打印第三章光电子材料基础

1、2.3.3 激光器组成激光器组成(激光工作物质激光工作物质)2.3.4 激光的特性激光的特性三能级系统三能级系统和和四能级系统四能级系统的能级结构简图的能级结构简图2.3.2.1 固体激光器基本结构固体激光器基本结构自由载流子吸收、杂质吸收、激子吸收自由载流子吸收、杂质吸收、激子吸收泵浦（激励）泵浦（激励）禁带宽度、费米能级禁带宽度、费米能级自终止跃迁方式自终止跃迁方式2.3.2.2 固体激光器工作物质固体激光器工作物质板条状激光器板条状激光器光纤激光器光纤激光器第第三三章章 光光电电子子材材料料基基础础2022/2/72半导体光吸收过程半导体光吸收过程自由载流子吸收自由载流子吸收：毫米波和微

2、波：毫米波和微波杂质吸收杂质吸收： 杂质粒子的跃迁杂质粒子的跃迁声子吸收声子吸收：晶格振动引起：晶格振动引起激子吸收激子吸收：激子的形成：激子的形成带间吸收带间吸收：价带到导带的跃迁：价带到导带的跃迁激子：指一种中性的非传导激子：指一种中性的非传导电的束缚状的电子激发态电的束缚状的电子激发态自由载流子吸收、杂质吸收、激子吸收自由载流子吸收、杂质吸收、激子吸收2022/2/73E E2 2E E1 1h h 原子在没有外界干预的情况下，电子会由处于激发态的高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能级E E2 2自动跃迁至低能级自动跃迁至低能级E E1 1，这种跃迁称为自发辐射。，

3、这种跃迁称为自发辐射。hEE12自发辐射光子频率自发辐射光子频率白炽灯、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。射，频率、振动方向、相位都不固定，不是相干光。2022/2/74 当原子中的电子处于低能级时，吸收光子的能量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后从低能级跃迁到高能级-光吸收。光吸收。低能级低能级E E1 1高能级高能级E E2 2光子光子 2022/2/75 当原子中的电子处当原子中的电子处于高能级时，若外来光于高能级时，若外来光子的频率恰好满足

4、子的频率恰好满足hEE12时，电子会在外来光子的诱发下向低能级跃迁，并时，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发出与外来光子一样特征的光子-受激辐射。受激辐射。E E2 2E E1 1全同光子全同光子h h 实验表明，受激辐射产生的光子与外来光子具有相同的实验表明，受激辐射产生的光子与外来光子具有相同的频频率、相位、偏振方向和发射方向率、相位、偏振方向和发射方向。2022/2/76 在受激辐射中通过一个光在受激辐射中通过一个光的作用，得到两个特征完全相的作用，得到两个特征完全相同的光子，如果这两个光子再同的光子，如果这两个光子再引起其它原子产生受激辐射，引起其它

5、原子产生受激辐射，就能得到更多的特征完全相同就能得到更多的特征完全相同的光子的光子-光放大，光放大，激光。激光。 LASER：受激辐射光放大：受激辐射光放大Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 2022/2/77 通常处于低能级的电子数较处于高能级的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。电子数要多，粒子数正常分布。 玻耳兹曼统计分布：玻耳兹曼统计分布： 若若 E2 E 1，则两能级，则两能级上的原子数目之比上的原子数目之比 11212kTEEeNN2022/2/78 数量级估计：数量级估计：T

6、103 K；kT1.3810-20 J 0.086 eV; ;E 2-E 11eV; ;kTEEeNN121211212kTEEeNN但要产生激光必须使原子但要产生激光必须使原子激发，且激发，且 N2 N1, , 称粒称粒子数反转。子数反转。1086015.10e2E1E2N1N2022/2/79给工作物质施加外部作用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

7、反转到高界作用，促使大量低能级上的粒子反转到高能级上，这种过程叫做能级上，这种过程叫做激励激励，或称为，或称为泵浦泵浦。泵浦（激励）泵浦（激励）2022/2/710固体能带理论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，由此分为分布形式决定了固体材料的导电性能，由此分为导体导体、半导半导体体和和绝缘体绝缘体三种。三种。1、禁带宽度、禁带宽度2、费米能级、费米能级指导带底与价带顶之间的能量

8、差，通常用符号指导带底与价带顶之间的能量差，通常用符号Eg表示。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，用符号对零度时电子占据的最高能态的能量，用符号EF表示。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半导体费米能级：本征（纯）半导体的费密能级位于禁带中心 禁带宽度、费米能级禁带宽度、费米能级2022/2/711Cu原子蒸气激光器原子蒸气激光器金属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是利用被加热的金属蒸气为工作物质的激光器，包括的激光器，包括金属蒸气原子

9、激光器金属蒸气原子激光器和和金属蒸气离子金属蒸气离子激光器激光器两大类。前者包括铜、金、锰、铅和锌等。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。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，系统瞬态

10、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脉冲形式运转。自终止跃迁方式自终止跃迁方式2022/2/7122.3.3 激光器组成激光器组成(激光工作物质激光工作物质)工作物质工作物质(基质和激活离子基质和激活离子)激励源激励源(泵浦泵浦)光学谐振腔光学谐振腔2022/2/713光学谐振腔：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。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：能够借外来能源激励实现粒子数反转并产生受激辐能够借外来能源激励实现粒子数反

11、转并产生受激辐射放大作用的物质系统，包括固体射放大作用的物质系统，包括固体( (晶体、玻璃晶体、玻璃) )、气体、气体( (原子气原子气体、离子气体、分子气体体、离子气体、分子气体) )、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、核能激励激励、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。激光工作物质激光工作物质2022/2/714工作物质工作物质 激光器最重要的部分是激光器最重要的部分是工作物质工作物质，包括，包括激活离子激活离子和和基质基质。 用过

12、渡金属离子（如用过渡金属离子（如Cr3+）激活的三能级激光晶体，如）激活的三能级激光晶体，如 Cr3+ ： Al2O3 氧化物激光晶体氧化物激光晶体固体激光器材料固体激光器材料 用稀土离子（如用稀土离子（如Nd3+） 氟化物激光晶体氟化物激光晶体 激活的四能级体系激活的四能级体系 复合石榴石激光晶体复合石榴石激光晶体 激光玻璃（钕玻璃）激光玻璃（钕玻璃） 色心激光晶体（如色心激光晶体（如LiF，KCl）原子气体原子气体 气体激光器材料离子气体（氩离子、氪离子）气体激光器材料离子气体（氩离子、氪离子）工分子气体（工分子气体（CO2、CO、N2分子）分子） 作作准分子气体（准分子气体（XeF、Kr

13、F）物物有机荧光染料（如罗丹明有机荧光染料（如罗丹明6B）质质液体激光器材料液体激光器材料 稀土螯合物（如稀土螯合物（如Eu(TTA)3、Eu(BTF)4） 钕氧氯化硒（钕氧氯化硒（ Nd3+ ： SeOCl2 ）半导体激光器材料：可见光激光管材料（如半导体激光器材料：可见光激光管材料（如AlGaAs）红外激光管材料（红外激光管材料（GaAs、Pb1XSnXTe） 非线性光学材料（非线性光学材料（LiNbO3） 激光器辅助材料窗口、透镜材料（如激光器辅助材料窗口、透镜材料（如GaAs、ZnSe）抗反射涂层（抗反射涂层（ZrO2、 SiO2 、 TiO2、 MgF2等等 ）其它其它2022/2/

14、7152.3.4 激光的特性激光的特性方向性方向性单色性单色性相干性相干性能量高度集中能量高度集中+2022/2/716方向性强方向性强 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。它与价。它与激光器的工作物质种类和谐振腔的形式激光器的工作物质种类和谐振腔的形式有关。有关。 气体激光器气体激光器工作物质均匀性好，谐振腔长，光束的方向工作物质均匀性好，谐振腔长，光束的方向性最强，发散角在性最强，发散角在10-310-4弧度。其中氦氖激光束发散角弧度。其中氦氖激光束发散角最小。最小。固体和液体激光器固体和液体激光器工作物质均匀性较差，谐振腔较

15、短，工作物质均匀性较差，谐振腔较短，光束发散角较大，在光束发散角较大，在10-2弧度范围。弧度范围。半导体激光器半导体激光器以晶体解理面为反射镜，形成的谐振腔非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。常短，光束方向性最差。2022/2/717单色性好单色性好 单色性为光源发出的光强按频率（或波长）分布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，通常用曲线狭窄的程度，通常用频谱分布的宽度频谱分布的宽度即线宽来描即线宽来描述。线宽越窄，光源的单色性越好。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，其谱线普通光源的发光是由大量能级间的辐射

16、跃迁，其谱线很宽，呈连续或准连续分布，是多种波长的光。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，不到线宽度较窄，不到10-8nm。这比普通光源中单色性最。这比普通光源中单色性最好的氪等的谱线窄数万倍。好的氪等的谱线窄数万倍。2022/2/718 激光的单色性是因为激光的单色性是因为：（1）激光器的）激光器的受激辐射受激辐射发生在荧光谱线固定的发生在荧光谱线固定的两能级之间，两能级之间， 只有频率满足一定条件的光波才只有频率满足一定条件的光波才能得到放大；能得到放大；（2）激光）激光谐振腔的

17、干涉作用谐振腔的干涉作用使得只有那些满足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。线宽度内的光振荡才能形成激光输出。 激光单色性受激光单色性受工作物质的种类工作物质的种类和和谐振腔性能谐振腔性能的的影响。气体激光束单色性较好，谱线宽度半宽值影响。气体激光束单色性较好，谱线宽度半宽值小到小到103Hz。固体激光单色性较差，半导体激光。固体激光单色性较差，半导体激光器单色性最差。器单色性最差。2022/2/719相干性高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光的相干性，是指在空间任意两点光

18、振动之间相互关联的程度。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光束的单色性与相干性是一致的，气体激光的相干性优，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。于固体激光，例如，氦氖激光的相干波长可达

19、数百米。2022/2/720功率密度大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。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。例如一台输出仅小的缘故。例如一台输出仅1mW的氦氖激光器发出的光的氦氖激光器发出的光也比太阳表面亮度高出也比太阳表面亮度高出100倍。倍。激光的功率密度大是通过光能在空间的高度集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。以获得更高的峰

20、值功率。 用用调调Q或或锁模技术锁模技术可使激光器在毫微秒（可使激光器在毫微秒（ns）或微微秒（或微微秒（ps）的极短时间内释放原来用数毫）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。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采用一定的技术和装置控制激光器谐振腔的控制激光器谐振腔的Q值按一定值按一定的程序和规律变化，从而达到改善激光器的程序和规律变化，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激光巨脉冲的目的的技术调调Q技术技术。通常的激光器，通常的激光器，一般都呈现为多个纵模一般都呈现为多个纵模同时

21、振荡输出。用同时振荡输出。用锁模技术锁模技术对激光束进行特殊的调制，使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，定，并具有确定的相位关系，诸振荡模相干叠加，激光器诸振荡模相干叠加，激光器将输出一列时间间隔将输出一列时间间隔一定的超短脉冲。一定的超短脉冲。2022/2/7221961年提出了年提出了调调Q概念，即设想把全部光辐射能压缩概念，即设想把全部光辐射能压缩到极窄的脉冲中发射；到极窄的脉冲中发射；1962年，制成了第一台调年，制成了第一台调Q激激光器，输出峰值功率为光器，输出峰值功率为600千瓦，脉冲宽度为千瓦，脉冲宽度为1

22、0-7s量量级；随后的几年发展的非常快，出现了多种调级；随后的几年发展的非常快，出现了多种调Q方法方法（如（如电光调电光调Q、声光调声光调Q、可饱和吸收调可饱和吸收调Q等），输等），输出功率几乎呈直线上升，脉宽压缩也取得了很大进展；出功率几乎呈直线上升，脉宽压缩也取得了很大进展；到了到了80年代，调年代，调Q技术产生脉宽为纳秒（技术产生脉宽为纳秒（ns）量级，）量级，峰值功率为吉瓦（峰值功率为吉瓦（GW）量级的巨脉冲已并非困难。）量级的巨脉冲已并非困难。调调Q技术的出现是激光发展史上的一个重大突破。它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不仅大

23、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，但是调学研究的有力工具，但是调Q技术压缩脉冲因受产生技术压缩脉冲因受产生机制的制约，很难再进一步压窄。机制的制约，很难再进一步压窄。2022/2/7231964年，又提出并实现了压缩脉宽、提高功率的新年，又提出并实现了压缩脉宽、提高功率的新机制机制锁模技术锁模技术，由于它能使脉冲的持续时间压，由于它能使脉冲的持续时间压缩到皮秒（缩到皮秒（ps，10-12s）量级，所以也称为超短脉冲）量级，所以也称为超短脉冲技术，从技术，从60年代到年代到70年代，超短脉冲技术（包括年代，超短脉冲技术（包括主主动锁模动锁模、被动锁模被动锁模、同步泵浦锁模

24、同步泵浦锁模等相应的测量技等相应的测量技术）得到了迅速的发展；到术）得到了迅速的发展；到80年代初，年代初，Fork等人又等人又提出了提出了碰撞锁模碰撞锁模理论，而且实现了碰撞锁模，得到理论，而且实现了碰撞锁模，得到了了90fs的光脉冲序列。的光脉冲序列。90年代，年代，自锁模技术自锁模技术的出现，的出现，在钛蓝宝石自锁模激光器中得到了在钛蓝宝石自锁模激光器中得到了8.5fs的超短脉冲的超短脉冲序列。锁模技术能产生脉宽为飞秒（序列。锁模技术能产生脉宽为飞秒（fs，10-15s）、）、峰值功率为太瓦（峰值功率为太瓦（TW,1012W）以上的超短脉冲，为）以上的超短脉冲，为物理学、化学、生物学以及

25、光谱学等学科对微观世物理学、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。界和超快过程的研究提供了重要手段。 2022/2/7241231234三能级系统三能级系统四能级系统四能级系统红宝石：红宝石：Cr3+YAG：Nd3+三能级系统三能级系统和和四能级系统四能级系统的能级结构简图的能级结构简图2022/2/7252.3.2.1 固体激光器基本结构固体激光器基本结构1. 激光工作物质激光工作物质2. 泵浦源泵浦源3. 谐振腔谐振腔4. 聚光腔聚光腔5. 冷却与滤光冷却与滤光2022/2/7262.3.2.2 固体激光器工作物质固体激光器工作物质工作物质包括工作物质包括激

26、活离子激活离子和和基质基质材料材料作为作为激活离子激活离子掺入固体基质的元素，常见的大掺入固体基质的元素，常见的大致分为：致分为： 过渡族金属离子过渡族金属离子，如，如Cr3+、Ni2+、Co2+ 三价稀土金属离子三价稀土金属离子，如，如Nd3+、Ho3+、Er3+ 二价稀土金属离子二价稀土金属离子，如，如Sm2+、Tm2+、Dy2+（镝）（镝） 固体基质材料固体基质材料可粗略分为可粗略分为晶体和玻璃晶体和玻璃两大类。两大类。要求：要求：具备清晰的荧光线、强的吸收带及相当高的具备清晰的荧光线、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。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、化，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。学稳定性等也至关重要。(1)离子大小离子大小：晶体的晶格格点必须与激活离子的：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，离子半径之差大于大小相当。在离子晶体中，离子半径之差大于15就不就不能直接掺入能