2016-04-17 182953 课件2 光电材料器件5.ppt

1、光电子材料与器件第2章 固体激光材料及典型固体激光器,前一节内容回顾,半导体发光二极管 半导体元素组成及应用 半导体发光二极管和三极管原理与应用 半导体激光器 半导体激光器应用及实现条件 典型半导体激光器基本原理和应用,内容提要,固体激光器原理 原子发光原理 固体激光原理 激光发光原理 激光工作原理 固体激光器材料 固体激光器结构,内容提要,固体激光器原理 原子发光原理 固体激光原理 激光发光原理 激光工作原理 固体激光器材料 固体激光器结构,原子发光原理,“整个宇宙中大约只有100多种不同的原子。我们看到的所有东西都是由这100多种原子以穷极无限的方式组合而成。这些原子之间排列组合的方式决定

2、了构成的物体是一杯水、一块金属或是汽水瓶中的泡沫！” “原子是永恒运动着的。它们不停地振动、移动和旋转。我们座椅的原子也是不断运动着的，固体实际上也在运动！”,摘录：,原子发光原理,“原子有几种不同的激发状态，换言之，它们具有不同的能量。如果赋予原子足够的能量，它就可以从基态能量层级上升到激发态能量层级。 激发态能量层级的高低取决于通过热能、光能、电能等形式赋予原子的能量有多少。”,摘录：,原子发光原理,原子由原子核（含有质子和中子）和电子云组成,如果我们对原子加热，处于低能量轨道上的部分电子可能受激发而跃迁到距离原子核更远的高能量轨道。,原子发光原理,电子跃迁至更高能轨道后，最终仍要回到基态

3、。在此过程中，电子以光子（一种光线粒子）的形式释放能量。可以发现，原子不断地以光子形式释出能量。,实际上，原子确实可以吸收热能、光能、电能等形式的能量，然后电子会从低能量轨道跃迁至高能量轨道。,原子发光原理,总之，任何发光物体，包括荧光灯、煤气灯、白炽灯等都是通过改变电子轨道并释放光子来发光的。,内容提要,固体激光器原理 原子发光原理 固体激光原理 激光发光原理 激光工作原理 固体激光器材料 固体激光器结构,固体激光原理,激光器是控制受激原子的光子释放方式的设备。“Laser”是light amplification by stimulated emission of radiation（受激

4、辐射光放大）的简称。,固体激光原理,钕-钇铝石榴石激光器、钛-蓝宝石激光器和谐振氦氖激光器,美国国家航空航天管理局兰利研究中心,激光发光原理,固体激光原理,以红宝石激光器为例，简要介绍一下激光器的发光原理！,激光发光原理,固体激光原理,基本结构：闪光灯、红宝石棒和反射镜,（1） 未发射状态的激光器,（2）闪光管闪光并将光线射入红宝石棒,（3）其中的部分原子释放出光子,（4）光子在放光镜间来回反弹激发发射单色光,激光发光原理,固体激光原理,真实的三级激光器的工作原理示意图,激光发光原理,固体激光原理,基于此原理的激光器，按增益介质形态可分为可以是气体、液体和固体（包含半导体）激光器。,激光发光原

5、理,固体激光原理,红宝石激光器,气体激光器,液体激光器,半导体激光器,激光发光原理,固体激光原理,激光种类 波长（纳米） 氩氟激光（紫外光） 193 氪氟激光（紫外光） 248 氙氯激光（紫外光） 308 氮激光（紫外光） 337 氩激光（蓝光） 488 氩激光（绿光） 514 氦氖激光（绿光） 543 氦氖激光（红光） 633 罗丹明6G染料（可调光） 570-650 红宝石（CrAlO3）（红光） 694 钕-钇铝石榴石（近红外光） 1064 二氧化碳（远红外光） 10600,激光发光原理,固体激光原理,（1）高强度、良好聚焦性 （2）极好的相干性,在实际应用时，元器件中主要利用激光器的以

6、下两个特性进行工作。,激光工作原理,（1）高强度、良好聚焦性,加工： 钻孔（烧结）：效率，可加工硬质合金和钻石等 焊接（烧熔）：迅速、非接触，可在大气中进。 切割（连续打孔）：例如芯片电路的精准分割、调节精密电阻、绘制集成 电路图、控制光栅机等 测量：准测距等 医疗：激光手术刀、血光内窥镜等 军事：激光制导、激光炮等 核技术：激光分离同位素（还利用频率准确的特点），激光核聚变等,固体激光原理,激光工作原理,（2）极好的相干性,测量：精密测长、测厚、测角、测流速（10-5104m/s）、定向（激光陀螺）、测电流、测电压（激光效应）、激光雷达等 探测：微电子器件表明探测（激光原子力显微镜可测25个

7、原子厚度的起伏变化），单原子探测（利用光谱分析能出1020个原子中的一个原子）。 全息技术：全息存储、全息测量、全息电影、全息摄影等 激光光纤通讯：载波频率高（10111015Hz）、信息容量大、清晰、功耗小、抗干扰性强。,固体激光原理,激光发光原理,激光光纤 通讯光缆,固体激光原理,激光工作原理,固体激光原理,激光工作原理,内容提要,固体激光器原理 原子发光原理 固体激光原理 激光发光原理 激光工作原理 固体激光器材料 固体激光器结构,固体激光器材料,基质材料：应能为激活离子提供合适的配位场； 激活离子：提供发光的载体，其光谱特性与自身未填满能级的电子跃迁有关,固体激光器材料,基质材料,基质

8、材料主要是由一些氧化物或氟化物构成，可分为玻璃，晶体和陶瓷三大类。 作为基质材料除要求其物理化学性能稳定、易生长出光学均匀性好的大尺寸晶体、且价格便宜，还要考虑它与激活离子间的适应性。也就是说，基质阳离子与激活离子的半径、电负性和价态应尽可能接近。此外，还要考虑基质晶场对激活离子光谱的影响。对于某些具有特殊功能的基质晶体，掺入激活离子后能直接产生具有某种特性的激光，如在某些非线性晶体中，激活离子产生激光后通过基质晶体能直接转换成谐波输出。,固体激光器材料,基质材料-激光玻璃,激光玻璃中一种典型代表，就是以玻璃为基质，掺入适量的氧化钕。,激光玻璃与普通玻璃的区别 (1)激光玻璃的光学均匀性折射率

9、误差达到 2*10-6，而普通光学玻璃均匀性其折射率误差达到2*10-4； (2)在1054nm处的透过损耗低于0.0015cm-1； (3)玻璃中OH根及铂含量极低。,固体激光器材料,基质材料-激光晶体,Nd:YAG激光晶体 （钇铝石榴石晶体Neodymium-doped Yttrium Aluminium Garnet） Nd:YVO4激光晶体 （掺钕钒酸钇晶体） Nd:GdVO4激光晶体 （掺钕钒酸钆单晶）,常见三类激光晶体,掺杂型激光晶体：激活离子部分取代基质晶体中的阳离子形成的晶体 自激活激光晶体：激活离子成为基质晶体组分的一部分时构成的晶体,固体激光器材料,基质材料,钇铝石榴石晶体

10、（Nd:YAG）激光晶体,适于制造激光二极管泵浦的、特别是中低功率的激光器。可激发脉冲激光或连续式激光，发射之激光为红外线波长 1.064m。 是目前能在室温下连续工作的唯一实用的固体工作物质，突出优点是阈值低和优良的热学性能。该激光器当前使用最广泛。,固体激光器材料,基质材料,钇铝石榴石晶体（Nd:YAG）激光晶体,Nd:YAG激光的波长为1064 nm，不在氧合血红蛋白的吸收峰附近，氧合血红蛋白的吸收较差，其穿透深度可达8 mm左右，因而能对较深部位的血管瘤发挥治疗作用。 Nd:YAG激光可分为连续式和脉冲式两种。目前常用的是连续Nd:YAG激光，但这种激光对组织的热损伤是非选择性的，在凝

11、固瘤体血管的同时，多余的能量也会损伤周围正常的组织，术后容易留下瘢痕。,固体激光器材料,基质材料,掺钕钒酸钇（Nd:YVO4）晶体,适于制造激光二极管泵浦特别是中低功率的激光器。与Nd:YAG相比Nd:YVO4对泵浦光有较高的吸收系数和更大的受激发射截面。 光二极管泵浦的Nd:YVO4晶体与LBO,BBO,KTP等高非线性系数的晶体配合使用，能够达到较好的倍频转换效率，可以制成输出近红外、绿色、蓝色到紫外线等类型的全固态激光器。,固体激光器材料,基质材料,掺钕钒酸钇（Nd:YVO4）晶体,在机械、材料加工、波谱学、晶片检验、显示器、医学检测、激光印刷、数据存储等多个领域得到广泛的应用。 Nd:

12、YVO4二极管泵浦固态激光器正在迅速取代传统的水冷离子激光器和灯泵浦激光器的市场，尤其是在小型化和单纵模输出方面。,固体激光器材料,基质材料,掺钕钒酸钆（Nd:GdVO4）单晶,有优良的物理、光学、机械性能,是理想的激光二极管泵浦全固态(DPSS)微小型激光器的激光工作物质之一；比钇铝石榴石晶体有更高的斜率效率，比钒酸钇晶体有更好的热导和高输出功率。,固体激光器材料,基质材料-激光陶瓷,陶瓷材料，如在Y2O3中加入少量ThO2（氧化钍）和微量Nb2O5（氧化铌）构成的掺钕透明氧化钇陶瓷，可作为中等增益的高平均脉冲功率的激光物质。,与激光玻璃相比，激光陶瓷在热导率、硬度、机械强度等性能方面有更大

13、的优势； 与激光晶体相比，激光陶瓷的制备时间短，成本低，便于制备成各种形状和尺寸。,固体激光器材料,激活离子,主要的激活离子： （1）过渡金属离子。如铬、镍、钴等。 （2）3价稀土金属，如铷（Nd3+）、钇（Y3+）等。 （3）2价稀土金属，如锡（Sn2+）、铒（Er2+）等。 （4）锕系材料，多为人工放射元素，不易制备。,固体激光器材料,激活离子,过渡族金属离子的光学电子是处于外层的3d电子，在晶体中这种光学电子易受到周围晶场的直接作用，所以在不同结构类型的晶体中，其光谱特性有很大差异。 三价稀土离子的4f电子受到5s和5p外层电子的屏蔽作用，使晶场对其作用减弱，所以三价稀土离子在不同晶体中

14、的光谱不像过渡族金属离子变化那么大。但晶场的微扰作用使本来禁戒的4f电子跃迁成为可能，产生窄带的吸收和荧光谱线。,需要注意：,内容提要,固体激光器原理 原子发光原理 固体激光原理 激光发光原理 激光工作原理 固体激光器材料 固体激光器结构,固体激光器结构,中、小型的光泵固体激光器一般由激光工作物质、泵浦光源和光学谐振腔，以及电源和聚光腔等部分构成。,固体激光器材料,泵浦光源,泵浦光源主要目的是将电能有效低转换为辐射能，并在给定的光谱带上产生高的辐射通量。要求： 泵浦源具有较高的辐射效率，并具有与激光工作物质吸收带相匹配的辐射光谱分布； 光源必须具备一定的亮度或亮温度达到阈值振荡。,固体激光器材

15、料,泵浦光源,固体激光器材料,泵浦光源,灯管内充以氙气(xe)或氪气(Kr)等惰性气体，工作于弧光放电状态，以脉冲放电辐射光能的气体放电灯称为脉冲灯。 该灯在较短的时间(通常为几百微秒到几毫秒)内通过大电流放电(一般电流密度为几千安培厘米2)，使管内放电气体等离子体瞬时达到高温(104K)，从而发出高亮度以连续光谱为主的“白光辐射”，发光犹如闪电，故又称为闪光灯，其亮温度可在5000K15000K之间。 脉冲氙灯可单次闪光，也可以一定的重复闪光频率(一般低于100 次s)持续工作，后者需采取专门的风冷或液体冷却措施。,固体激光器材料,泵浦光源,灯管内同样充以氙气(xe)或氪气(Kr)等惰性气体

16、，工作于弧光放电状态，以连续弧光放电辐射光能的气体放电灯称为弧光灯。 氙气弧光灯：总转换效率最高，氙的红外线状光谱与Nd：YAG全部泵浦带730nm760nm、790nm820nm、860nm890nm、570nm600nm不相重叠。 氪气弧光灯：最强的两条发射谱线(760nm和811nm)被激光晶体强烈吸收，更好地与Nd：YAG匹配，因此是目前用于连续光泵浦Nd:YAG激光器中最有效、输入功率水平最高的光源；,固体激光器材料,泵浦光源,其工作特点是： 通过灯的低电压(一般为百伏左右)、大电流(一般为20A50A)连续弧光放电，可获得稳定的具有显著线状光谱贡献的光辐射。 连续氪弧灯的发光效率也

17、可做到较高，由输入电能向输出光能的转换效率可达4050%以上。 灯的充气气压比脉冲灯要高，一般为24个大气压。气压越高，触发或预燃越困难。 由于连续运转热负载较高，通常均需采用流动水冷却，此时灯的管壁功率负载能力为100W/cm2-200W/cm2。,氪气弧光灯,固体激光器材料,泵浦光源,二极管泵浦固体激光器英文全称为Diode Pump Solid State Laser （简称：DPSSL）。该类型的激光器利用输出固定波长的半导体激光器代替了传统的氪灯或氙灯来对激光晶体进行泵浦，取得了崭新的发展，被称为第二代的激光器。 1962年，第一只同质结砷化镓半导体激光器问世，1963年，美国人纽曼

18、就首次提出了用半导体做为固体激光器的泵浦源的构想。但在早期，由于二极管的各项性能还很差，作为固体激光器的泵浦源还显得不成熟。直到1978年量子阱半导体激光器概念的提出，以及八十年代初期MOCVD 技术的使用及应变量子阱激光器的出现，使得LD的发展步上了一个崭新的台阶。大功率的LD 及LD列阵技术也逐步成熟，大大促进了DPSSL的研究。,固体激光器材料,泵浦光源,寿命长，系统稳定性好。传统的氪灯或氙灯寿命只有几百小时，最长的不超过2000小时。而用于泵浦的二极管激光器寿命高达上万小时，从而大大降低了使用者的维护成本。 能量转换率高。传统的灯泵浦激光器的转换效率大约只有3%左右，泵浦灯的发出的能量大部分转换成了热能，造成了极大的能源浪费。而DPSSL所用的LD发出固定的，被激光晶体吸收的808nm波长的激光，光光转换效率可高达40%以上，大大减少了运行成本。 体积小，便于设计小型化。一台DPSSL激光器大约只有传统灯泵浦激光器