光电子材料3第三章光电子材料基础.ppt

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1、第三章第三章 光电子材料基础光电子材料基础1第一页，编辑于星期六：十六点 三十四分。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2第二页，编辑于星期六：十六点 三十四分。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新技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。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

2、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，到年代激光器的发明开始，到7070年代年代低损耗光纤的实现、半导体激光器的成熟、低损耗光纤的实现、半导体激光器的成熟、CCDCCD的问世，再的问世，再到到8080年代超晶格量子阱材料和工艺的发展、掺铒光纤放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，短短几十年得到了迅速的发大器和激光器的研制成功，短短几十年得到了迅速的发展。展。3第三页，编辑于星期六：十六点 三十四分。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，而吸收特性，而

3、吸收特性主要取决于半导体的能带结构。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4第四页，编辑于星期六：十六点 三十四分。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的激子：指一种中性的非传导电的束缚状的电子激发态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 5第五页，编辑于星期六：十六点 三十四分。半导体的激发与复合半导体

4、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 6第六页，编辑于星期六：十六点 三十四分。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

5、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人提等人提出了激光的概念和理论设计出了激光的概念和理论设计 19601960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 7第七页，编辑于星期六：十六点 三十四分。1960-5-17，TedMaiman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

6、产生及历史8第八页，编辑于星期六：十六点 三十四分。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9第九页，编辑于星期六：十六点 三十四分。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有机年，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。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

7、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10第十页，编辑于星期六：十六点 三十四分。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研等在长春建立了我国第一所光学专业研究所究所中国科学院（长春）光学精密仪器机械研究所中国科学院（长春）光学精密仪器机械研究所（简称（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

8、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1966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11第十一页，编辑于星期六：十六点 三十四分。E E2 2E E1 1h h 2.2.1 2.2.1 2.2.1 2.2.1 自发辐射自发辐射自发辐

9、射自发辐射 受激辐射和受激吸收受激辐射和受激吸收受激辐射和受激吸收受激辐射和受激吸收自发辐射自发辐射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能级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。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12第十二页，编辑于星期六：十六点 三十四分。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

10、、振动方向、相位都不固定，不是相干光。受激吸收受激吸收受激吸收受激吸收 当原子中的电子处于低能级时，吸收光子的能量后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 2.2.1 2.2.1 2.2.1 2.2.1 自发辐射自发辐射自发辐射自发辐射 受激辐射和受激吸收受激辐射和受激吸收受激辐射和受激吸收受激辐射和受激吸收13第十三页，编辑于星期六：十六点 三十四分。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电子会在外来光子的诱发下向低能级跃迁

11、，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 受激辐射受激辐射受激辐射受激辐射2.2.1 2.2.1 2.2.1 2.2.1 自发辐射自发辐射自发辐射自发辐射 受激辐射和受激吸收受激辐射和受激吸收受激辐射和受激吸收受激辐射和受激吸收14第十四页，编辑于星期六：十六点 三十四分。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，得到两个特征在受激辐射中

12、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它原子产完全相同的光子，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相同的光子生受激辐射，就能得到更多的特征完全相同的光子-光放大，光放大，激光激光。光放大光放大光放大光放大2.2.1 2.2.1 2.2.1 2.2.1 自发辐射自发辐射自发辐射自发辐射 受激辐射和受激吸收受激辐射和受激吸收受激辐射和受激吸收受激辐射和受激吸收15第十五页，编辑于星期六：十六点 三十四分。LASER：受激辐射光放大：受激辐射光放大LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiatio

13、n2.2.1 2.2.1 2.2.1 2.2.1 自发辐射自发辐射自发辐射自发辐射 受激辐射和受激吸收受激辐射和受激吸收受激辐射和受激吸收受激辐射和受激吸收16第十六页，编辑于星期六：十六点 三十四分。2.2.2 2.2.2 2.2.2 2.2.2 粒子数正常分布和粒子数反转粒子数正常分布和粒子数反转粒子数正常分布和粒子数反转粒子数正常分布和粒子数反转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E2E1，则两能级上的，则两能级上的原子数目之比原

14、子数目之比17第十七页，编辑于星期六：十六点 三十四分。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;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。2.2.2 2.2.2 2.2.2 2.2.2 粒子数正常分布和粒子数反转粒子数正常分布和粒子数反转粒子数正常分布和粒子数反转粒子数正常分布和粒子数反转18第十八页，编辑于星期六：十六点 三十四分。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（

15、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2.2.2 2.2.2 2.2.2 2.2.2 粒子数正常分布和粒子数反转粒子数正常分布和粒子数反转粒子数正常分布和粒子数反转粒子数正常分布和粒子数反转19第十九页，编辑于星期六：十六点 三十四分。原子处在激发态时间很短原子处在激发态时间很短10-8s，但还，但还有一些亚稳态，可以停留有一些亚稳态，可以停留10-3s,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

16、化碳分子、氩离子二氧化碳分子、氩离子2.2.2 2.2.2 2.2.2 2.2.2 粒子数正常分布和粒子数反转粒子数正常分布和粒子数反转粒子数正常分布和粒子数反转粒子数正常分布和粒子数反转20第二十页，编辑于星期六：十六点 三十四分。1231234三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+2.2.2 2.2.2 2.2.2 2.2.2 粒子数正常分布和粒子数反转粒子数正常分布和粒子数反转粒子数正常分布和粒子数反转粒子数正常分布和粒子数反转21第二十一页，编辑于星期六：十六点 三十四分。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

17、低能级的粒子数，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，要实现粒子数反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界作用，促使大转，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能级上，这种过程叫量低能级上的粒子反转到高能级上，这种过程叫做做激励激励，或称为，或称为泵浦泵浦。2.2.2 2.2.2 2.2.2 2.2.2 粒子数正常分布和粒子数反转粒子数正常分布和粒子数反转粒子数正常分布和粒子数反转粒子数正常分布和粒子数反转22第二十二页，编辑于星期六：十六点 三十四分。对固体型的工作物质常常应用强光照射的办法，对固体型

18、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，促进特的方法，促进特定储存气体物质按照一定的规律经放电而激励，常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（用的工作气体物质有分子气体（CO2气体）及原子气体）及原子气体（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激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，这类物质注入大电流

19、的励放光，常见的有砷化镓，这类物质注入大电流的方法被叫做方法被叫做注入式激励法注入式激励法。2.2.2 2.2.2 2.2.2 2.2.2 粒子数正常分布和粒子数反转粒子数正常分布和粒子数反转粒子数正常分布和粒子数反转粒子数正常分布和粒子数反转23第二十三页，编辑于星期六：十六点 三十四分。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），电子束甚至用核反应），电子束甚至用核反应中生成的粒子进行轰击（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）等方法，都能实现粒子数反转分布。从能量角度看，方法

20、，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过程。激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，是由激励装置从其他形式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）转换而来。的能量（诸如光、电、化学、热能等）转换而来。2.2.2 2.2.2 2.2.2 2.2.2 粒子数正常分布和粒子数反转粒子数正常分布和粒子数反转粒子数正常分布和粒子数反转粒子数正常分布和粒子数反转24第二十四页，编辑于星期六：十六点 三十四分。2.2.3 2.2.3 2.2.3 2.2.3 激光的形成激光的形成激光的形成激光的形成光学谐振

21、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物。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，又反射回来质中传播时，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，这样不断地反射现象为穿过工作物质，进一步得到光放大，这样不断地反射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。25第二十五页，编辑于星期六：十六点 三十四分。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，由驻波条件光在谐振腔传播时形成驻波，由驻波条件不满

22、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。2.2.3 2.2.3 2.2.3 2.2.3 激光的形成激光的形成激光的形成激光的形成26第二十六页，编辑于星期六：十六点 三十四分。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

23、而实现光放大并实施发射频率振荡，从而实现光放大并实施发射频率 的选择。的选择。2.2.3 2.2.3 2.2.3 2.2.3 激光的形成激光的形成激光的形成激光的形成27第二十七页，编辑于星期六：十六点 三十四分。激光产生的阈值条件激光产生的阈值条件2.2.3 2.2.3 2.2.3 2.2.3 激光的形成激光的形成激光的形成激光的形成在谐振腔内还存在着许多损耗因素，如反射镜吸收、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线折射和透射和衍射，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振腔的光放大散射等。如果各种损耗的结果抵消了

24、谐振腔的光放大过程，就不可能有激光输出。过程，就不可能有激光输出。28第二十八页，编辑于星期六：十六点 三十四分。2.2.3 2.2.3 2.2.3 2.2.3 激光的形成激光的形成激光的形成激光的形成阈值条件：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，L为两个反射镜的为两个反射镜的间距。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，即经次往返，即经过两次反射后，光强都要改变过两次反射后，光强都要改变R1R2e2a(V)L倍，如果倍，如果

25、R1R2e2a(V)L小于小于1，就意味着往返一次后光强减弱，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，因而不可能建立激经过多次反射后会越来越弱，因而不可能建立激光振荡。光振荡。29第二十九页，编辑于星期六：十六点 三十四分。2.2.3 2.2.3 2.2.3 2.2.3 激光的形成激光的形成激光的形成激光的形成只有当粒子反转数达到一定的数值时，光的增益系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，除了数才足够大。因此，实现光振荡并输出激光，除了具备合适的工作物质和稳定的光学谐振腔外，还必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

26、，加快泵浦抽运速率，从而使粒子反转须减少损耗，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。数达到产生激光的阈值条件。30第三十页，编辑于星期六：十六点 三十四分。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31第三十一页，编辑于星期六：十六点 三十四分。光学谐振腔：光学谐振腔：通过工作物质对激光提供反馈，以激发更多的光通过工作物质对激光提供反馈，以激发更多的光发射。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

27、并产生受激辐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(原子气体、原子气体、离子气体、分子气体离子气体、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、化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32第三十二页，编辑于星期六：十六点 三十四分。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

28、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、KrF）物物有机荧光染料（如罗丹明有

29、机荧光染料（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33第三十三页，编辑于星期六：十六点

30、三十四分。固体工作物质可粗略分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子具备清晰的荧光线、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。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、化学稳，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。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就不能直就不能直接掺入接掺入1以上的激

31、活离子。但用稀土激活的晶体激活以上的激活离子。但用稀土激活的晶体激活离子的掺入量可大于离子的掺入量可大于1。2.3 2.3 激光器组成激光器组成34第三十四页，编辑于星期六：十六点 三十四分。(2)电性中和电性中和：掺杂剂价态如与基质阳离子不同，则要采取适当的：掺杂剂价态如与基质阳离子不同，则要采取适当的电电荷补偿技术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，溶解度就受到限制，这时再加入限制，这时再加入Na+，稀土溶解度才增加。，稀土溶解度才

32、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发的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，对一些运转方式如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、高功率、高重复率脉冲运转高重复率脉冲运转颇为关键。对于这些运转方式，利用颇为关键。对于这些运转方式，利用热膨胀热膨胀系数低、强度高、热导率高系数低、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35第

33、三十五页，编辑于星期六：十六点 三十四分。（4 4）光学性质）光学性质：理想晶体应对泵浦波长有较强吸收，：理想晶体应对泵浦波长有较强吸收，对激发波长吸收很弱。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110ppm。2.3 2.3 激光器组成激光器组成36第三十六页，编辑于星期六：十六点 三十四分。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+37第三十七页，编辑于星期六：十六点 三十四分。2.4 2.4 激光的特性激光的特性激光束的

34、方向性与激光器的工作物质种类和光学谐振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。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，因而光，谐振腔长，因而光束方向性最强，发散角在束方向性最强，发散角在10-3-10-4弧度，其中氦氖激弧度，其中氦氖激光数发散角最小。光数发散角最小。固体和液体激光器工作物质均匀性较差，谐振腔较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，形成的谐振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

35、方向性最差。腔非常短，光束方向性最差。方向性好方向性好38第三十八页，编辑于星期六：十六点 三十四分。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，谱激光的单色性好，一些气体激光器，如氦氖激光，谱线宽度极窄，不到线宽度极窄，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灯的谱线窄数万倍。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103Hz，固体激光单色性较差，半导体激光器单，固体激

36、光单色性较差，半导体激光器单色性最差。色性最差。单色性好单色性好39第三十九页，编辑于星期六：十六点 三十四分。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关所谓光的相干性，是指在空间任意两点光振动之间相互关联的程度。联的程度。普通光源发光都是自发辐射过程，每个发光原子都是一个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，光子发射杂乱无章，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，发射的光子具因此相干性很低。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

37、干性很高。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于固体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。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40第四十页，编辑于星期六：十六点 三十四分。2.4 2.4 激光的特性激光的特性对于可见光波段的激光而言，光束的高功率密度表现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。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

38、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41第四十一页，编辑于星期六：十六点 三十四分。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实现的，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得更高的峰值功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。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)或微微秒或微微秒(ps)的极短时间内释放原来用数毫秒释放的能量，从而的极短时间内释放原来用数毫秒释放的能量，从而可获

39、得兆瓦级峰值功率，这是普通光源无法实现的。可获得兆瓦级峰值功率，这是普通光源无法实现的。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

40、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。42第四十二页，编辑于星期六：十六点 三十四分。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窄概念，即设想把全部光辐射能压缩到极窄的脉冲中发射；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激光器，输出峰激光器，输出峰值功率为值功率为600600千瓦，脉冲宽度为千瓦，脉冲宽度为1010-7-7s s量级；随后的几年发展的量级；随后的几年发展的非常快，出现了多种调非常快，

41、出现了多种调Q Q方法（如方法（如电光调电光调Q、声光调、声光调Q、可饱、可饱和吸收调和吸收调Q等），输出功率几乎呈直线上升，脉宽压缩也取得等），输出功率几乎呈直线上升，脉宽压缩也取得了很大进展；到了了很大进展；到了8080年代，调年代，调Q Q技术产生脉宽为纳秒（技术产生脉宽为纳秒（nsns）量级，）量级，峰值功率为吉瓦（峰值功率为吉瓦（GWGW）量级的巨脉冲已并非困难。调）量级的巨脉冲已并非困难。调Q Q技术的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学研究的有力工具，但是调些应用技术的发

42、展而且成为科学研究的有力工具，但是调Q Q技术技术压缩脉冲因受产生机制的制约，很难再进一步压窄。压缩脉冲因受产生机制的制约，很难再进一步压窄。2.4 2.4 激光的特性激光的特性43第四十三页，编辑于星期六：十六点 三十四分。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锁模技术技术，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年代，超短脉年代，超短脉冲技术（包括冲技术（包括

43、主动锁模主动锁模、被动锁模被动锁模、同步泵浦锁模同步泵浦锁模等相应的测量等相应的测量技术）得到了迅速的发展；到技术）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碰撞锁模锁模理论，而且实现了碰撞锁模，得到了理论，而且实现了碰撞锁模，得到了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，在钛蓝宝石自锁模激光器中得到的出现，在钛蓝宝石自锁模激光器中得到了了8.5fs的超短脉冲序列。锁模技术能产生脉宽为飞秒（的超短脉冲序列。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（T W,

44、1012W）以上的超短脉冲，为物理）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。提供了重要手段。2.4 2.4 激光的特性激光的特性44第四十四页，编辑于星期六：十六点 三十四分。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45第四十五页，编辑于星期六：十六点 三十四分。工作物质工作物质：固体激光器、气体激光器、液体激光器、：固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器、自由电子

45、激光器；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、超短脉冲激光：连续激光器、脉冲激光器、超短脉冲激光器、可调谐激光器；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、环形腔激光器、：内腔激光器、外腔激光器、环形腔激光器、光纤激光器、薄膜激光器、分布反馈激光器；

46、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46第四十六页，编辑于星期六：十六点 三十四分。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47第四十七页，编辑于星期六：十六点 三十四分。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

47、且具有良好的机械性能和稳定的化学性能。固体冲，而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，按晶体的组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体两成分类，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。类。然而，前者占了现有激光晶体的绝大部分。48第四十八页，编辑于星期六：十六点 三十四分。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

48、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49第四十九页，编辑于星期六：十六点 三十四分。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地价态尽可能相同、物理化学性能稳定和能方便

49、地生长出光学均匀性好的大尺寸晶体，主要有氧化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、氟化物和复物和复合氧化物、含氧金属酸化物、氟化物和复合氟化物三大类。合氟化物三大类。3.1.3.1.常用激光材料常用激光材料50第五十页，编辑于星期六：十六点 三十四分。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，就形成了所谓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提高的自激活晶体。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定程度激活离子浓度。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

50、能级间能量的电偶时，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基本物理要极交叉弛豫，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稳能级退激发求是，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距。的通道和激活离子间具有较大的间距。3.1.3.1.常用激光材料常用激光材料51第五十一页，编辑于星期六：十六点 三十四分。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-xP5O