光电子材料_3_第三章_光电子材料基础教材

1、第三章第三章 光电子材料基础光电子材料基础 半导体光学性质半导体光学性质 激光原理激光原理 激光材料激光材料 激光应用及新特点激光应用及新特点概概 述述 光电子技术光电子技术是由光学和电子技术相结合形成的一门高是由光学和电子技术相结合形成的一门高新技术，它伴随光通信和信息科学的发展而发展。新技术，它伴随光通信和信息科学的发展而发展。光电子材料光电子材料是指具有光子和电子的产生、转换和传输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功能的材料，包括激光材料、光纤材料和光电显示材料等。料等。光电子技术从上世纪光电子技术从上世纪6060年代激光器的发明开始，到年

2、代激光器的发明开始，到7070年代低损耗光纤的实现、半导体激光器的成熟、年代低损耗光纤的实现、半导体激光器的成熟、CCDCCD的的问世，再到问世，再到8080年代超晶格量子阱材料和工艺的发展、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。到了迅速的发展。1 1 半导体光学性质半导体光学性质 半导体与光的作用包括半导体与光的作用包括反射、吸收反射、吸收和和透过透过，而吸收特，而吸收特性主要取决于半导体的能带结构。性主要取决于半导体的能带结构。半导体吸收光谱半导体吸收光谱半导体光吸收过程半导体光吸收过程

3、自由载流子吸收自由载流子吸收：毫米波和微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电激子：指一种中性的非传导电的束缚状的电子激发态的束缚状的电子激发态1 1 半导体光学性质半导体光学性质 半导体的激发与复合半导体的激发与复合半导体的激发半导体的激发光吸收、电子注入、电子束注入光吸收、电子注入、电子束注入半导体的复合半导体的复合直接复合与间接复合直接复合与间接复合体内复合与表面复合体内复合与表面复合半导体中载流子复合机

4、制半导体中载流子复合机制三种释放能量方式三种释放能量方式发射光子发射光子发射声子发射声子载流子之间的能量交换载流子之间的能量交换1 1 半导体光学性质半导体光学性质 2 2 激光原理激光原理2.1 2.1 激光器的产生及历史激光器的产生及历史19161916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19541954年美国物理学家年美国物理学家汤斯汤斯研制成第一台微波激射器研制成第一台微波激射器 （1.25cm1.25cm）19581958年美国的年美国的汤斯汤斯和苏联的和苏联的巴索夫巴索夫及及普罗霍洛夫普罗霍洛夫等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 1

5、9601960年美国的年美国的梅曼梅曼研制成功第一台红宝石激光器。研制成功第一台红宝石激光器。我国的第一台激光器我国的第一台激光器于于19611961年在长春光机所研制成功年在长春光机所研制成功 1960-5-17，Ted Maiman 发明第一台激光器发明第一台激光器2.1 2.1 激光器的产生及历史激光器的产生及历史第一台红宝石激光器的拆卸图第一台红宝石激光器的拆卸图2.1 2.1 激光器的产生及历史激光器的产生及历史19601960年年1212月，美国科学家贾万等人制造了第一台气体激月，美国科学家贾万等人制造了第一台气体激光器光器氦氖激光器。氦氖激光器。 19621962年，发明了半导体

6、激光器。年，发明了半导体激光器。 19661966年，研制成了可在一定范围内连续调节波长的年，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。有机染料激光器。 19651965年，第一台大功率激光器年，第一台大功率激光器二氧化碳激光器诞生。二氧化碳激光器诞生。 19671967年，第一台射线激光器研制成功。年，第一台射线激光器研制成功。 2.1 2.1 激光器的产生及历史激光器的产生及历史我国的第一台激光器于我国的第一台激光器于1961年在长春光机所研制成功年在长春光机所研制成功 我国激光技术发展历史我国激光技术发展历史 1957年，年，王大珩王大珩等在长春建立了我国第一所光学专业等在长春

7、建立了我国第一所光学专业研究所研究所中国科学院（长春）光学精密仪器机械研中国科学院（长春）光学精密仪器机械研究所（简称究所（简称“光机所光机所”）。）。 表一：我国各类激光器的表一：我国各类激光器的“第一台第一台” He-Ne激光器激光器 1963年年7月月 邓锡铭等邓锡铭等 掺钕玻璃激光器掺钕玻璃激光器 1963年年6月月 干福熹等干福熹等 GaAs同质结半导体激光器同质结半导体激光器 1963年年12月月 王守武等王守武等 脉冲脉冲Ar+激光器激光器 1964年年10月月 万重怡等万重怡等 CO2分子激光器分子激光器 1965年年9月月 王润文等王润文等 CH3I化学激光器化学激光器 19

8、66年年3月月 邓锡铭等邓锡铭等 YAG激光器激光器 1966年年7月月 屈乾华等屈乾华等 E E2 2E E1 1h h 自发辐射自发辐射 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E2自动跃迁至低能级自动跃迁至低能级E1，这种跃迁称为自发辐射。，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2.2 2.2 激光的基本原理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。发辐射，频率、振动方

9、向、相位都不固定，不是相干光。 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E1高能级高能级E2光子光子 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子的频率恰好满足hEE12 电子会在外来光子的诱发下向低能级跃迁，并发出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与外来光子一样特征的光子-受激辐射。受激辐射。E2E1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实验表明，受激辐射产生的光子与

10、外来光子具有相同的频率、相位、偏振方向和发射方向。同的频率、相位、偏振方向和发射方向。 在受激辐射中通过一个光的作用，得到两个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相同的光子-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 通常处于低能级的电子数较处于高能级的电通常处于低能级的电子数较处

11、于高能级的电子数要多，粒子数正常分布。子数要多，粒子数正常分布。粒子数分布满足玻耳兹曼统计分布：粒子数分布满足玻耳兹曼统计分布： 若若 E2 E 1，则两能级上的，则两能级上的原子数目之比原子数目之比 1eNNkTEE1212 数量级估计：数量级估计：T 103 K；kT1.3810-20 J 0.086 eV;E 2-E 11 eV;kTEE12eNN 121eNNkTEE1212 但要产生激光必须使原子激发，但要产生激光必须使原子激发，且且 N2 N1, 称粒子数反转。称粒子数反转。108601 5.10e2E1E2N1N粒子数反转：激光产生的必要条件！粒子数反转：激光产生的必要条件！如何

12、实现？如何实现？内因：粒子体系（工作物质）的内部结构内因：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外因：给工作物质施加外部作用2E1E2N1N原子处在激发态时间很短原子处在激发态时间很短10-8s，但，但还有一些亚稳态，可以停留还有一些亚稳态，可以停留10-3s,激激发发态态亚亚稳稳态态基基态态在亚稳态上粒子数不断积在亚稳态上粒子数不断积累，累，实现粒子数反转，达实现粒子数反转，达到光放大的目的。到光放大的目的。工作物质内部结构工作物质内部结构铬离子、钕离子、氖原子铬离子、钕离子、氖原子、二氧化碳分子、氩离子、二氧化碳分子、氩离子1231234三能级系统三能级系统四能级系统四

13、能级系统红宝石：红宝石：Cr3+YAG：Nd3+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。 对固体型的工作物质常常应用强光照射的办法，对固体型的工作物质常常应用强光照射的办法，即即光激励光激励。这类工作物质应用的有掺铬的

14、刚玉、。这类工作物质应用的有掺铬的刚玉、掺钕玻璃、掺钕石榴石等。掺钕玻璃、掺钕石榴石等。 对气体型的工作物质，常应用对气体型的工作物质，常应用放电放电的方法，促进的方法，促进特定储存气体物质按照一定的规律经放电而激励特定储存气体物质按照一定的规律经放电而激励，常用的工作气体物质有分子气体（，常用的工作气体物质有分子气体（CO2气体）气体）及原子气体（及原子气体（He-Ne原子气体）原子气体） 工作物质为半导体的物质，采用注入大电流方法工作物质为半导体的物质，采用注入大电流方法激励放光，常见的有砷化镓，这类物质注入大电激励放光，常见的有砷化镓，这类物质注入大电流的方法被叫做流的方法被叫做注入式激

15、励法注入式激励法。 此外，还可应用化学反应方法（此外，还可应用化学反应方法（化学激励法化学激励法）、）、超音速热膨胀法（超音速热膨胀法（热激励热激励），电子束甚至用核反），电子束甚至用核反应中生成的粒子进行轰击（应中生成的粒子进行轰击（电子束泵浦、核泵浦电子束泵浦、核泵浦）等方法，都能实现粒子数反转分布。从能量角）等方法，都能实现粒子数反转分布。从能量角度看，泵浦过程就是外界提供能量给粒子体系的度看，泵浦过程就是外界提供能量给粒子体系的过程。激光器中激光能量的来源，是由激励装置过程。激光器中激光能量的来源，是由激励装置从其他形式的能量（诸如光、电、化学、热能等从其他形式的能量（诸如光、电、化学

16、、热能等）转换而来。）转换而来。全全反反射射镜镜部部分分透透反反射射镜镜激激光光束束l光学谐振腔光学谐振腔 其作用是其作用是产生和维持光振荡产生和维持光振荡。光在粒子数反转的工作。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现象为光振荡光振荡。从部分。从部分透反射镜透射出的光很透反射镜透射出的光很强，这就是输出的强，这就是输出的激光激光。激光的方向性、激光的方向性、单色性很好单色性很好光在谐振腔传播时形成驻波，由驻

17、波条件光在谐振腔传播时形成驻波，由驻波条件2kl 不满足此条件的光很快减弱而被淘汰，谐振腔又起选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频的作用-单色性好。单色性好。全全反反射射镜镜部部分分透透反反射射镜镜激激光光束束l根据上面的分析，产生激光有三个根据上面的分析，产生激光有三个主要元素主要元素：（1 1）激活介质激活介质能经受激发射而使入射光能经受激发射而使入射光 强放大；强放大；（2 2）能使激活介质产生粒子数反转的能使激活介质产生粒子数反转的泵浦泵浦装置装置；（3 3）放置激活介质的放置激活介质的谐振腔谐振腔，产生和维持光，产生和维持光 振荡，从而实现光放大并实施发射频率振

18、荡，从而实现光放大并实施发射频率 的选择。的选择。激光产生的阈值条件激光产生的阈值条件 在谐振腔内还存在着许多损耗因素，如反射镜吸在谐振腔内还存在着许多损耗因素，如反射镜吸收、透射和衍射，以及工作物质不均匀造成的光收、透射和衍射，以及工作物质不均匀造成的光线折射和散射等。如果各种损耗的结果抵消了谐线折射和散射等。如果各种损耗的结果抵消了谐振腔的光放大过程，就不可能有激光输出。振腔的光放大过程，就不可能有激光输出。 阈值条件：阈值条件：R1R2e2a(V)L1。 式中式中R1和和R2分别为谐振腔两块反射镜的反射率分别为谐振腔两块反射镜的反射率，a（V）为工作物质的增益系数，为工作物质的增益系数，

19、L为两个反为两个反射镜的间距。射镜的间距。 阈值条件表明，光在谐振腔中经过阈值条件表明，光在谐振腔中经过1次往返，即次往返，即经过两次反射后，光强都要改变经过两次反射后，光强都要改变R1R2e2a(V)L倍，倍，如果如果R1R2e2a(V)L小于小于1，就意味着往返一次后光，就意味着往返一次后光强减弱，经过多次反射后会越来越弱，因而不强减弱，经过多次反射后会越来越弱，因而不可能建立激光振荡。可能建立激光振荡。 只有当粒子反转数达到一定的数值时，光的增益只有当粒子反转数达到一定的数值时，光的增益系数才足够大。因此，实现光振荡并输出激光，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

20、物质和稳定的光学谐振腔外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，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。粒子反转数达到产生激光的阈值条件。2.3 2.3 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) )激励源激励源( (泵浦泵浦) )光学谐振腔光学谐振腔激励源激励源激光束激光束工作物质工作物质全反射镜全反射镜部分反射镜部分反射镜光学谐振腔：光学谐振腔：通过工作物质对激光提供反馈，以激发更多的通过工作物质对激光提供反馈，以激发更多的光发射。光发射。工作物质：工作物质：能够借外来能源激励实现

21、粒子数反转并产生受激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，包括固体辐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(原子原子气体、离子气体、分子气体气体、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、闪光灯或另一种激光器以及气体放电激励、化学激励、核能激励化学激励、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。2.3 2.3 激光器组成激光器组成 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。 用过渡金属离子（如用过渡金属离子（如Cr3+）

22、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、KrF）物物有机荧光染料（如罗丹明有机荧光染料

23、（如罗丹明B）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2.3 2.3 激光器组成激光器组成 固体工作物质可粗略分

24、为固体工作物质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量具备清晰的荧光线、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。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、化学，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。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，离子半径之差大于相当。在离子晶体中，离子半径之差大于15就不能就不能直接掺入直接掺入1以上的激活离子。但用稀土激活的晶体激

25、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离子的掺入量可大于1。 2.3 2.3 激光器组成激光器组成(2)电性中和电性中和：掺杂剂价态如与基质阳离子不同，则要采取适：掺杂剂价态如与基质阳离子不同，则要采取适当的当的电荷补偿技术电荷补偿技术维持高掺杂下的电性中和，否则掺杂剂的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然爆基

26、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，对一些运转方式如发的泵浦能的抗热冲击能力，对一些运转方式如连续运转连续运转或或高功率、高重复率脉冲运转高功率、高重复率脉冲运转颇为关键。对于这些运转方式，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、热导率高热膨胀系数低、强度高、热导率高的晶体更合适。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。高熔点化合物更有利。 2.3 2.3 激光器组成激光器组成（4 4）光学性质）光学性质：理想晶体应对泵浦波长有较强：理想晶体应对泵浦波长有

27、较强吸收，对激发波长吸收很弱。吸收，对激发波长吸收很弱。（5 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110 ppm 。2.3 2.3 激光器组成激光器组成2.4 2.4 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+2.4 2.4 激光的特性激光的特性 激光束的方向性与激光器的工作物质种类和光学激光束的方向性与激光器的工作物质种类和光学谐振腔的形式等有关。谐振腔的形式等有关。 气体激光器的工作物质均匀性好气体激光器的工作物质均匀性好 ，谐振腔长，因，谐振腔长，因而光束方

28、向性最强，发散角在而光束方向性最强，发散角在10-3-10-4弧度，其弧度，其中氦氖激光数发散角最小。中氦氖激光数发散角最小。 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，在较短，光束发散角较大，在10-2弧度范围内。弧度范围内。 半导体激光器以晶体解理面为反射镜，形成的谐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。振腔非常短，光束方向性最差。方向性好方向性好2.4 2.4 激光的特性激光的特性 激光的单色性好，一些气体激光器，如氦氖激光激光的单色性好，一些气体激光器，如氦氖激光，谱线宽度极窄，不到，谱线宽

29、度极窄，不到10-8nm。这比普通光源中。这比普通光源中单色性最好的氪灯的谱线窄数万倍。单色性最好的氪灯的谱线窄数万倍。 激光的单色性受工作物质的种类和谐振腔性能的激光的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，谱线宽度半宽值影响。气体激光束单色性较好，谱线宽度半宽值小到小到103 Hz，固体激光单色性较差，半导体激光器，固体激光单色性较差，半导体激光器单色性最差。单色性最差。单色性好单色性好2.4 2.4 激光的特性激光的特性 所谓光的相干性，是指在空间任意两点光振动之间相互所谓光的相干性，是指在空间任意两点光振动之间相互关联的程度。关联的程度。 普通光源发光都是自发辐

30、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，气体激光的相干性优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，氦氖激光的相干长度可达数百米。于固体激光，例如，氦氖激光的相干长度可达数百米。相干性高相干性高2.4 2.4 激光的特性激

31、光的特性 对于可见光波段的激光而言，光束的高功率密度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。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原故。例如一台输出仅角也极小的原故。例如一台输出仅l mW的氦氖激的氦氖激光器发出的光也比太阳表面光亮度高出光器发出的光也比太阳表面光亮度高出100倍。倍。功率密度大功率密度大2.4 2.4 激光的特性激光的特性 激光的功率密度大是通过光能在空间的高度集中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实现的，如果将激光发射的时间尽量缩短可以获

32、得更高的峰值功率。得更高的峰值功率。 用调用调 Q或锁模技术可使激光器在毫微秒或锁模技术可使激光器在毫微秒(ns)或微微或微微秒秒(ps)的极短时间内释放原来用数毫秒释放的能量的极短时间内释放原来用数毫秒释放的能量，从而可获得兆瓦级峰值功率，这是普通光源无，从而可获得兆瓦级峰值功率，这是普通光源无法实现的。法实现的。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

33、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。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 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。19611961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到极概念，即设想把全部光辐射能压缩到极窄的脉冲中发射；窄的脉冲中发射；19621962年，制成了第一台调年，制成了第一台调Q Q

34、激光器，输激光器，输出峰值功率为出峰值功率为600600千瓦，脉冲宽度为千瓦，脉冲宽度为1010-7-7s s量级；随后的几量级；随后的几年发展的非常快，出现了多种调年发展的非常快，出现了多种调Q Q方法（如方法（如电光调电光调Q、声光、声光调调Q、可饱和吸收调、可饱和吸收调Q等），输出功率几乎呈直线上升，等），输出功率几乎呈直线上升，脉宽压缩也取得了很大进展；到了脉宽压缩也取得了很大进展；到了8080年代，调年代，调Q Q技术产生技术产生脉宽为纳秒（脉宽为纳秒（nsns）量级，峰值功率为吉瓦（）量级，峰值功率为吉瓦（GWGW）量级的巨）量级的巨脉冲已并非困难。调脉冲已并非困难。调Q Q技术的

35、出现是激光发展史上的一个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，但是调且成为科学研究的有力工具，但是调Q Q技术压缩脉冲因受技术压缩脉冲因受产生机制的制约，很难再进一步压窄。产生机制的制约，很难再进一步压窄。2.4 2.4 激光的特性激光的特性19641964年，又提出并实现了压缩脉宽、提高功率的新机制年，又提出并实现了压缩脉宽、提高功率的新机制锁模技术锁模技术，由于它能使脉冲的持续时间压缩到皮秒（，由于它能使脉冲的持续时间压缩到皮秒（psps，10-12s10-12s）量级，所

36、以也称为超短脉冲技术，从）量级，所以也称为超短脉冲技术，从6060年代到年代到7070年年代，超短脉冲技术（包括代，超短脉冲技术（包括主动锁模主动锁模、被动锁模被动锁模、同步泵浦锁同步泵浦锁模模等相应的测量技术）得到了迅速的发展；到等相应的测量技术）得到了迅速的发展；到8080年代初，年代初，ForkFork等人又提出了等人又提出了碰撞锁模碰撞锁模理论，而且实现了碰撞锁模，得理论，而且实现了碰撞锁模，得到了到了90fs90fs的光脉冲序列。的光脉冲序列。9090年代，年代，自锁模技术自锁模技术的出现，在钛的出现，在钛蓝宝石自锁模激光器中得到了蓝宝石自锁模激光器中得到了8.5 fs的超短脉冲序列

37、。锁模的超短脉冲序列。锁模技术能产生脉宽为飞秒（技术能产生脉宽为飞秒（fs，10-15 s）、峰值功率为太瓦（）、峰值功率为太瓦（T W,1012W）以上的超短脉冲，为物理学、化学、生物学以及）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。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。 2.4 2.4 激光的特性激光的特性2.5 2.5 激光器的种类激光器的种类激光器的分类激光器的分类激励方式激励方式工作物质工作物质工作方式工作方式输出波长输出波长谐振腔结构谐振腔结构工作物质工作物质：固体激光器、气体激光器、液体激光：固体激光器、气体激

38、光器、液体激光器、半导体激光器、自由电子激光器；器、半导体激光器、自由电子激光器；工作方式工作方式：连续激光器、脉冲激光器、超短脉冲：连续激光器、脉冲激光器、超短脉冲激光器、可调谐激光器；激光器、可调谐激光器；激光波长激光波长：红外光激光器、可见光激光器、紫外：红外光激光器、可见光激光器、紫外光激光器、毫米波激光器、光激光器、毫米波激光器、X X射线激光器；射线激光器；激励方式激励方式：电激励激光器、光泵浦激光器、：电激励激光器、光泵浦激光器、热能激励激光器、化学激光器；热能激励激光器、化学激光器；谐振腔结构谐振腔结构：内腔激光器、外腔激光器、环形腔激光：内腔激光器、外腔激光器、环形腔激光器、

39、光纤激光器、薄膜激光器、分布反馈激光器；器、光纤激光器、薄膜激光器、分布反馈激光器；2.5 2.5 激光器的种类激光器的种类3 3 激光材料激光材料 常用的激光材料常用的激光材料 激光材料的制备方法激光材料的制备方法3.1. 3.1. 常用激光材料常用激光材料 激光工作物质分为固体、液体和气体激光工作物质。激光工作物质分为固体、液体和气体激光工作物质。它们构成的激光器中固体激光器是最重要的一种，它不它们构成的激光器中固体激光器是最重要的一种，它不但激活离子密度大，振荡频带宽并能产生谱线窄的光脉但激活离子密度大，振荡频带宽并能产生谱线窄的光脉冲，而且具有良好的机械性能和稳定的化学性能。固体冲，而

40、且具有良好的机械性能和稳定的化学性能。固体激光工作物质又分为晶体和玻璃两种。激光工作物质又分为晶体和玻璃两种。 (1) 激光激光晶体晶体材料材料 大多数激光晶体是含有激活离子的荧光晶体，按晶体的大多数激光晶体是含有激活离子的荧光晶体，按晶体的组成分类，它们可分为掺杂型激光晶体和自激活激光晶组成分类，它们可分为掺杂型激光晶体和自激活激光晶体两类。然而，前者占了现有激光晶体的绝大部分。体两类。然而，前者占了现有激光晶体的绝大部分。掺杂型激光晶体掺杂型激光晶体由激活离子由激活离子+基质晶体两部分组成。基质晶体两部分组成。一、激活离子主要有：一、激活离子主要有：过渡族金属离子过渡族金属离子三价稀土离子

41、三价稀土离子二价稀土离子二价稀土离子锕系离子锕系离子 常用的主要为前两类。近来，已开始进一步研究其常用的主要为前两类。近来，已开始进一步研究其他金属离子作为激活离子的可能性。他金属离子作为激活离子的可能性。3.1. 3.1. 常用激光材料常用激光材料掺杂型激光晶体掺杂型激光晶体二、基质晶体二、基质晶体 是指那些阳离子与激活离子半径、电负性接近是指那些阳离子与激活离子半径、电负性接近、价态尽可能相同、物理化学性能稳定和能方便、价态尽可能相同、物理化学性能稳定和能方便地生长出光学均匀性好的大尺寸晶体，主要有氧地生长出光学均匀性好的大尺寸晶体，主要有氧化物和复合氧化物、含氧金属酸化物、氟化物和化物和

42、复合氧化物、含氧金属酸化物、氟化物和复合氟化物三大类。复合氟化物三大类。3.1. 3.1. 常用激光材料常用激光材料自激活晶体自激活晶体 当激活离子成为基质的一种组分时，就形成了所当激活离子成为基质的一种组分时，就形成了所谓的自激活晶体。一般说提高效率的途径之一是谓的自激活晶体。一般说提高效率的途径之一是提高激活离子浓度。但是激活离子浓度增加到一提高激活离子浓度。但是激活离子浓度增加到一定程度时，会产生浓度猝灭效应。考虑能级间能定程度时，会产生浓度猝灭效应。考虑能级间能量的电偶极交叉弛豫，高浓度自激活激光晶体的量的电偶极交叉弛豫，高浓度自激活激光晶体的基本物理要求是，不存在通过共振交叉弛豫使亚

43、基本物理要求是，不存在通过共振交叉弛豫使亚稳能级退激发的通道和激活离子间具有较大的间稳能级退激发的通道和激活离子间具有较大的间距。距。 3.1. 3.1. 常用激光材料常用激光材料主要的自激活晶体材料主要的自激活晶体材料 晶体晶体空间空间群群最最邻近的邻近的阳离子阳离子数数波长波长/m寿命寿命/s 寿命寿命比比最大浓度最大浓度/1021cm-3x=0.01x=1.0NdxLa1-xP5O14P21/c81.0513201152.783.9LiNdxLa1-xP4O12C2/c81.0483251352.414.4KNdxGd1-xP4O12P2181.0522751002.754.1NdxGd

44、1-xAl3(BO3)4R3261.06450192.635.4NdxLa1-xNa5(WO4)4141/a8220852.592.6NdxLa1-xP3O9C222183755755.8CsNdxY1-xNaCl5Fm3m6410012303.333.23.1. 3.1. 常用激光材料常用激光材料(2)(2) 激光玻璃激光玻璃 尽管玻璃中激活离子的发光性能不如在晶体中好，尽管玻璃中激活离子的发光性能不如在晶体中好，但激光玻璃储能大，基质玻璃的性质可按要求在很大但激光玻璃储能大，基质玻璃的性质可按要求在很大范围内变化，制造工艺成熟，容易获得光学均匀的、范围内变化，制造工艺成熟，容易获得光学均匀

45、的、从直径为几微米的光纤到长达几微米的玻璃棒和几十从直径为几微米的光纤到长达几微米的玻璃棒和几十厘米的玻璃板，以及价格便宜等特点，使激光玻璃在厘米的玻璃板，以及价格便宜等特点，使激光玻璃在高功率光系统、纤维激光器和光放大器，以及其他重高功率光系统、纤维激光器和光放大器，以及其他重复频率不高的中小激光器中得到了广泛的应用，与激复频率不高的中小激光器中得到了广泛的应用，与激光晶体一起构成了固体激光材料的两大类，并得到了光晶体一起构成了固体激光材料的两大类，并得到了迅速的发展。迅速的发展。 3.1. 3.1. 常用激光材料常用激光材料激光玻璃中的激活离子和基质激光玻璃中的激活离子和基质激活离子：由于

46、配位场的作用，使基质玻璃中极大部分激活离子：由于配位场的作用，使基质玻璃中极大部分3d过渡金属离子实现激光的可能性较少，而稀土离子由于过渡金属离子实现激光的可能性较少，而稀土离子由于5s和和5p外层电子对外层电子对4f电子的屏蔽作用，使它在玻璃中仍保电子的屏蔽作用，使它在玻璃中仍保持与自由离子相似的光谱特性，容易获得较窄的荧光，因持与自由离子相似的光谱特性，容易获得较窄的荧光，因此在激光玻璃中激活离子是以此在激光玻璃中激活离子是以Nd3+离子为代表的三价稀土离子为代表的三价稀土离子。离子。基质：作为基质玻璃，最早的激光输出是在掺钕钡冕玻基质：作为基质玻璃，最早的激光输出是在掺钕钡冕玻璃中实现的

47、。表璃中实现的。表3.1-2列出了若干掺钕玻璃的荧光性质，在列出了若干掺钕玻璃的荧光性质，在此基础上，并根据各种激光器对激光玻璃物理化学性质的此基础上，并根据各种激光器对激光玻璃物理化学性质的要求以及制造工艺的可行性，研制出许多品种钕激光玻璃要求以及制造工艺的可行性，研制出许多品种钕激光玻璃。3.1. 3.1. 常用激光材料常用激光材料若干掺钕玻璃的荧光性质若干掺钕玻璃的荧光性质 06. 1基质基质玻璃玻璃荧光中心波荧光中心波长长/m荧光线宽荧光线宽/cm-1受激发射截受激发射截面面/10-21cm2辐射跃迁几辐射跃迁几率率/s-1荧光分支比荧光分支比 折射率折射率nd氟化物氟化物 1.046

48、1.050 1902802.03.516002500 0.50.571.281.38氯化物氯化物 1.0631.065 1902206.07.045005500 0.450.521.62.0硅酸盐硅酸盐 1.0581.062 3404001.03.0110030000.450.51.481.75磷酸盐磷酸盐 1.0521.057 2503502.04.520003500 0.480.55 1.491.65硼酸盐硼酸盐 1.0601.065 2904202.03.022003500 0.480.60 1.521.70碲酸盐碲酸盐 1.0571.063 2603103.05.050007000 0

49、.460.551.82.2YAG1.064248943800.521.8363.1. 3.1. 常用激光材料常用激光材料3.2 3.2 激光材料制取方法激光材料制取方法3.2.1 3.2.1 激光晶体制取方法激光晶体制取方法3.2.2 3.2.2 半导体激光材料的制取方法半导体激光材料的制取方法2022/6/19A 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加热熔融，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，适于生长分随即结晶。该法设备简单、不用

50、坩埚，适于生长熔点大于熔点大于1800(可达可达2500)的晶体如红宝石、钇的晶体如红宝石、钇铝石榴石铝石榴石(Y3A15O12)和和Y2O3等基质晶体，缺点是晶等基质晶体，缺点是晶体内应力大、位错密度高及存在化学不均匀性。体内应力大、位错密度高及存在化学不均匀性。 3.2.1 3.2.1 激光晶体制取方法激光晶体制取方法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，如完美单晶，如CaWO4、CaMoO4、红宝石、碱土金属卤化、红宝石、碱土金属卤化物及石榴石晶体等。物及石榴石晶体等。 近年来出现的钆钪镓石榴石近年来出现

51、的钆钪镓石榴石Gd3Sc2Ga3O12 (简称简称GSGG)就是用直拉法生长的。采用铱坩埚在含就是用直拉法生长的。采用铱坩埚在含l3O2的氮气氛中的氮气氛中生长生长(感应加热感应加热)，已生长出直径，已生长出直径130mm、长、长100mm的晶坨，的晶坨，晶体尺寸大、质量高、适于制造高平均输出晶体尺寸大、质量高、适于制造高平均输出(1KW)的板条的板条激光器（规格激光器（规格l10 20cm3)，在金属加工方面可与，在金属加工方面可与CO2激激光器竞争。光器竞争。3.2.1 3.2.1 激光晶体制取方法激光晶体制取方法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，一般都采用

52、直拉法生长，已制出最大直径约已制出最大直径约10mm、长达、长达150mm的激光棒。还制出直的激光棒。还制出直径径75mm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，生长长1015cm长的晶棒，耗时数周，造成高的生产成本。目前长的晶棒，耗时数周，造成高的生产成本。目前正在研制正在研制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)也是用直拉法生长的。这种晶体解决了钕含量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

53、率输出，近年内可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，其激射波长为望制成千瓦级小型固体激光器，其激射波长为1054m。 3.2.1 3.2.1 激光晶体制取方法激光晶体制取方法 该法将籽晶置于坩埚底部的中心位置，熔料装到籽晶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，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。固液界面因浸没热交换器的温度决定固体内的温度梯度。固

54、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。该法适于生长布。该法适于生长Cr：A12O3(红宝石红宝石)、Nd：YAG、Co：MgF2和和Ti：A12O3(蓝宝石蓝宝石)，能获得大尺寸优质晶体，如，能获得大尺寸优质晶体，如65mm的的Co： MgF2晶体和晶体和 320mm、重、重50Kg的蓝宝石的蓝宝石晶体。晶体。 C热交换器热交换器(HEM)法法3.2.1 3.2.1 激光晶体制取方法激光晶体制取方法2022/6/196

55、1 半导体激光器主要用于光学器件、激光唱盘、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。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；长波为主；长波长长(1.101.6 m)材料以材料以(In, Ga)(As, P)InP为主。为主。因此因此GaAs，InP衬底材料及衬底材料及(Ga, Al)As， (In, Ga)(As, P)外延膜质量至关重要。外延膜质量至关重要。 3.2.2 3.2.2 半导体激光材料的制取方法半导体激光材料的制取方法2022/

56、6/1962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，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通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，显著降低了位错密度施，显著降低了位错密度。用水平布里支曼用水平布里支曼(HB)法法已获已获得宽得宽80mm、长、长100mm的的GaAs晶体，位错密度比晶体，位错密度比LEC晶晶体低，更适合作衬底材料。生长体低，更适合

57、作衬底材料。生长InP远比远比GaAs困难，通困难，通常用常用LEC法生长，已能生长直径达法生长，已能生长直径达75mm、重、重1.2kg的无的无孪生孪生InP单晶。单晶。3.2.2 3.2.2 半导体激光材料的制取方法半导体激光材料的制取方法 外延膜的生长除常用的液相外延外，分子束外延外延膜的生长除常用的液相外延外，分子束外延(MBE)(MBE)和金和金属有机化学气相沉积属有机化学气相沉积(MOCVD)(MOCVD)等新的薄膜生长方法发展很快等新的薄膜生长方法发展很快。 目前生长目前生长GaAsGaAs和和 (Ga, Al)As(Ga, Al)As量子阱结构量子阱结构(0.60.8 (0.6

58、0.8 m)m)以以用用MBEMBE和和MOCVDMOCVD为宜，对波长为宜，对波长1.21.6 1.21.6 m m的的(In, Ga)(As, (In, Ga)(As, P)/InPP)/InP体系，以用氢化物输运气相外延为宜。体系，以用氢化物输运气相外延为宜。分子束外延是一种在晶体基片上生长高质量的晶分子束外延是一种在晶体基片上生长高质量的晶体薄膜的新技术。在超高真空条件下，由装有各体薄膜的新技术。在超高真空条件下，由装有各种所需组分的炉子加热而产生的蒸气，经小孔准种所需组分的炉子加热而产生的蒸气，经小孔准直后形成的分子束或原子束，直接喷射到适当温直后形成的分子束或原子束，直接喷射到适当

59、温度的单晶基片上，同时控制分子束对衬底扫描，度的单晶基片上，同时控制分子束对衬底扫描，就可使分子或原子按晶体排列一层层地就可使分子或原子按晶体排列一层层地“长长”在在基片上形成薄膜。该技术的优点是：使用的衬底基片上形成薄膜。该技术的优点是：使用的衬底温度低，膜层生长速率慢，束流强度易于精确控温度低，膜层生长速率慢，束流强度易于精确控制，膜层组分和掺杂浓度可随源的变化而迅速调制，膜层组分和掺杂浓度可随源的变化而迅速调整。整。 外延生长法外延生长法3.2.2 3.2.2 半导体激光材料的制取方法半导体激光材料的制取方法气体激光器气体激光器是以是以气体或蒸气气体或蒸气为工作物质的为工作物质的激光器，

60、是目前种类最多、波长分布区域激光器，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，并扩展到外的整个光谱区域，并扩展到X X射线波段和射线波段和毫米波波段。气体激光器具有毫米波波段。气体激光器具有输出光束质输出光束质量高、转换效率高、结构简单、造价低廉量高、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、医等优点。被广泛应用于工农业、国防、医学及其他科研领域等。学及其他科研领域等。气体激光器激励方式气体激光器激励方式光激励光激励热激励热激