第八章 激光材料

1、第八章 激光材料激光器的诞生19世纪的科学家们进行了关于电磁波的研究世纪的科学家们进行了关于电磁波的研究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化的概念年普朗克引入的能量量子化的概念 基础性、探基础性、探索性研究索性研究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 1958年美国的年美国的Charles H.Townes和苏联

2、的和苏联的Nikolay G.Basov及及Aleksandr M.Prokhorow等人提出了激光的概念和理等人提出了激光的概念和理论设计（论设计（1964年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖）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 1965年，第一台可产生大功率激光的器件年，第一台可产生大功率激光的器件-二氧化二氧化碳激光器诞生。碳激光器诞生。 1967年，第一台射线激光器研制成功。年，第一台射线激光器

3、研制成功。 激光原理简介 LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) -受激辐射发射的光放大器受激辐射发射的光放大器 激光激光是是20世纪的世纪的四项重四项重大的发大的发明之一明之一（原子（原子能、半能、半导体、导体、激光器、激光器、计算机）计算机）红红 宝宝 石石 激激 光光 器器 二氧化碳激光器自发辐射和受激辐射自发辐射和受激辐射1、吸收过程：、吸收过程：12EEh2、自发辐射过程：、自发辐射过程：12EEh激发态激发态 E2E3E4hh基态基态 E13、受激辐射过程：、受激辐射过程：h E1 E2hh12

4、EEh受激辐射的特点结论：受激辐射的特点结论：受激辐射产生的光子与原来受激辐射产生的光子与原来的光子具有完全相同的状态。的光子具有完全相同的状态。结论：结论：受激辐射而得到的光是受激辐射而得到的光是相干光相干光。激光的产生激光的产生粒子数反转粒子数反转kTEkkenE1E221NN 粒子数反转粒子数反转产生激光的必要条件：产生激光的必要条件：实现粒子数反转。实现粒子数反转。激励（泵浦）：激励（泵浦）：实现粒子数反转的过程。实现粒子数反转的过程。具有亚稳态的原子结构，才能实现粒子数反转。具有亚稳态的原子结构，才能实现粒子数反转。红宝石激光器（三能级系统）红宝石激光器（三能级系统）E2E3E1E2

5、E3E1(10-8s)E2E3E1(10-3s)h氦氖激光器（四能级系统）氦氖激光器（四能级系统）E1E2E3E4hE1E2E3E4(10-8s)(10-3s)光腔光腔向各个方向自发辐射的光子沿中心轴方向的辐射被受激放大光在工作物质中反复传播被放大激光器的组成：工作物质 泵辅源 光谐振腔工作物质聚光腔+M光谐振腔MM形成激光的三个条件形成激光的三个条件 产生激光必要条件产生激光必要条件1. 实现粒子数反转实现粒子数反转 .使原子被激发使原子被激发 .要实现光放大要实现光放大 工作物质工作物质 光学谐振腔光学谐振腔激励能源激励能源 部分反射镜部分反射镜 激励能源激励能源 全反射镜全反射镜 激光输

6、出激光输出 工作物质工作物质 光学谐振腔光学谐振腔L激光特性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, 谱线宽度与单色性最好的氪同位素谱线宽度与单色性最好的氪同位素16Kr灯发出的光相比，也只是后者的十万分之一灯发出的光相比，也只是后者的十万分之一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,光束的散射角可光束的散射角可达到毫弧度达到毫弧度比太阳的亮度可高几十亿倍比太阳的亮度可高几十亿倍 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

7、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、染料激光、氦氖激光光、染料激光、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、超短脉冲的脉冲体制从连续波、准连续波到各种短脉冲、超短脉冲的激光。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

8、已达百万焦耳以上；u超短脉冲：超短脉冲：10-9s 10-12s 10-15s 10-18s 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

9、生受激辐射放大作用的物质系统，包括固体的物质系统，包括固体(晶体、玻璃晶体、玻璃)、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。大多数半导体激光器是利用在大多数半导体激光器是利用在GaAs的的p-型层和型层和n-型

10、层之间的结区型层之间的结区(极窄，约极窄，约lm)，通过电荷注入等激励方式，激发非严衡载流子实现，通过电荷注入等激励方式，激发非严衡载流子实现粒子数反转，从而产生受激发射。粒子数反转，从而产生受激发射。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。用过渡金属离子（如Cr3+）激活的三能级激光晶体，如Cr3+：Al3O2 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、C

11、O、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 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和玻璃晶态固体和玻璃两大类。两大类。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

12、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。晶体质量，晶体质量，对光学损伤或机械损伤的抵御能力、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。化学稳定性等也至关重要。(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

13、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

14、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CaW

15、O4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（显然三价离子为宜）。（显然三价离子为宜）。（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”，总杂质含量不得超过，总杂质含量不得超过110ppm 。 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

16、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，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

17、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。直拉法生长的。Nd，采用铱坩埚在含，采用铱坩埚在含l3O2的氮气氛中生长的氮气氛中生长(感应感应加热加热)，已生长出直径，已生长出直径130mm、长、长100mm的晶坨，晶体尺寸大、质的晶坨，晶体尺寸大、质量高、适于制造高平均输出量高、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

18、争。激光器竞争。作为可买到的商品作为可买到的商品Nd YAG一般都采用直拉法生长，已制出一般都采用直拉法生长，已制出最大直径约最大直径约10mm、长达、长达150mm的激光棒。还制出直径的激光棒。还制出直径75m m的非的非掺掺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，长的晶棒，耗时数周，造成高的生产成本。目前正在研制耗时数周，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

19、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，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

20、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。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

21、。 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+Mn2+, 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, 30Pul

22、se/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 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

23、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Ti3+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+BeAl2O4Be3Al2Si6O12KZnF3

24、ZnWO4Y3Ga5O12Gd3Ga5O12Gd3Sc2Al3O12Y3Sc2Ga3O12Gd3Sc2Ga3O12La3Lu2Ga3O120.7000.8300.7510.7590.7580.8750.7850.8650.9801.0900.7400.7600.7650.8010.7300.7450.8200.8203008030077300300300300300300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+MgF2KMgF3KZnF3ZnF21.6302.451.621.9001.6502.0702.1658022580802007

25、7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

26、(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。用水平布里支曼用水平布里支曼(HB)法法已获得宽已获得宽80mm、长长100mm的的D型型GaAs晶体，位错密度比晶体，位错密度比LEC