174千瓦小时，据说在使用时全镇的电灯都会变暗；而且它的电子管平均每隔15分钟就要烧坏一只。 目前，以大规模集成电路为基础，以中央处理器（cpu）为核心的电子计算机技术是主要的信息处理技术。,信息处理材料 信息处理材料主要指用于对电信号或光信号进行检波、倍频、混频、限幅、开关、放大等信号处理的器件的一类信息材料

11、，包括微电子信息处理材料和光电子信息处理材料。 微电子信息处理即对电子电路中的信息电流、电压等信号进行接收、发射、转换、放大、调制、解调、运算、分析等处理，以获取有用的信息。 光电子信息处理包括光的发射、传输、调制、转换和探测等，而光电子信息处理材料则是基于光信号的发射、传输、调制、转换和探测的一类材料。,2020/11/3,14,1.3.4 信息传输技术及材料,移动电话 卫星通信 无线通信 光纤通信,低损耗的熔石英光纤 长寿命的半导体激光器 掺铒光纤放大器,光纤和光缆的传输速率及损耗特性比较,2020/11/3,15,光纤通信系统发展阶段及其主要进展,2020/11/3,16,损耗特性与光的

12、工作波长有关,在三个工作窗口有相对小的损耗: 第一窗口光工作波长0.85m,损耗稍大 第二窗口光工作波长1.31m,损耗中等 第三窗口光工作波长1.55m,损耗最小,1.3.5 信息存储技术及材料,信息存储的作用： * 允许保存电子数据；* 为防止数据丢失而提供备份保护；* 防止因丢失数据带来的费用；* 允许现场或非现场文档的存储,数字信息存储要求：高存储密度、高数据传输率、高存储寿命、高擦写次数、低设备投资和低价格。,2020/11/3,17,存储方式,内存储,外存储,cpu可以直接访问内存，提取时间短（ns），容量一般在512mb。,只读存储器rom（read-only memory） 随

13、机存取存储器ram（random access memory）,一般不直接与微处理器打交道，外存中的数据应先调入内存，再由微处理器进行处理。,磁存储：磁带、软磁盘、硬磁盘 光存储：cd、vcd、dvd等,2020/11/3,18,硬磁盘技术的发展,光盘、硬盘和磁带性能比较,2020/11/3,19,1.3.6 信息显示技术及材料,当今世界是信息大爆炸的年代，据测算，上世纪末信息的年均增长率为20，到2020年将达到每两个半月翻一番的惊人速度。 在人们经各种感觉器官从外界获得的信息中，视觉占60，听觉占20，触觉占15，味觉占3，嗅觉占2。 进入21世纪以来，显示技术作为人机联系和信息展示的窗口

14、已应用于娱乐、工业、军事、交通、教育、航空航天、卫星遥感和医疗等各方面。在我国，显示技术及相关产业的产品占信息产业总产值的45左右。可见，显示产业已经成为电子信息工业的一大支柱产业。,2020/11/3,20,传统显示技术,阴极射线管（crt）显示 阴极射线加速后轰击荧光屏上的荧光材料y2o2s：eu（红色）、zns：ag（蓝色）和zns：(cu，al）（绿色）， 发出各种彩色的光。,1897年，布劳恩管发明； 1953年，日本黑白电视广播开始 1958年，中国黑白电视广播开始 1960年，日本彩色电视广播开始 1973年，中国彩色电视广播开始 1996年，日本推出纯平crt彩电 1999年，

15、中国推出纯平crt彩电,平板显示技术 等离子体显示（pdp）利用等离子产生的紫外线激发涂有荧光粉的电极而发出不同的由三基色混合的可见光。 液晶显示（lcd） 利用外加电压或者电流，可以改变液晶分子取向，从而改变液晶分子的光学和电学性质，最终实现显示的目的。 发光二极管（led）显示 利用载流子在pn结附近的复合作用而发光。 有机电致发光显示（oled） 加入外加偏压后，电子空穴分别经过电子传输层与空穴传输层后，进入一具有发光特性的有机物质，在其内部发生强相互作用，形成一个激子，再将能量释放出来回到基态，发出相应的光子。,2020/11/3,21,1.3.7 信息获取技术及材料,目前，获取信息的

16、技术主要是光电子技术，运用的器件包括探测器和传感器。,光子探测器,光电导型,光生伏特型,光磁电型,探测器,热探测器,热释电型,热敏电阻型,目前，探测器由分立器件向焦平面阵列发展。,2020/11/3,22,半导体探测器,光探测器，特别是红外光探测器一般由半导体材料制成，根据探测波长不同，又分为狭能隙半导体材料和宽能隙半导体材料。 半导体材料有锗 (ge) 和硅 (si) ; 化合物有硫化镉 (cds) 、硫化铅 (pbs) 、硒化铅 ( pbse) 、锑化铟 (insb) 、砷化铟 (inas) , 还有三元化合物铟镓砷 (ingaas) 、碲锡铅 (pb1- x snxte) 和碲镉汞(hg

17、1- xcdxte)。,几种半导体材料及其相应波段,2020/11/3,23,传感器,分为半导体传感器和光纤传感器两类。,半导体传感器材料在外场（光、热、电、磁等）作用下引起半导体性能发生变化，由此获得外场的信息。,传感器,力敏传感器 热敏传感器 光敏传感器 磁敏传感器,光纤传感器 光纤传感主要基于外部世界各种物理量或化学量变化引起光纤光学参数（包括相位、偏振态、波长、幅度、模功率分布、光程等）的变化。 功能性光纤传感器 利用光纤本身的某种敏感特性或功能制作的传感器。如磁敏元件传感器 、热敏传感器、气敏传感器等； 传光型光纤传感器 光纤仅起传输光波的作用，必须在光纤中间或端面加装其他敏感元件才

18、能构成传感器。如反射式位移传感器、半导体吸收温度传感器 、光纤多普勒速度传感器等。,2020/11/3,24,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,第二章 光电子材料基础,2.1 概 述,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。,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

19、示材料等。,2020/11/3,25,2.2 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。,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,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

20、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,2020/11/3,27,1954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,2.3.1 激光器的产生及历史,2.3 激光原理和激光材料,2020/11/3,28,1960-5-17，ted

21、 maiman 发明第一台激光器,第一台红宝石激光器的拆卸图,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。 1965年，第一台大功率激光器二氧化碳激光器诞生。 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。 1967年，第一台射线激光器研制成功。,2020/11/3,29,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 196

22、3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,2020/11/3,30,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

23、方向、相位都不固定，不是相干光。,2020/11/3,31,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,2020/11/3,32,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。,2020/11/3,33,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

24、大,laser：受激辐射光放大 light amplification by stimulated emission of radiation,2020/11/3,34,2.3.2.2 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 e 1，则两能级上的原子数目之比,2020/11/3,35,数量级估计：,t 103 k； kt1.3810-20 j 0.086 ev; e 2-e 11ev;,但要产生激光必须使原子激发，且 n2 n1, 称粒子数反转。,2020/11/3,36,粒子数反转：激光产生的必要条件！,如何

25、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,2020/11/3,37,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、氖原子、二氧化碳分子、氩离子,2020/11/3,38,三能级系统,四能级系统,红宝石：cr3+,yag：nd3+,2020/11/3,39,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

26、过程叫做激励，或称为泵浦。,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。,2020/11/3,40,2.3.2.3 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。,2020/11/

27、3,41,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。,2020/11/3,42,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。,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

28、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。,2020/11/3,43,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。,2020/11/3,44,2.3.3 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,工作物质：

29、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。 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。,2020/11/3,45,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

30、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、pb1xsnxte） 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,2020/11/3,4

31、6,2.3.4 激光的特性,方向性,单色性,相干性,能量高度集中,+,2020/11/3,47,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10-310-4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。,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

32、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。,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

33、差。,2020/11/3,48,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。,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

34、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。,2020/11/3,49,1961

35、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。,1964年，又提出并实现了压缩脉宽、提高功率的新

36、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。,2020/11/3,50,2.3

37、.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,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；,2020/11/3,51,2.3.6 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,2.3.6.1 气体激光器,气

38、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。,电激励 光激励 热激励 化学能激励,气体放电 气体激光器最主要的激励方式 电子束激励,气体激光器激励方式,2020/11/3,52,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

39、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。,热激励 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。,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

40、光，原则上不需外加电源或光源最为激励原。,2020/11/3,53,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。,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

41、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。,2020/11/3,54,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。,气体原子激光器 输出谱线：632.8nm，1.15m，3.39m，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,2020/11/3,55,he-ne原子能级结构,2020/1

42、1/3,56,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6080倍,2020/11/3,57,he-ne激光器结构形式和实物图,he-ne激光器结构,2020/11/3,58,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

43、透过率12%，凹面全反镜的反射率接近100%。,2020/11/3,59,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。,2020/11/3,60,cu原子能级结构,cu

44、原子能级结构和激光跃迁,2020/11/3,61,co2激光器,分子气体激光器 波长 911m，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,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2025%。,2020/11/3,62,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。,2020/11/3,63,co2分子能级结构,

45、2020/11/3,64,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,co2激光器运行方式,2020/11/3,65,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,主要的准分子激光器,准分子激光器,2020/11/3,66,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,2020/11/3,67,电子束激励准分子激光器结构图,2020/11/3,68,ar+激光器,气体离

46、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,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。,2020/11/3,69,ar+激光器工作原理,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。,2020/11/3,70,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

47、出谱线： 488.0nm和514.5nm,2.3.6.2 固体激光器,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。,2020/11/3,71,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,2020/11/3,72,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

48、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。,2020/11/3,73,(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

49、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。 （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56个“9”，总杂质含量不得超过110ppm 。,2020/11/3,74,主要的基质晶体,金属

50、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41021cm-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+,最早的激光系统是红宝石激光器（ruby laser），由maiman 1960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

51、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。,红宝石激光器,2020/11/3,75,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510-3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

52、。,红宝石激光器能级结构,2020/11/3,76,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,2020/11/3,77,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

53、较高，激光输出最强。,2020/11/3,78,红宝石激光器工作特性,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。,2020/11/3,79,nd3+：yag激光器能级结构,4f3/2 4i9/2 0.914m 4f3/2 4i11/2 1.06m 4f3/2 4i13/2 1.35m,2020/11/3,80,nd3+：yag激光器输出特性,连续工作nd3+：yag激光器输出特性,2020/11

54、/3,81,nd3+：yag激光器工作特性,连续工作nd3+：yag激光器工作特性,2020/11/3,82,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。,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,2020/11/3,8

55、3,脉冲氙灯的发射光谱图,连续氪弧灯的发射光谱图,2020/11/3,84,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,端面泵浦,2020/11/3,85,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。,2020/11/3,86,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。,2020/11/3,87,板条状激光器,锯齿形光路板条状激光器,锯齿形光路增

56、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。,2020/11/3,88,光纤激光器,光纤激光器原理图,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。,2020

57、/11/3,89,2.3.6.3 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（0.341.2m）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,2020/

58、11/3,90,染料分子的结构,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,2020/11/3,91,染料分子的能级,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。,2020/11/3,92,染料的吸收和发射过程,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,

59、2020/11/3,93,激光的猝灭 由于s1 s0的发射能量与t1 t2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,2020/11/3,94,无机液体激光器,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