光电子材料激光课件

1、光电子材料光电子材料-激光一、激光器的诞生一、激光器的诞生19世纪的科学家们进行了关于电磁波的卓越的研究世纪的科学家们进行了关于电磁波的卓越的研究1905年爱因斯坦提出了光量子和光电效应年爱因斯坦提出了光量子和光电效应的概念，揭示了辐射的波粒二象性的概念，揭示了辐射的波粒二象性 1916年爱因斯坦提出了受激辐射的概念年爱因斯坦提出了受激辐射的概念1900年普朗克引入的能量量子的概念年普朗克引入的能量量子的概念 基础性、探基础性、探索性研究索性研究激光器的诞生激光器的诞生激光走向新技术的开发和工程应用激光走向新技术的开发和工程应用阶段阶段1954年研制成第一台微波激射器年研制成第一台微波激射器

2、1958年美国的汤斯和苏联的巴索夫及普罗霍洛夫等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年美国的梅曼研制成功第一台红宝石激光器；贾万等人研制成氦氖激光器。光器；贾万等人研制成氦氖激光器。我国的第一台激光器我国的第一台激光器于于1961年在长春光机年在长春光机所创制成功所创制成功 激光技术激光技术原理：利用受激辐射放大电磁波，可在紫外线、可见光、原理：利用受激辐射放大电磁波，可在紫外线、可见光、红外谱区红外谱区 极窄的频段内产生高强度相干辐射。极窄的频段内产生高强度相干辐射。激光的激光的特性特性使

3、之在光学应用领域带来了革命性的变化：使之在光学应用领域带来了革命性的变化： 方向性方向性单色性单色性相干性相干性高亮度高亮度接近单频接近单频干涉性好干涉性好发射方向的空间内能量高度集中发射方向的空间内能量高度集中 四十多年来，激光器的品种迅速增加：四十多年来，激光器的品种迅速增加： 固体激光器固体激光器 半导体激光器半导体激光器 固体激光器（固体激光器（半导体激光泵浦半导体激光泵浦） 化学激光器（化学激光器（HF/DF激光、氧碘化学激光器、激光、氧碘化学激光器、CO2激激光、燃料激光、氦氖激光光、燃料激光、氦氖激光）激光的种类激光的种类 自由电子激光器自由电子激光器 x射线激光器射线激光器 准

4、分子激光器准分子激光器 金属蒸气激光器等。金属蒸气激光器等。 铜蒸气激光 激光器的输出水平不断提高：激光器的输出水平不断提高：中、小功率器件中、小功率器件 高功率、高能量激光器；高功率、高能量激光器； 脉冲体制从连续波、准连续波到各种短脉冲、超短脉脉冲体制从连续波、准连续波到各种短脉冲、超短脉冲的激光。冲的激光。u连续的高能激光单次输出能量已达百万焦耳以上；连续的高能激光单次输出能量已达百万焦耳以上；u超短脉冲：纳秒超短脉冲：纳秒 皮秒皮秒 费秒费秒 阿秒阿秒 脉冲功率密度则可高达脉冲功率密度则可高达1020瓦瓦/cm2以上。以上。 p输出激光的频率覆盖着越来越广的范围输出激光的频率覆盖着越来

5、越广的范围：长至亚毫米（太赫兹）长至亚毫米（太赫兹）短至短至x射线射线激光也在探索中，分立的激光谱线达几千条；激光也在探索中，分立的激光谱线达几千条；激光器的工作原理激光器的工作原理 1激光器的物理基础 （1）光子的概念 光量子学说认为，光是由能量为hf 的光量子组成的，其中h=6.6281034 Js（焦耳秒），称为普朗克常数，f 是光波频率，人们将这些光量子称为光子。 当光与物质相互作用时，光子的能量作为一个整体被吸收或发射。 （2）原子能级 物质是由原子组成，而原子是由原子核和核外电子构成。原子有不同稳定状态的能级。 最低的能级E1 称为基态，能量比基态大的所有其他能级E i（i=2，3

6、，4，）都称为激发态。当电子从较高能级E2跃迁至较低能级E1时，其能级间的能量差为E =E2E1，并以光子的形式释放出来，这个能量差与辐射光的频率f 12之间有以下关系式1212hfEEE 式中，h为普朗克常数，f 12 为吸收或辐射的光子频率。 当处于低能级E1 的电子受到一个光子能量E =hf12的光照射时，该能量被吸收，使原子中的电子激发到较高的能级E2 上去。 光纤通信用的发光元件和光检测元件就是利用这两种现象。 （3）光与物质的三种作用形式 光与物质的相互作用，可以归结为光与原子的相互作用，将发生受激吸收、自发辐射、受激辐射三种物理过程。如图3-1所示。图3-1 能级和电子跃迁 在正

7、常状态下，电子通常处于低能级（即基态）E1，在入射光的作用下，电子吸收光子的能量后跃迁到高能级（即激发态）E2，产生光电流，这种跃迁称为受激吸收光电检测器。 处于高能级E2 上的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，也会自发地跃迁到低能级E1 上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射发光二极管。 在高能级E2上的电子，受到能量为hf12的外来光子激发时，使电子被迫跃迁到低能级E1 上与空穴复合，同时释放出一个与激光发光同频率、同相位、同方向的光子（称为全同光子）。由于这个过程是在外来光子的激发下产生的，所以这种跃迁称为受激辐射激光器。 注：受激辐射光为相干光，自发辐射光是

8、非相干光。 （4）粒子数反转分布与光的放大 受激辐射是产生激光的关键。 如设低能级上的粒子密度为N1，高能级上的粒子密度为N2，在正常状态下， N1 N2，总是受激吸收大于受激辐射。即在热平衡条件下，物质不可能有光的放大作用。 要想物质产生光的放大，就必须使受激辐射大于受激吸收，即使N2 N1 （高能级上的电子数多于低能级上的电子数），这种粒子数的反常态分布称为粒子（电子）数反转分布。 粒子数反转分布状态是使物质产生光放大而发光的首要条件。 2激光器的工作原理 激光器包括以下3个部分： 必须有产生激光的工作物质； 必须有能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源（泵浦源）； 必须有能够完成频

9、率选择及反馈作用的光学谐振腔。 （1）产生激光的工作物质 即处于粒子数反转分布状态的工作物质，称为激活物质或增益物质（基质材料+激活离子） ，它是产生激光的必要条件。 （2）泵浦源 使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源，称为泵浦源。 物质在泵浦源的作用下，使得N2N1，从而受激辐射大于受激吸收，有光的放大作用。这时的工作物质已被激活，成为激活物质或增益物质。 （3）光学谐振腔 激活物质只能使光放大，只有把激活物质置于光学谐振腔中，以提供必要的反馈及对光的频率和方向进行选择，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。 激活物质和光学谐振腔是产生激光振荡的必要条件。 图3-2 光学谐振腔的结构 光学

10、谐振腔的结构 在激活物质的两端的适当位置，放置两个反射系数分别为r1和r2的平行反射镜M1和M2，就构成了最简单的光学谐振腔。 如果反射镜是平面镜，称为平面腔；如果反射镜是球面镜，则称为球面腔，如图3-2所示。对于两个反射镜，要求其中一个能全反射，另一个为部分反射。 谐振腔产生激光振荡过程 如图3-3所示，当工作物质在泵浦源的作用下，已实现粒子数反转分布，即可产生自发辐射。如果自发辐射的方向不与光学谐振腔轴线平行，就被反射出谐振腔。只有与谐振腔轴线平行的自发辐射才能存在，继续前进。 当它遇到一个高能级上的粒子时，将使之感应产生受激跃迁，在从高能级跃迁到低能级中放出一个全同的光子，为受激辐射。

11、当受激辐射光在谐振腔内来回反射一次，相位的改变量正好是2的整数倍时，则向同一方向传播的若干受激辐射光相互加强，产生谐振。达到一定强度后，就从部分反射镜M2透射出来，形成一束笔直的激光。 当达到平衡时，受激辐射光在谐振腔中每往返一次由放大所得的能量，恰好抵消所消耗的能量时，激光器即保持稳定的输出。图3-3 激光器示意图 光学谐振腔的谐振条件与谐振频率 设谐振腔的长度为L，则谐振腔的谐振条件为 （3-2）或 （3-3） 式中，c为光在真空中的速度，为激光波长，n为激活物质的折射率，L为光学谐振腔的腔长，q=1，2，3称为纵模模数。 谐振腔只对满足式（3-2）的光波波长或式（3-3）的光波频率提供正

12、反馈，使之在腔中互相加强产生谐振形成激光。qnL2nLqf2cc 起振的阈值条件 激光器能产生激光振荡的最低限度称为激光器的阈值条件。如以G th表示阈值增益系数，则起振的阈值条件是 （3-4） 为光学谐振腔内激活物质的损耗系数，L为光学谐振腔的腔长，r1，r2为光学谐振腔两个反射镜的反射系数。21th1ln21rrLG激光器组成：激光器组成：工作物质工作物质(基质和激活离子基质和激活离子)、激发源、激发源(泵浦泵浦)、共振腔。、共振腔。工作物质：工作物质：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，包括固体的物质系统，包括固

13、体(晶体、玻璃、陶瓷晶体、玻璃、陶瓷)、气体、气体(原子气体、离子气体、分原子气体、离子气体、分子气体子气体)、液体和半导体等。、液体和半导体等。激光器利用激光器利用泵浦泵浦(闪光灯或另一种激光器以及气体放电激励、化学激闪光灯或另一种激光器以及气体放电激励、化学激励、核能激励励、核能激励)等激发源激发工作物质实现激射。等激发源激发工作物质实现激射。共振腔作用：共振腔作用：通过工作物质对激光提供反馈，以激发更多的光发射。通过工作物质对激光提供反馈，以激发更多的光发射。工作物质工作物质激光器最重要的部分是工作物质，包括使原子高低能态分布反转的激活离子和基质。激光器最重要的部分是工作物质，包括使原子

14、高低能态分布反转的激活离子和基质。用过渡金属离子（如Cr3+）激活的三能级激光晶体，如Cr3+：Al3 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、P

15、b1XSnXTe） 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 固态基质材料可粗略分为固态基质材料可粗略分为晶态固体、玻璃和陶瓷晶态固体、玻璃和陶瓷几几大类。大类。要求：要求：具备清晰的荧光线、强的吸收带及相当高具备清晰的荧光线、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。的量子效率，优良的光学、热学性能和机械性能。(1)离子大小离子大小：晶态基质的晶格格点必须与激活：晶态基质的晶格格点必须与激活离子的大小相当。在离子晶体中，离子半径之差大于离子的大小相当。在离子晶体

16、中，离子半径之差大于15就不能直接掺入就不能直接掺入1以上的激活离子。但用稀土激以上的激活离子。但用稀土激活的晶体激活离子的掺入量可大于活的晶体激活离子的掺入量可大于1。 (2)电性中和电性中和：掺杂剂价态如与基质阳离子不同，则要采：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。例如的溶解度将受到限制。例如CaWO4中如只掺入稀土取代中如只掺入稀土取代Ca2+，溶解度就受到限制，这时再加入溶解度就受到限制，这时再加入Na+，稀土溶解度才增加。，稀土溶解度才增加。 (3)抗热冲击

17、能力抗热冲击能力：基质的某些物理性质决定该晶体对突：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，对确定运转方式如连续运转然爆发的泵浦能的抗热冲击能力，对确定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，或高功率、高重复率脉冲运转颇为关键。对于这些运转方式，利用利用热膨胀系数低、强度高、热导率高的晶体更合适热膨胀系数低、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。熔点化合物更有利。 高强度激光器：晶体有较高的热导率（泵浦源辐高强度激光器：晶体

18、有较高的热导率（泵浦源辐照后晶体产生的热必须用照后晶体产生的热必须用冷却剂使之在激光棒表面迅冷却剂使之在激光棒表面迅速耗散速耗散）。）。电荷补偿技术电荷补偿技术对物理性能有不利影响，如在对物理性能有不利影响，如在CaWO4中采用一价离子会使晶体的中采用一价离子会使晶体的热膨胀系数增加热膨胀系数增加，强度和热导率降低强度和热导率降低（三价离子为宜）。（三价离子为宜）。（4）光学性质）光学性质：理想晶体应对泵浦波长有较强吸：理想晶体应对泵浦波长有较强吸收，对激射波长吸收很弱。收，对激射波长吸收很弱。 （5）纯度）纯度：生长激光晶体所用氧化物纯度为：生长激光晶体所用氧化物纯度为56个个“9”，总杂质

19、含量不得超过，总杂质含量不得超过110ppm 。读教材读教材P153-172 激光材料制取方法激光材料制取方法1 激光晶体制取方法激光晶体制取方法A 焰熔法焰熔法(维尔纳叶法维尔纳叶法)氢氧燃烧产生的高温使料粉通过火焰撒下熔融，熔滴落在氢氧燃烧产生的高温使料粉通过火焰撒下熔融，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，适于生长熔点大于备简单、不用坩埚，适于生长熔点大于1800(可达可达2500)的晶的晶体如体如红宝石、钇铝石榴石红宝石、钇铝石榴石(Y3A15O12)和和Y2O3等基质晶体，缺点等基质晶体

20、，缺点是晶体内应力大、位错密度高及存在化学不均匀性。是晶体内应力大、位错密度高及存在化学不均匀性。 B 直拉法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，美单晶， 如如CaWO4、CaMoO4、红宝石、碱土金属卤化物及石、红宝石、碱土金属卤化物及石榴石晶体等。榴石晶体等。 近年来出现的近年来出现的钆钪镓石榴石钆钪镓石榴石Gd3Sc2Ga3O12 (简称简称GSGG)就是用就是用直拉法生长的。采用铱坩埚在含直拉法生长的。采用铱坩埚在含l3O2的氮气氛中生长的氮气氛中生长(感应加感应加热热)，已生长出直径，已生长出直径130mm

21、、长、长100mm的晶坨，晶体尺寸大、质量的晶坨，晶体尺寸大、质量高、适于制造高平均输出高、适于制造高平均输出(1KW)的板条激光器（规格的板条激光器（规格l10 20cm3)，在金属加工方面可与，在金属加工方面可与CO2激光器竞争。激光器竞争。作为可买到的商品作为可买到的商品Nd YAG（钇铝石榴石钇铝石榴石 ）一般都采用直拉一般都采用直拉法生长，已制出最大直径约法生长，已制出最大直径约10mm、长达、长达150mm的激光棒。还制出的激光棒。还制出直径直径75m m的非掺的非掺YAG晶锭。由于生长时间慢晶锭。由于生长时间慢(0.5mm/h)，生长，生长1015cm长的晶棒，耗时数周，造成高的

22、生产成本。目前正在研制长的晶棒，耗时数周，造成高的生产成本。目前正在研制400一一1000W的的Nd YAG板条激光器。板条激光器。此外，钕含量比此外，钕含量比YAG高高6倍的倍的Nd：LMAO(Nd ：La1XMgAl11O19)也是用直拉也是用直拉法生长的。这种晶体法生长的。这种晶体解决了钕含量低使输出功率受限制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，其激射波长为出，近年内可望制成千瓦级小型固体激光器，其激射波长为1054m。 C热交换器热交换器(HEM)法法 该法将该法将籽晶籽晶置于坩埚置于坩埚底部底部的中心位置，

23、的中心位置，熔料装到籽晶的上方熔料装到籽晶的上方、坩埚位于热交、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纹，获得均匀的掺杂分布(指分凝系数小于指分凝系数小于1的元素的元素)。该法适于生长

24、。该法适于生长Cr：A12O3(红红宝石宝石)、Nd：YAG、Co：MgF2和和Ti：A12O3(蓝宝石蓝宝石)，能获得大尺寸优质晶体，能获得大尺寸优质晶体，如如65mm的的Co： MgF2晶体和晶体和 320mm、重、重50Kg的蓝宝石晶体。的蓝宝石晶体。 表：典型的固态激光材料系统及工作原理表：典型的固态激光材料系统及工作原理基质掺杂剂敏化剂 激光波长（m)工作性能效率(%)工作温度(K)泵浦源红宝石Cr3+0.6943输出数J/Pulse0.7300Y3Al5O12Nd3+1.0641输出达数百W（连续）或100J/Pulse0.4300氙闪光灯玻璃（硼酸盐、硅酸盐、磷酸盐等）Nd3+M

25、n2+, UO22+1.051.08YAlO3Nd3+Cr1.064225mJ/Pulse, Q开关20ns, 10pps100W(连续)1300连续波氪灯CaLa4(SiO4)3ONd3+1.061500mJ/Pulse, Q开关30ns, 30Pulse/s6mm75mm棒1300氙闪光灯Y3Al5O12Ho3+Er Tm2.1棒规格3mm50mm，20W (连续)477典化钨YLiF4Ho3+Er Tm2.064mJQ开关150mJ长脉冲（2 s ） 3mm50mm棒0.5300氙闪光灯YLiF4Er3+0.85500mJ/Pulse, 长脉冲, 5mm30mm棒, 阈值（10100）J

26、 0.03300氙闪光灯YAlO3Er3+1.666mm50mm棒, 阈值52J300氙闪光灯玻璃Er3+Yb1.544mm76mm棒输出0.86J（普通）输出0.18J（Q开关）0.1300氙闪光灯YAlO3Tm3+Cr2.355mm50mm棒, 阈值110J300氙闪光灯YLiF4Nd3+1.0535mm50mm棒, 阈值8J, 输出200mJ, 脉冲宽度100 s 07300氙闪光灯La2Be2O5Nd3+1.0705mm50mm棒, 输出9W（连续）0.33300碘钨灯表：波长可调激光晶体及工作性能表：波长可调激光晶体及工作性能激活离子基质晶体激光波长（m)温度（K）工作方式泵浦源Ti

27、3+Al2O3BeAl2O40.6801.1780.7800.820300300脉冲，连续脉冲激光器，灯激光器V3+CsCaF3MgF21.2401.3301.0501.30080200连续氪激光器Cr3+BeAl2O4Be3Al2Si6O12KZnF3ZnWO4Y3Ga5O12Gd3Ga5O12Gd3Sc2Al3O12Y3Sc2Ga3O12Gd3Sc2Ga3O12La3Lu2Ga3O120.7000.8300.7510.7590.7580.8750.7850.8650.9801.0900.7400.7600.7650.8010.7300.7450.8200.82030080300773003

28、00300300300300脉冲，连续脉冲脉冲连续连续连续连续连续连续灯灯氪激光器激光器激光器激光器激光器激光器激光器Co3+MgF2KMgF3KZnF3ZnF21.6302.451.621.9001.6502.0702.16580225808020077连续连续Nd:YAG激光器氩激光器Ni2+MgOCaY2Mg2Ge3O12KMgF3MgF2MnF21.3101.4101.4601.5911.6101.7401.9201.940778077300802007785脉冲，连续连续脉冲，连续Nd:YAG激光器半导体激光材料的制取方法半导体激光材料的制取方法 半导体激光器主要用于光学器件、激光唱

29、盘、激光印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。刷机和光纤通信等领域。目前研制的半导体激光材料体系，短波长目前研制的半导体激光材料体系，短波长(0.71.0m)材料以材料以(Ga, Al)AsGaAs为主；长波长为主；长波长(1.101.6 m)材料以材料以(In, Ga)(As, P)InP为主。因此为主。因此GaAs，InP衬底材料及衬底材料及(Ga, Al)As， (In, Ga)(As, P)外延膜外延膜质量至关重要。质量至关重要。 衬底用衬底用GaAs单晶的生长，目前用单晶的生长，目前用高压液体覆盖直拉高压液体覆盖直拉(LEC) 法法已获得已获得125mm的高纯单晶。在生长过程中，通的高纯单晶。在生长过程中，通过采取理想的热环境，尽可能使固液界面保持低的温度过采取理想的热环境，尽可能使固液界面保持低的温度梯度，保持表面凹向熔体以及进行等电子掺杂等措施，显梯度，保持表面凹向熔体以及进行等电子掺杂等措施，显著降低了位错密度。著降低了位错密度。用水平布里