光電子材料第三章光電子材料基礎(chǔ)演示文稿

1、光電子材料第三章光電子材料基礎(chǔ)演示文稿第一頁，共一百四十六頁。（優(yōu)選）光電子材料第三章光電子材料基礎(chǔ)第二頁，共一百四十六頁。概 述 光電子技術(shù)是由光學(xué)和電子技術(shù)相結(jié)合形成的一門高新技術(shù)，它伴隨光通信和信息科學(xué)的發(fā)展而發(fā)展。光電子材料是指具有光子和電子的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換和傳輸功能的材料，包括激光材料、光纖材料和光電顯示材料等。光電子技術(shù)從上世紀(jì)60年代激光器的發(fā)明開始，到70年代低損耗光纖的實現(xiàn)、半導(dǎo)體激光器的成熟、CCD的問世，再到80年代超晶格量子阱材料和工藝的發(fā)展、摻鉺光纖放大器和激光器的研制成功，短短幾十年得到了迅速的發(fā)展。第三頁，共一百四十六頁。1 半導(dǎo)體光學(xué)性質(zhì) 半導(dǎo)體與光的作用包括反射、

2、吸收和透過，而吸收特性主要取決于半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體吸收光譜第四頁，共一百四十六頁。半導(dǎo)體光吸收過程自由載流子吸收：毫米波和微波雜質(zhì)吸收：雜質(zhì)粒子的躍遷聲子吸收：晶格振動引起激子吸收：激子的形成帶間吸收：價帶到導(dǎo)帶的躍遷激子：指一種中性的非傳導(dǎo)電的束縛狀的電子激發(fā)態(tài)1 半導(dǎo)體光學(xué)性質(zhì) 第五頁，共一百四十六頁。半導(dǎo)體的激發(fā)與復(fù)合半導(dǎo)體的激發(fā)光吸收、電子注入、電子束注入半導(dǎo)體的復(fù)合直接復(fù)合與間接復(fù)合體內(nèi)復(fù)合與表面復(fù)合半導(dǎo)體中載流子復(fù)合機(jī)制三種釋放能量方式發(fā)射光子發(fā)射聲子載流子之間的能量交換1 半導(dǎo)體光學(xué)性質(zhì) 第六頁，共一百四十六頁。2 激光原理2.1 激光器的產(chǎn)生及歷史1916年愛因斯坦提出了

3、受激輻射的概念1954年美國物理學(xué)家湯斯研制成第一臺微波激射器 （1.25cm）1958年美國的湯斯和蘇聯(lián)的巴索夫及普羅霍洛夫等人提出了激光的概念和理論設(shè)計 1960年美國的梅曼研制成功第一臺紅寶石激光器。我國的第一臺激光器于1961年在長春光機(jī)所研制成功 第七頁，共一百四十六頁。1960-5-17，Ted Maiman 發(fā)明第一臺激光器2.1 激光器的產(chǎn)生及歷史第八頁，共一百四十六頁。第一臺紅寶石激光器的拆卸圖2.1 激光器的產(chǎn)生及歷史第九頁，共一百四十六頁。1960年12月，美國科學(xué)家賈萬等人制造了第一臺氣體激光器氦氖激光器。 1962年，發(fā)明了半導(dǎo)體激光器。 1966年，研制成了可在一定

4、范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)波長的有機(jī)染料激光器。 1965年，第一臺大功率激光器二氧化碳激光器誕生。 1967年，第一臺射線激光器研制成功。 2.1 激光器的產(chǎn)生及歷史第十頁，共一百四十六頁。我國的第一臺激光器于1961年在長春光機(jī)所研制成功 我國激光技術(shù)發(fā)展歷史 1957年，王大珩等在長春建立了我國第一所光學(xué)專業(yè)研究所中國科學(xué)院（長春）光學(xué)精密儀器機(jī)械研究所（簡稱“光機(jī)所”）。 表一：我國各類激光器的“第一臺” He-Ne激光器 1963年7月 鄧錫銘等 摻釹玻璃激光器 1963年6月 干福熹等 GaAs同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 1963年12月 王守武等 脈沖Ar+激光器 1964年10月 萬重怡等 CO2

5、分子激光器 1965年9月 王潤文等 CH3I化學(xué)激光器 1966年3月 鄧錫銘等 YAG激光器 1966年7月 屈乾華等 第十一頁，共一百四十六頁。E2E1h2.2.1 自發(fā)輻射 受激輻射和受激吸收自發(fā)輻射 原子在沒有外界干預(yù)的情況下，電子會由處于激發(fā)態(tài)的高能級E2自動躍遷至低能級E1，這種躍遷稱為自發(fā)輻射。自發(fā)輻射光子頻率2.2 激光的基本原理第十二頁，共一百四十六頁。白熾燈、日光燈等普通光源，它們的發(fā)光過程就是上述的自發(fā)輻射，頻率、振動方向、相位都不固定，不是相干光。受激吸收 當(dāng)原子中的電子處于低能級時，吸收光子的能量后從低能級躍遷到高能級-光吸收。低能級E1高能級E2光子2.2.1 自

6、發(fā)輻射 受激輻射和受激吸收第十三頁，共一百四十六頁。 當(dāng)原子中的電子處于高能級時，若外來光子的頻率恰好滿足電子會在外來光子的誘發(fā)下向低能級躍遷，并發(fā)出與外來光子一樣特征的光子-受激輻射。E2E1全同光子h受激輻射2.2.1 自發(fā)輻射 受激輻射和受激吸收第十四頁，共一百四十六頁。實驗表明，受激輻射產(chǎn)生的光子與外來光子具有相同的頻率、相位、偏振方向和發(fā)射方向。 在受激輻射中通過一個光的作用，得到兩個特征完全相同的光子，如果這兩個光子再引起其它原子產(chǎn)生受激輻射，就能得到更多的特征完全相同的光子-光放大，激光。 光放大2.2.1 自發(fā)輻射 受激輻射和受激吸收第十五頁，共一百四十六頁。LASER：受激輻

7、射光放大Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 2.2.1 自發(fā)輻射 受激輻射和受激吸收第十六頁，共一百四十六頁。2.2.2 粒子數(shù)正常分布和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)通常處于低能級的電子數(shù)較處于高能級的電子數(shù)要多，粒子數(shù)正常分布。粒子數(shù)分布滿足玻耳茲曼統(tǒng)計分布： 若 E2 E 1，則兩能級上的原子數(shù)目之比 第十七頁，共一百四十六頁。數(shù)量級估計：T 103 K；kT1.3810-20 J 0.086 eV;E 2-E 11 eV;但要產(chǎn)生激光必須使原子激發(fā)，且 N2 N1, 稱粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。2.2.2 粒子數(shù)正常分布和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)第十八頁，共

8、一百四十六頁。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：激光產(chǎn)生的必要條件！如何實現(xiàn)？內(nèi)因：粒子體系（工作物質(zhì)）的內(nèi)部結(jié)構(gòu)外因：給工作物質(zhì)施加外部作用2.2.2 粒子數(shù)正常分布和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)第十九頁，共一百四十六頁。原子處在激發(fā)態(tài)時間很短10-8s，但還有一些亞穩(wěn)態(tài)，可以停留10-3s,在亞穩(wěn)態(tài)上粒子數(shù)不斷積累，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，達(dá)到光放大的目的。工作物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)鉻離子、釹離子、氖原子、二氧化碳分子、氬離子2.2.2 粒子數(shù)正常分布和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)第二十頁，共一百四十六頁。1231234三能級系統(tǒng)四能級系統(tǒng)紅寶石：Cr3+YAG：Nd3+2.2.2 粒子數(shù)正常分布和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)第二十一頁，共一百四十六頁。給工作物質(zhì)施加外部作用由于熱

9、平衡分布中粒子體系處于低能級的粒子數(shù)，總是大于處于高能級的粒子數(shù)，要實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，就得給粒子體系增加一種外界作用，促使大量低能級上的粒子反轉(zhuǎn)到高能級上，這種過程叫做激勵，或稱為泵浦。2.2.2 粒子數(shù)正常分布和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)第二十二頁，共一百四十六頁。對固體型的工作物質(zhì)常常應(yīng)用強(qiáng)光照射的辦法，即光激勵。這類工作物質(zhì)應(yīng)用的有摻鉻的剛玉、摻釹玻璃、摻釹石榴石等。對氣體型的工作物質(zhì)，常應(yīng)用放電的方法，促進(jìn)特定儲存氣體物質(zhì)按照一定的規(guī)律經(jīng)放電而激勵，常用的工作氣體物質(zhì)有分子氣體（CO2氣體）及原子氣體（He-Ne原子氣體）工作物質(zhì)為半導(dǎo)體的物質(zhì)，采用注入大電流方法激勵放光，常見的有砷化鎵，這類物質(zhì)注入大

10、電流的方法被叫做注入式激勵法。2.2.2 粒子數(shù)正常分布和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)第二十三頁，共一百四十六頁。此外，還可應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)方法（化學(xué)激勵法）、超音速熱膨脹法（熱激勵），電子束甚至用核反應(yīng)中生成的粒子進(jìn)行轟擊（電子束泵浦、核泵浦）等方法，都能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。從能量角度看，泵浦過程就是外界提供能量給粒子體系的過程。激光器中激光能量的來源，是由激勵裝置從其他形式的能量（諸如光、電、化學(xué)、熱能等）轉(zhuǎn)換而來。2.2.2 粒子數(shù)正常分布和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)第二十四頁，共一百四十六頁。2.2.3 激光的形成光學(xué)諧振腔 其作用是產(chǎn)生和維持光振蕩。光在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)中傳播時，得到光放大，當(dāng)光到達(dá)反射鏡時，又反射回

11、來穿過工作物質(zhì)，進(jìn)一步得到光放大，這樣不斷地反射現(xiàn)象為光振蕩。從部分透反射鏡透射出的光很強(qiáng)，這就是輸出的激光。第二十五頁，共一百四十六頁。激光的方向性、單色性很好光在諧振腔傳播時形成駐波，由駐波條件不滿足此條件的光很快減弱而被淘汰，諧振腔又起選頻的作用-單色性好。2.2.3 激光的形成第二十六頁，共一百四十六頁。根據(jù)上面的分析，產(chǎn)生激光有三個主要元素：（1）激活介質(zhì)能經(jīng)受激發(fā)射而使入射光 強(qiáng)放大；（2）能使激活介質(zhì)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的泵浦裝置；（3）放置激活介質(zhì)的諧振腔，產(chǎn)生和維持光 振蕩，從而實現(xiàn)光放大并實施發(fā)射頻率 的選擇。2.2.3 激光的形成第二十七頁，共一百四十六頁。激光產(chǎn)生的閾值條件2

12、.2.3 激光的形成在諧振腔內(nèi)還存在著許多損耗因素，如反射鏡吸收、透射和衍射，以及工作物質(zhì)不均勻造成的光線折射和散射等。如果各種損耗的結(jié)果抵消了諧振腔的光放大過程，就不可能有激光輸出。第二十八頁，共一百四十六頁。2.2.3 激光的形成閾值條件：R1R2e2a(V)L1。式中R1和R2分別為諧振腔兩塊反射鏡的反射率，a（V）為工作物質(zhì)的增益系數(shù)，L為兩個反射鏡的間距。閾值條件表明，光在諧振腔中經(jīng)過1次往返，即經(jīng)過兩次反射后，光強(qiáng)都要改變R1R2e2a(V)L倍，如果R1R2e2a(V)L小于1，就意味著往返一次后光強(qiáng)減弱，經(jīng)過多次反射后會越來越弱，因而不可能建立激光振蕩。第二十九頁，共一百四十六

13、頁。2.2.3 激光的形成只有當(dāng)粒子反轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)到一定的數(shù)值時，光的增益系數(shù)才足夠大。因此，實現(xiàn)光振蕩并輸出激光，除了具備合適的工作物質(zhì)和穩(wěn)定的光學(xué)諧振腔外，還必須減少損耗，加快泵浦抽運(yùn)速率，從而使粒子反轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)到產(chǎn)生激光的閾值條件。第三十頁，共一百四十六頁。2.3 激光器組成工作物質(zhì)(基質(zhì)和激活離子)激勵源(泵浦)光學(xué)諧振腔激勵源激光束工作物質(zhì)全反射鏡部分反射鏡第三十一頁，共一百四十六頁。光學(xué)諧振腔：通過工作物質(zhì)對激光提供反饋，以激發(fā)更多的光發(fā)射。工作物質(zhì)：能夠借外來能源激勵實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生受激輻射放大作用的物質(zhì)系統(tǒng)，包括固體(晶體、玻璃)氣體(原子氣體、離子氣體、分子氣體)、液體和半導(dǎo)體等。

14、激光器利用泵浦(閃光燈或另一種激光器以及氣體放電激勵、化學(xué)激勵、核能激勵)等激發(fā)源激發(fā)工作物質(zhì)實現(xiàn)激射。2.3 激光器組成第三十二頁，共一百四十六頁。 工作物質(zhì)，包括激活離子和基質(zhì)。 用過渡金屬離子（如Cr3+）激活的三能級激光晶體，如 Cr3+ ： Al2O3 氧化物激光晶體固體激光器材料 用稀土離子（如Nd3+） 氟化物激光晶體 激活的四能級體系 復(fù)合石榴石激光晶體 激光玻璃（釹玻璃） 色心激光晶體（如LiF，KCl）原子氣體 氣體激光器材料離子氣體（氬離子、氪離子）工分子氣體（CO2、CO、N2分子） 作準(zhǔn)分子氣體（XeF、KrF）物有機(jī)熒光染料（如羅丹明B）質(zhì)液體激光器材料 稀土螯合物

15、（如Eu(TTA)3、Eu(BTF)4） 釹氧氯化硒（ Nd3+ ： SeOCl2 ）半導(dǎo)體激光器材料：可見光激光管材料（如AlGaAs）紅外激光管材料（GaAs、Pb1XSnXTe） 非線性光學(xué)材料（LiNbO3） 激光器輔助材料窗口、透鏡材料（如GaAs、ZnSe）抗反射涂層（ZrO2、 SiO2 、 TiO2、 MgF2等 ）其它2.3 激光器組成第三十三頁，共一百四十六頁。 固體工作物質(zhì)可粗略分為晶體和玻璃兩大類。要求：具備清晰的熒光線、強(qiáng)的吸收帶及相當(dāng)高的量子效率，優(yōu)良的光學(xué)、熱學(xué)性能和機(jī)械性能。晶體質(zhì)量，對光學(xué)損傷或機(jī)械損傷的抵御能力、化學(xué)穩(wěn)定性等也至關(guān)重要。(1) 離子大?。壕w

16、的晶格格點必須與激活離子的大小相當(dāng)。在離子晶體中，離子半徑之差大于15就不能直接摻入1以上的激活離子。但用稀土激活的晶體激活離子的摻入量可大于1。 2.3 激光器組成第三十四頁，共一百四十六頁。(2)電性中和：摻雜劑價態(tài)如與基質(zhì)陽離子不同，則要采取適當(dāng)?shù)碾姾裳a(bǔ)償技術(shù)維持高摻雜下的電性中和，否則摻雜劑的溶解度將受到限制。例如CaWO4中如只摻入稀土取代Ca2+，溶解度就受到限制，這時再加入Na+，稀土溶解度才增加。(3)抗熱沖擊能力：基質(zhì)的某些物理性質(zhì)決定該晶體對突然爆發(fā)的泵浦能的抗熱沖擊能力，對一些運(yùn)轉(zhuǎn)方式如連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)或高功率、高重復(fù)率脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)頗為關(guān)鍵。對于這些運(yùn)轉(zhuǎn)方式，利用熱膨脹系數(shù)低、強(qiáng)度高

17、、熱導(dǎo)率高的晶體更合適。這些性質(zhì)的相對數(shù)值大體上與化合物的熔點有關(guān)，因此使用高熔點化合物更有利。 2.3 激光器組成第三十五頁，共一百四十六頁。（4）光學(xué)性質(zhì)：理想晶體應(yīng)對泵浦波長有較強(qiáng)吸收，對激發(fā)波長吸收很弱。（5）純度：生長激光晶體所用氧化物純度為56個“9”，總雜質(zhì)含量不得超過110 ppm 。2.3 激光器組成第三十六頁，共一百四十六頁。2.4 激光的特性方向性單色性相干性能量高度集中+第三十七頁，共一百四十六頁。2.4 激光的特性激光束的方向性與激光器的工作物質(zhì)種類和光學(xué)諧振腔的形式等有關(guān)。氣體激光器的工作物質(zhì)均勻性好 ，諧振腔長，因而光束方向性最強(qiáng)，發(fā)散角在10-3-10-4弧度，

18、其中氦氖激光數(shù)發(fā)散角最小。固體和液體激光器工作物質(zhì)均勻性較差，諧振腔較短，光束發(fā)散角較大，在10-2弧度范圍內(nèi)。半導(dǎo)體激光器以晶體解理面為反射鏡，形成的諧振腔非常短，光束方向性最差。方向性好第三十八頁，共一百四十六頁。2.4 激光的特性激光的單色性好，一些氣體激光器，如氦氖激光，譜線寬度極窄，不到10-8nm。這比普通光源中單色性最好的氪燈的譜線窄數(shù)萬倍。激光的單色性受工作物質(zhì)的種類和諧振腔性能的影響。氣體激光束單色性較好，譜線寬度半寬值小到103 Hz，固體激光單色性較差，半導(dǎo)體激光器單色性最差。單色性好第三十九頁，共一百四十六頁。2.4 激光的特性所謂光的相干性，是指在空間任意兩點光振動之

19、間相互關(guān)聯(lián)的程度。普通光源發(fā)光都是自發(fā)輻射過程，每個發(fā)光原子都是一個獨(dú)立的發(fā)光體，相互之間沒有關(guān)系，光子發(fā)射雜亂無章，因此相干性很低。激光是受激輻射產(chǎn)生的，發(fā)射的光子具有相同的頻率、位相和方向，因而相干性很高。光束的單色性與相干性是一致的，氣體激光的相干性優(yōu)于固體激光，例如，氦氖激光的相干長度可達(dá)數(shù)百米。相干性高第四十頁，共一百四十六頁。2.4 激光的特性對于可見光波段的激光而言，光束的高功率密度表現(xiàn)為亮度大。激光的亮度高是因其發(fā)光面積小，而且光束發(fā)散角也極小的原故。例如一臺輸出僅l mW的氦氖激光器發(fā)出的光也比太陽表面光亮度高出100倍。功率密度大第四十一頁，共一百四十六頁。2.4 激光的特

20、性激光的功率密度大是通過光能在空間的高度集中實現(xiàn)的，如果將激光發(fā)射的時間盡量縮短可以獲得更高的峰值功率。用調(diào) Q或鎖模技術(shù)可使激光器在毫微秒(ns)或微微秒(ps)的極短時間內(nèi)釋放原來用數(shù)毫秒釋放的能量，從而可獲得兆瓦級峰值功率，這是普通光源無法實現(xiàn)的。通常的激光器，一般都呈現(xiàn)為多個縱模同時振蕩輸出。用鎖模技術(shù)對激光束進(jìn)行特殊的調(diào)制，使不同的振蕩模間的頻率差保持一定，并具有確定的相位關(guān)系，諸振蕩模相干疊加，激光器將輸出一列時間間隔一定的超短脈沖。采用一定的技術(shù)和裝置控制激光器諧振腔的Q值按一定的程序和規(guī)律變化，從而達(dá)到改善激光器輸出光脈沖的功率和時間特性，獲得激光巨脈沖的目的的技術(shù)調(diào)Q技術(shù)。第

21、四十二頁，共一百四十六頁。1961年提出了調(diào)Q概念，即設(shè)想把全部光輻射能壓縮到極窄的脈沖中發(fā)射；1962年，制成了第一臺調(diào)Q激光器，輸出峰值功率為600千瓦，脈沖寬度為10-7s量級；隨后的幾年發(fā)展的非?？?，出現(xiàn)了多種調(diào)Q方法（如電光調(diào)Q、聲光調(diào)Q、可飽和吸收調(diào)Q等），輸出功率幾乎呈直線上升，脈寬壓縮也取得了很大進(jìn)展；到了80年代，調(diào)Q技術(shù)產(chǎn)生脈寬為納秒（ns）量級，峰值功率為吉瓦（GW）量級的巨脈沖已并非困難。調(diào)Q技術(shù)的出現(xiàn)是激光發(fā)展史上的一個重大突破。它不僅大大推動了上述一些應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展而且成為科學(xué)研究的有力工具，但是調(diào)Q技術(shù)壓縮脈沖因受產(chǎn)生機(jī)制的制約，很難再進(jìn)一步壓窄。2.4 激光的特

22、性第四十三頁，共一百四十六頁。1964年，又提出并實現(xiàn)了壓縮脈寬、提高功率的新機(jī)制鎖模技術(shù)，由于它能使脈沖的持續(xù)時間壓縮到皮秒（ps，10-12s）量級，所以也稱為超短脈沖技術(shù)，從60年代到70年代，超短脈沖技術(shù)（包括主動鎖模、被動鎖模、同步泵浦鎖模等相應(yīng)的測量技術(shù)）得到了迅速的發(fā)展；到80年代初，F(xiàn)ork等人又提出了碰撞鎖模理論，而且實現(xiàn)了碰撞鎖模，得到了90fs的光脈沖序列。90年代，自鎖模技術(shù)的出現(xiàn)，在鈦藍(lán)寶石自鎖模激光器中得到了8.5 fs的超短脈沖序列。鎖模技術(shù)能產(chǎn)生脈寬為飛秒（fs，10-15 s）、峰值功率為太瓦（T W,1012W）以上的超短脈沖，為物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)以及光譜

23、學(xué)等學(xué)科對微觀世界和超快過程的研究提供了重要手段。 2.4 激光的特性第四十四頁，共一百四十六頁。2.5 激光器的種類激光器的分類激勵方式工作物質(zhì)工作方式輸出波長諧振腔結(jié)構(gòu)第四十五頁，共一百四十六頁。工作物質(zhì)：固體激光器、氣體激光器、液體激光器、半導(dǎo)體激光器、自由電子激光器；工作方式：連續(xù)激光器、脈沖激光器、超短脈沖激光器、可調(diào)諧激光器；激光波長：紅外光激光器、可見光激光器、紫外光激光器、毫米波激光器、X射線激光器；激勵方式：電激勵激光器、光泵浦激光器、熱能激勵激光器、化學(xué)激光器；諧振腔結(jié)構(gòu)：內(nèi)腔激光器、外腔激光器、環(huán)形腔激光器、光纖激光器、薄膜激光器、分布反饋激光器；2.5 激光器的種類第四

24、十六頁，共一百四十六頁。3 激光材料 常用的激光材料 激光材料的制備方法第四十七頁，共一百四十六頁。3.1. 常用激光材料 激光工作物質(zhì)分為固體、液體和氣體激光工作物質(zhì)。它們構(gòu)成的激光器中固體激光器是最重要的一種，它不但激活離子密度大，振蕩頻帶寬并能產(chǎn)生譜線窄的光脈沖，而且具有良好的機(jī)械性能和穩(wěn)定的化學(xué)性能。固體激光工作物質(zhì)又分為晶體和玻璃兩種。(1) 激光晶體材料大多數(shù)激光晶體是含有激活離子的熒光晶體，按晶體的組成分類，它們可分為摻雜型激光晶體和自激活激光晶體兩類。然而，前者占了現(xiàn)有激光晶體的絕大部分。第四十八頁，共一百四十六頁。摻雜型激光晶體由激活離子+基質(zhì)晶體兩部分組成。一、激活離子主要

25、有：過渡族金屬離子三價稀土離子二價稀土離子錒系離子常用的主要為前兩類。近來，已開始進(jìn)一步研究其他金屬離子作為激活離子的可能性。3.1. 常用激光材料第四十九頁，共一百四十六頁。摻雜型激光晶體二、基質(zhì)晶體是指那些陽離子與激活離子半徑、電負(fù)性接近、價態(tài)盡可能相同、物理化學(xué)性能穩(wěn)定和能方便地生長出光學(xué)均勻性好的大尺寸晶體，主要有氧化物和復(fù)合氧化物、含氧金屬酸化物、氟化物和復(fù)合氟化物三大類。3.1. 常用激光材料第五十頁，共一百四十六頁。自激活晶體當(dāng)激活離子成為基質(zhì)的一種組分時，就形成了所謂的自激活晶體。一般說提高效率的途徑之一是提高激活離子濃度。但是激活離子濃度增加到一定程度時，會產(chǎn)生濃度猝滅效應(yīng)。

26、考慮能級間能量的電偶極交叉弛豫，高濃度自激活激光晶體的基本物理要求是，不存在通過共振交叉弛豫使亞穩(wěn)能級退激發(fā)的通道和激活離子間具有較大的間距。 3.1. 常用激光材料第五十一頁，共一百四十六頁。主要的自激活晶體材料 晶體空間群最鄰近的陽離子數(shù)波長/m壽命/s 壽命比最大濃度/1021cm-3x=0.01x=1.0NdxLa1-xP5O14P21/c81.0513201152.783.9LiNdxLa1-xP4O12C2/c81.0483251352.414.4KNdxGd1-xP4O12P2181.0522751002.754.1NdxGd1-xAl3(BO3)4R3261.06450192.

27、635.4NdxLa1-xNa5(WO4)4141/a8220852.592.6NdxLa1-xP3O9C222183755755.8CsNdxY1-xNaCl5Fm3m6410012303.333.23.1. 常用激光材料第五十二頁，共一百四十六頁。(2) 激光玻璃 盡管玻璃中激活離子的發(fā)光性能不如在晶體中好，但激光玻璃儲能大，基質(zhì)玻璃的性質(zhì)可按要求在很大范圍內(nèi)變化，制造工藝成熟，容易獲得光學(xué)均勻的、從直徑為幾微米的光纖到長達(dá)幾微米的玻璃棒和幾十厘米的玻璃板，以及價格便宜等特點，使激光玻璃在高功率光系統(tǒng)、纖維激光器和光放大器，以及其他重復(fù)頻率不高的中小激光器中得到了廣泛的應(yīng)用，與激光晶體一起

28、構(gòu)成了固體激光材料的兩大類，并得到了迅速的發(fā)展。 3.1. 常用激光材料第五十三頁，共一百四十六頁。激光玻璃中的激活離子和基質(zhì)激活離子：由于配位場的作用，使基質(zhì)玻璃中極大部分3d過渡金屬離子實現(xiàn)激光的可能性較少，而稀土離子由于5s和5p外層電子對4f電子的屏蔽作用，使它在玻璃中仍保持與自由離子相似的光譜特性，容易獲得較窄的熒光，因此在激光玻璃中激活離子是以Nd3+離子為代表的三價稀土離子。基質(zhì)：作為基質(zhì)玻璃，最早的激光輸出是在摻釹鋇冕玻璃中實現(xiàn)的。表3.1-2列出了若干摻釹玻璃的熒光性質(zhì)，在此基礎(chǔ)上，并根據(jù)各種激光器對激光玻璃物理化學(xué)性質(zhì)的要求以及制造工藝的可行性，研制出許多品種釹激光玻璃。3

29、.1. 常用激光材料第五十四頁，共一百四十六頁。若干摻釹玻璃的熒光性質(zhì) 基質(zhì)玻璃熒光中心波長/m熒光線寬/cm-1受激發(fā)射截面/10-21cm2輻射躍遷幾率/s-1熒光分支比 折射率nd氟化物1.0461.0501902802.03.5160025000.50.571.281.38氯化物1.0631.0651902206.07.0450055000.450.521.62.0硅酸鹽1.0581.0623404001.03.0110030000.450.51.481.75磷酸鹽1.0521.0572503502.04.5200035000.480.551.491.65硼酸鹽1.0601.06529

30、04202.03.0220035000.480.601.521.70碲酸鹽1.0571.0632603103.05.0500070000.460.551.82.2YAG1.064248943800.521.8363.1. 常用激光材料第五十五頁，共一百四十六頁。3.2 激光材料制取方法3.2.1 激光晶體制取方法3.2.2 半導(dǎo)體激光材料的制取方法第五十六頁，共一百四十六頁。2022/9/22A 焰熔法(維爾納葉法)氫氧燃燒產(chǎn)生的高溫使料粉通過火焰加熱熔融，熔滴落在籽晶上，使籽晶桿下降進(jìn)入爐子的較冷部分隨即結(jié)晶。該法設(shè)備簡單、不用坩堝，適于生長熔點大于1800(可達(dá)2500)的晶體如紅寶石、釔

31、鋁石榴石(Y3A15O12)和Y2O3等基質(zhì)晶體，缺點是晶體內(nèi)應(yīng)力大、位錯密度高及存在化學(xué)不均勻性。 3.2.1 激光晶體制取方法第五十七頁，共一百四十六頁。B 直拉法適于生長共熔化合物單晶，易自動化，能生長非常大的完美單晶，如CaWO4、CaMoO4、紅寶石、堿土金屬鹵化物及石榴石晶體等。 近年來出現(xiàn)的釓鈧鎵石榴石Gd3Sc2Ga3O12 (簡稱GSGG)就是用直拉法生長的。采用銥坩堝在含l3O2的氮?dú)夥罩猩L(感應(yīng)加熱)，已生長出直徑130mm、長100mm的晶坨，晶體尺寸大、質(zhì)量高、適于制造高平均輸出(1KW)的板條激光器（規(guī)格l10 20cm3)，在金屬加工方面可與CO2激光器競爭。3

32、.2.1 激光晶體制取方法第五十八頁，共一百四十六頁。作為可買到的商品NdYAG一般都采用直拉法生長，已制出最大直徑約10mm、長達(dá)150mm的激光棒。還制出直徑75mm的非摻Y(jié)AG晶錠。由于生長時間慢(0.5mm/h)，生長1015cm長的晶棒，耗時數(shù)周，造成高的生產(chǎn)成本。目前正在研制400一1000W的NdYAG板條激光器。 此外，釹含量比YAG高6倍的Nd：LMAO(Nd ：La1XMgAl11O19)也是用直拉法生長的。這種晶體解決了釹含量低使輸出功率受限制的問題，已實現(xiàn)高功率輸出，近年內(nèi)可望制成千瓦級小型固體激光器，其激射波長為1054m。 3.2.1 激光晶體制取方法第五十九頁，共

33、一百四十六頁。 該法將籽晶置于坩堝底部的中心位置，熔料裝到籽晶的上方、坩堝位于熱交換器的上部，用石墨電阻爐生長激光晶體。對于給定的物料，爐溫決定液體內(nèi)的溫度梯度，熱交換器的溫度決定固體內(nèi)的溫度梯度。固液界面因浸沒在熔體表面以下，不受機(jī)械和溫度擾動的影響，故可實現(xiàn)均勻生長，最大限度地降低生長條紋，獲得均勻的摻雜分布。該法適于生長Cr：A12O3(紅寶石)、Nd：YAG、Co：MgF2和Ti：A12O3(藍(lán)寶石)，能獲得大尺寸優(yōu)質(zhì)晶體，如65mm的Co： MgF2晶體和 320mm、重50Kg的藍(lán)寶石晶體。 C熱交換器(HEM)法3.2.1 激光晶體制取方法第六十頁，共一百四十六頁。2022/9/

34、2261 半導(dǎo)體激光器主要用于光學(xué)器件、激光唱盤、激光印刷機(jī)和光纖通信等領(lǐng)域。 目前研制的半導(dǎo)體激光材料體系，短波長(0.71.0m)材料以(Ga, Al)AsGaAs為主；長波長(1.101.6 m)材料以(In, Ga)(As, P)InP為主。因此GaAs，InP襯底材料及(Ga, Al)As， (In, Ga)(As, P)外延膜質(zhì)量至關(guān)重要。 3.2.2 半導(dǎo)體激光材料的制取方法第六十一頁，共一百四十六頁。2022/9/2262襯底用GaAs單晶的生長，目前用高壓液體覆蓋直拉(LEC) 法已獲得125mm的高純單晶。在生長過程中，通過采取理想的熱環(huán)境，盡可能使固液界面保持低的溫度梯度

35、，保持表面凹向熔體以及進(jìn)行等電子摻雜等措施，顯著降低了位錯密度。用水平布里支曼(HB)法已獲得寬80mm、長100mm的GaAs晶體，位錯密度比LEC晶體低，更適合作襯底材料。生長InP遠(yuǎn)比GaAs困難，通常用LEC法生長，已能生長直徑達(dá)75mm、重1.2kg的無孿生InP單晶。3.2.2 半導(dǎo)體激光材料的制取方法第六十二頁，共一百四十六頁。外延膜的生長除常用的液相外延外，分子束外延(MBE)和金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)等新的薄膜生長方法發(fā)展很快。目前生長GaAs和 (Ga, Al)As量子阱結(jié)構(gòu)(0.60.8 m)以用MBE和MOCVD為宜，對波長1.21.6 m的(In, Ga)(

36、As, P)/InP體系，以用氫化物輸運(yùn)氣相外延為宜。分子束外延是一種在晶體基片上生長高質(zhì)量的晶體薄膜的新技術(shù)。在超高真空條件下，由裝有各種所需組分的爐子加熱而產(chǎn)生的蒸氣，經(jīng)小孔準(zhǔn)直后形成的分子束或原子束，直接噴射到適當(dāng)溫度的單晶基片上，同時控制分子束對襯底掃描，就可使分子或原子按晶體排列一層層地“長”在基片上形成薄膜。該技術(shù)的優(yōu)點是：使用的襯底溫度低，膜層生長速率慢，束流強(qiáng)度易于精確控制，膜層組分和摻雜濃度可隨源的變化而迅速調(diào)整。 外延生長法3.2.2 半導(dǎo)體激光材料的制取方法第六十三頁，共一百四十六頁。3.1 氣體激光器氣體激光器是以氣體或蒸氣為工作物質(zhì)的激光器，是目前種類最多、波長分布區(qū)

37、域最寬、應(yīng)用最廣的一類激光器，已觀察到近萬條激光譜線，其波長覆蓋從紫外到紅外的整個光譜區(qū)域，并擴(kuò)展到X射線波段和毫米波波段。氣體激光器具有輸出光束質(zhì)量高、轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉等優(yōu)點。被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、國防、醫(yī)學(xué)及其他科研領(lǐng)域等。第六十四頁，共一百四十六頁。氣體激光器激勵方式光激勵熱激勵化學(xué)能激勵電激勵氣體放電電子束激勵氣體激光器最主要的激勵方式3.1 氣體激光器第六十五頁，共一百四十六頁。氣體放電激勵在高壓電場下，氣體粒子發(fā)生電離而導(dǎo)電，在導(dǎo)電過程中，高速電子與氣體粒子（原子、分子、離子）碰撞，使后者激發(fā)到高能級，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。氣體放電分為直流或交流連續(xù)放電、射頻放電和脈沖放電等

38、。光激勵指用特定波段的光照射工作物質(zhì)，在吸收對應(yīng)波長的光能后，產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。光激勵的氣體激光器主要工作于遠(yuǎn)紅外和亞毫米波段的激光器。3.1 氣體激光器第六十六頁，共一百四十六頁。熱激勵化學(xué)能激勵利用某些工作物質(zhì)本身發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所釋放的能量來激勵工作物質(zhì)，建立粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而實現(xiàn)受激輻射。采用化學(xué)能激勵的激光器稱為化學(xué)激光器，其最大特點是將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成激光，原則上不需外加電源或光源最為激勵源。采用某種高溫加熱的方式使整個氣體工作物質(zhì)體系溫度升高，從而使較多的粒子處于高能級狀態(tài)，然后再通過某種方式，如氣體絕熱膨脹方式，使熱弛豫時間較短的某些較低能級上的粒子倒空，而熱弛豫時間較長的某些較高能級上的

39、粒子得以積累，從而實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。3.1 氣體激光器第六十七頁，共一百四十六頁。氣體激光器 原子激光器，離子激光器，分子激光器，準(zhǔn)分子激光器。原子激光器：以氦氖激光器為代表，這種激光器大都是連續(xù)工作方式，輸出功率在100mW以下，多用于檢測和干涉計量。離子激光器：以氬離子激光器為代表，這種激光器可以發(fā)射較強(qiáng)的連續(xù)功率激光，功率可達(dá)幾十瓦，是可見光中的重要激光器件，多用于掃描，醫(yī)學(xué)及全息學(xué)等方面。3.1 氣體激光器第六十八頁，共一百四十六頁。分子激光器：以CO2激光器為代表，因紅外波長激光的熱效應(yīng)高，故多用于激光刀，醫(yī)療，機(jī)械加工方面，還用于測距，通信。準(zhǔn)分子激光器：特點發(fā)光都在紫外波段。 用途

40、用于微細(xì)加工，光刻及醫(yī)學(xué)。 原理不是分子固有能級躍遷發(fā)光，而是當(dāng)兩種元素的原子被高能量的電脈沖激勵時，兩種元素的原子在瞬態(tài)結(jié)合成的準(zhǔn)分子的能級間躍遷產(chǎn)生的受激發(fā)光。發(fā)光后，分子很快分解成原子。3.1 氣體激光器第六十九頁，共一百四十六頁。He-Ne激光器：最早問世的氣體激光器，主要波段在可見光區(qū)或近紅外區(qū)，具有輸出光束質(zhì)量好、輸出功率和頻率穩(wěn)定度高、結(jié)構(gòu)簡單緊湊等特點，壽命可達(dá)數(shù)萬小時。氣體原子激光器輸出譜線：632.8nm，1.15m，3.39m，以632.8nm為最常見。功率在mW級，最大1W光束質(zhì)量好，發(fā)散角可小于1 mrad單色性好，帶寬可小于20 Hz穩(wěn)定性高3.1 氣體激光器第七十

41、頁，共一百四十六頁。Ne原子的3S 2P、 3S 3P和2S 2P能級之間獲得100多條譜線，其中最強(qiáng)的三條譜線：632.8nm，3.39m和1.15m，分別對應(yīng)于能級3S2 2P4、3S2 3P4和2S2 2P4之間的躍遷。He-Ne原子能級結(jié)構(gòu)3.1 氣體激光器第七十一頁，共一百四十六頁。He-Ne激光器屬典型的四能級系統(tǒng)，Ne原子激光上能級的激發(fā)主要有兩個過程：a. 電子碰撞直接激發(fā)Ne（1S0）+ e Ne（3S、2S）+ eb. He-Ne能量共振轉(zhuǎn)移過程He（1S0）+ e He*（21S0、23S1）+ eHe*（21S0、23S1）+ Ne（1S0） He（1S0）+ Ne*（

42、2S2、3S2）E過程b激發(fā)Ne的速率是過程a激發(fā)速率的6080倍3.1 氣體激光器第七十二頁，共一百四十六頁。He-Ne激光器結(jié)構(gòu)形式和實物圖He-Ne激光器結(jié)構(gòu)3.1 氣體激光器第七十三頁，共一百四十六頁。組成放電管電極光學(xué)諧振腔毛細(xì)管：放電工作增益區(qū)貯氣管：增加工作氣體總量采用冷陰極形式，通常為鋁或者鋁合金；陽極為鎢針。一般采用直流放電激勵。放電長度為1m激光器，起輝電壓8000V，工作電流幾毫安至幾百毫安。由一對高反射率的多層介質(zhì)膜反射鏡組成，一般采用平凹腔形式。輸出平面鏡透過率12%，凹面全反鏡的反射率接近100%。3.1 氣體激光器第七十四頁，共一百四十六頁。Cu原子蒸氣激光器金屬

43、蒸氣激光器是利用被加熱的金屬蒸氣為工作物質(zhì)的激光器，包括金屬蒸氣原子激光器和金屬蒸氣離子激光器兩大類。前者包括銅、金、錳、鉛和鋅等。Cu原子激光器是典型的自終止躍遷激光器。自終止（自限）躍遷方式通常發(fā)生于中性原子系統(tǒng)中，原子的第一激發(fā)共振能級具有最大的電子碰撞激發(fā)截面，選為激光上能級，而激光下能級為亞穩(wěn)能級，系統(tǒng)在短脈沖電流激發(fā)下，形成瞬態(tài)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，由于亞穩(wěn)能級的禁戒躍遷性質(zhì)，系統(tǒng)很快不滿足激光振蕩條件，躍遷自行終止，所以只能以脈沖形式運(yùn)轉(zhuǎn)。3.1 氣體激光器第七十五頁，共一百四十六頁。Cu原子能級結(jié)構(gòu)Cu原子有兩條主要激光躍遷線：510.6nm （綠） 2P3/2 2D5/2578.2nm

44、 （黃） 2P1/2 2D3/2Cu原子能級結(jié)構(gòu)和激光躍遷3.1 氣體激光器第七十六頁，共一百四十六頁。分子氣體激光器波長 911m，最常見10.6 m效率高光束質(zhì)量好功率范圍大（幾瓦數(shù)十萬瓦）運(yùn)行方式多樣結(jié)構(gòu)多樣CO2激光器是最重要、應(yīng)用最廣泛的激光器，其連續(xù)波輸出功率達(dá)數(shù)十萬瓦，脈沖輸出能量達(dá)數(shù)萬焦耳，脈沖功率達(dá)1012W，能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)2025%。3.1 氣體激光器第七十七頁，共一百四十六頁。CO2分子是線性對稱排列的三原子分子，有一條對稱軸以及垂直于對稱軸的對稱平面。具有三種基本振動方式： 對稱振動（1） 形變振動（2） 反對稱振動（3）CO2分子的振動能級可用振動量子數(shù)來表示。3.1

45、 氣體激光器第七十八頁，共一百四十六頁。CO2分子能級結(jié)構(gòu)10.6m 0001 10009.6m 0001 02003.1 氣體激光器第七十九頁，共一百四十六頁。CO2激光器類型封離型縱向激勵CO2激光器高功率軸快流CO2激光器高功率橫流CO2激光器橫向激勵高氣壓CO2激光器波導(dǎo)CO2激光器3.1 氣體激光器第八十頁，共一百四十六頁。CO2激光器運(yùn)行方式3.1 氣體激光器第八十一頁，共一百四十六頁。高功率分子激光器工作物質(zhì)：準(zhǔn)分子氣體高重復(fù)率可調(diào)諧量子效率高波長短，紫外到可見區(qū)主要的準(zhǔn)分子激光器準(zhǔn)分子激光器3.1 氣體激光器第八十二頁，共一百四十六頁。準(zhǔn)分子激光器能級結(jié)構(gòu)躍遷過程：束縛態(tài)-自由

46、態(tài)泵浦要求：大面積均勻放電快速泵浦激勵泵浦方式：電子束泵浦脈沖放電泵浦3.1 氣體激光器第八十三頁，共一百四十六頁。電子束激勵準(zhǔn)分子激光器結(jié)構(gòu)圖3.1 氣體激光器第八十四頁，共一百四十六頁。Ar+激光器氣體離子激光器主要波長488 nm，514.5 nm常見功率幾十瓦，最高500 W能量轉(zhuǎn)換效率低氣體離子激光器是以氣態(tài)離子在不同激發(fā)態(tài)之間的激光躍遷工作的一種激光器，主要分惰性氣體離子激光器、分子氣體離子激光器和金屬蒸氣離子激光器。特點是輸出波段遍布紫外到近紅外，是目前可見光波段連續(xù)輸出功率最高的激光器；閾值電流密度相當(dāng)高，可達(dá)幾百安培。3.1 氣體激光器第八十五頁，共一百四十六頁。Ar+激光器

47、工作原理Ar+能級的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)主要靠氣體放電中電子與Ar、Ar+之間的碰撞激發(fā)過程。第八十六頁，共一百四十六頁。Ar+激光器工作特性閾值電流強(qiáng)度磁場對輸出效率的影響：可以減少離子對放電管壁的轟擊，提高輸出功率和效率輸出譜線： 488.0nm和514.5nm波長（nm）488.0514.5476.5496.5501.7472.7閾值電流（A）4.57891214第八十七頁，共一百四十六頁。2022/9/22883.2 固體激光器 固體激光器是以固體為工作物質(zhì)的激光器。目前，實現(xiàn)激光振蕩的固體工作物質(zhì)達(dá)數(shù)百種，輸出激光譜線達(dá)數(shù)千條，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)輸出功率達(dá)數(shù)千瓦，脈沖激光能量達(dá)幾十萬焦耳，峰值功率高達(dá)拍

48、瓦（1015W）。廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、軍事技術(shù)、醫(yī)學(xué)、分子生物學(xué)和科學(xué)研究等。第八十八頁，共一百四十六頁。2022/9/2289固體激光器基本結(jié)構(gòu)激光工作物質(zhì)泵浦源諧振腔聚光腔冷卻與濾光第八十九頁，共一百四十六頁。2022/9/2290固體激光器工作物質(zhì)工作物質(zhì)包括激活離子和基質(zhì)材料第九十頁，共一百四十六頁。2022/9/2291主要的基質(zhì)晶體金屬氧化物晶體：剛玉、釔鋁石榴石（YAG, Y3Al5O12）、鋁酸釔（YAP, YAlO3）、釩酸釔（YVO4）、五磷酸釹（NPP）、五磷酸鑭釹（NLPP）氟化物晶體：氟化鈣、氟化鋇、氟化釔鋰、氟磷酸鈣（FAP）高濃度自激活晶體：如NdP5O14中Nd3

49、+的濃度在50可達(dá)到41021cm-3，比YAG: Nd3+最高摻雜（1.2%）高30倍。這類晶體的激活成分本身就是基質(zhì)的組成，故稱作自激活晶體，是發(fā)展微型激光器最有應(yīng)用前景的材料色心晶體：堿金屬鹵化物，如LiF: Nd3+、LiF: Na+第九十一頁，共一百四十六頁。2022/9/2292第九十二頁，共一百四十六頁。2022/9/2293紅寶石激光器 最早的激光系統(tǒng)是紅寶石激光器（Ruby laser），由Maiman 1960年發(fā)明，并且至今仍然是一個重要的激光系統(tǒng)。紅寶石激光器以剛玉為基質(zhì)晶體，摻入0.05%wt 的Cr3+作激活離子。剛玉化學(xué)式為Al2O3，- Al2O3為紅寶石激光晶

50、體，摻雜的Cr3+取代- Al2O3晶格中的Al3+離子。第九十三頁，共一百四十六頁。2022/9/2294 用氙燈的強(qiáng)可見光照射到紅寶石晶體上，Cr3+離子的d電子從基態(tài)4A2激發(fā)到較高的激發(fā)態(tài)4F1、4F2能級。這些能級上的電子通過非輻射過程很快回到稍低一些的能級2E。2E激發(fā)態(tài)能級的壽命非常長，約為510-3秒。這意味著有足夠的時間可以將這種激發(fā)狀況普遍化，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。從能級2E回到基態(tài)就產(chǎn)生激光。在這一轉(zhuǎn)變過程，晶體相中許多離子互相激勵，便產(chǎn)生了強(qiáng)的波長為693nm的相干紅光脈沖。紅寶石激光器能級結(jié)構(gòu)第九十四頁，共一百四十六頁。2022/9/2295反射鏡閃爍燈紅寶石開關(guān)激光束紅寶

51、石激光器的構(gòu)造紅寶石激光器的主體是一根長數(shù)百厘米、直徑1-2厘米的紅寶石晶體棒，周圍環(huán)繞著閃爍燈，還可以在兩側(cè)也裝上燈，使得它從各方向都受到有效的輻照。棒的一個側(cè)端裝有一個鏡子，使得發(fā)出光又返回棒中。另一側(cè)端裝有Q閥。其實這是一個可旋轉(zhuǎn)的鏡子，既可以允許激光束從系統(tǒng)中射出，又可以將光束返回棒中，只是當(dāng)光束強(qiáng)度達(dá)到最佳要求時才被發(fā)射出來。這樣，由于激光束在棒中往返通過，形成了更多的激活中心，就使初始相干輻射脈沖強(qiáng)度變大。紅寶石激光器的構(gòu)造第九十五頁，共一百四十六頁。2022/9/2296紅寶石激光器輸出特性右側(cè)反射鏡反射率約為50%時最佳：閾值較低，腔內(nèi)光能密度較大，耦合效率較高，激光輸出最強(qiáng)。

52、第九十六頁，共一百四十六頁。2022/9/2297紅寶石激光器工作特性第九十七頁，共一百四十六頁。2022/9/2298Nd3+：YAG激光器摻釹釔鋁石榴石晶體（Nd3+：YAG）是以無色透明的釔鋁石榴石晶體（化學(xué)式Y(jié)3Al5O12，記作YAG）為基質(zhì)，摻入Nd3+為激活離子，Nd3+部分取代YAG中的Y3+，摻釹的重量比為0.725%，摻釹后，晶體是淡紫色。第九十八頁，共一百四十六頁。2022/9/2299Nd3+：YAG激光器能級結(jié)構(gòu)4F3/2 4I9/2 0.914m4F3/2 4I11/2 1.06m4F3/2 4I13/2 1.35m第九十九頁，共一百四十六頁。2022/9/2210

53、0Nd3+：YAG激光器輸出特性連續(xù)工作Nd3+：YAG激光器輸出特性第一百頁，共一百四十六頁。2022/9/22101Nd3+：YAG激光器工作特性連續(xù)工作Nd3+：YAG激光器工作特性第一百零一頁，共一百四十六頁。2022/9/22102固體激光器泵浦系統(tǒng)固體激光工作物質(zhì)中的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布都是由光泵激勵來實現(xiàn)的。泵浦系統(tǒng)包括泵浦光源和聚光腔兩大部分，泵浦光源必須具有較高的輻射功率密度和效率，并且與工作物質(zhì)的吸收帶相匹配。聚光腔又稱泵浦腔，其作用是將泵浦光源的輻射能量傳輸?shù)郊す夤ぷ魑镔|(zhì)上去。第一百零二頁，共一百四十六頁。2022/9/22103泵浦光源惰性氣體放電燈 脈沖氙燈：Xe氣氣壓高，

54、短時間大電流放電 連續(xù)氪弧燈：具有穩(wěn)定的、顯著線狀光譜特性的 光輻射，發(fā)光效率高 （Nd3+：YAG）金屬蒸氣放電燈白熾燈發(fā)光二極管激光太陽能泵浦第一百零三頁，共一百四十六頁。2022/9/22104脈沖氙燈的發(fā)射光譜圖連續(xù)氪弧燈的發(fā)射光譜圖第一百零四頁，共一百四十六頁。2022/9/22105聚光腔為將泵浦光源的輻射能量有效傳輸?shù)郊す夤ぷ魑镔|(zhì)上去，采用多種不同的投射系統(tǒng)，聚光腔大致分為側(cè)面泵浦、端面泵浦和面泵浦三種。 側(cè)面泵浦第一百零五頁，共一百四十六頁。2022/9/22106 端面泵浦第一百零六頁，共一百四十六頁。2022/9/22107 面泵浦優(yōu)點：泵浦光均勻性好，散熱效果好，熱畸變較

55、小。適用于大功率固體激光器。第一百零七頁，共一百四十六頁。2022/9/22108固體激光器的構(gòu)型典型光泵浦固體激光器的工作物質(zhì)都采用圓柱形狀。為改善輸出激光特性和適應(yīng)特殊場合要求，還有一些特殊構(gòu)型，如板條狀激光器、盤片狀激光器和光纖激光器等。第一百零八頁，共一百四十六頁。2022/9/22109 板條狀激光器鋸齒形光路板條狀激光器鋸齒形光路增加了光束的增益長度，提供了激活介質(zhì)的利用率和激光器的效率，增大了激光器的輸出功率。第一百零九頁，共一百四十六頁。2022/9/22110光纖激光器光纖激光器原理圖第一百一十頁，共一百四十六頁。2022/9/22111光纖激光器特點 光纖芯徑很小，光纖內(nèi)易

56、形成高的泵浦光功率密度； 光纖可以做成很長，因此可獲得很高的總增益； 諧振腔鏡可直接鍍在光纖端面，可設(shè)計緊湊的激光器構(gòu)型 可獲得相當(dāng)寬的調(diào)諧范圍和極好的單色性。光纖激光器類型 晶體光纖激光器：紅寶石單晶光纖激光器和Nd3+：YAG單晶光纖激光器； 非線性光學(xué)型光纖激光器：受激拉曼散射和受激布里淵散射； 稀土類摻雜光纖激光器：基質(zhì)：玻璃，激活離子：稀土離子 塑料光纖激光器：基質(zhì)：塑料光纖，激活離子：激光染料。第一百一十一頁，共一百四十六頁。2022/9/221123.3 液體激光器 染料激光器：有機(jī)染料溶液為工作物質(zhì) 無機(jī)液體激光器：無機(jī)液體為工作物質(zhì)液體可在很大的體積內(nèi)做到完全均勻，從而可以提

57、高激光輻射的能量；如果讓液體在容器內(nèi)循環(huán)流動，就能夠改善激光器的散熱特性；液體具有固定的光學(xué)性能，并且是各向同性的；工作過的液體很容易用新鮮液體進(jìn)行替換，而且價格便宜；最重要的特點是激光輻射的頻率在比較寬的波長范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。第一百一十二頁，共一百四十六頁。2022/9/22113染料激光器以某種有機(jī)染料溶解于一定溶劑中作為激活介質(zhì)的激光器波長可調(diào)諧，調(diào)諧范圍寬（0.341.2m）每個脈沖激光能量可達(dá)數(shù)十焦耳，峰值功率達(dá)幾百兆瓦，能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)50%結(jié)構(gòu)簡單價格便宜穩(wěn)定性差第一百一十三頁，共一百四十六頁。2022/9/22114染料分子的結(jié)構(gòu)與激光有關(guān)的染料都含有單鍵和雙鍵構(gòu)成的碳原子鏈（共

58、軛雙鍵）。染料分子的熒光波長主要取決于碳原子鏈的長度，鏈長則熒光波長也長，但鏈過長，就會變得不穩(wěn)定而容易斷裂。若丹明-6G和香豆素2的分子結(jié)構(gòu)式第一百一十四頁，共一百四十六頁。2022/9/22115染料分子的能級單態(tài)激發(fā)單態(tài)激發(fā)三重態(tài)染料為大分子結(jié)構(gòu)，振、轉(zhuǎn)動能級耦合及染料分子與溶劑分子的碰撞使能級展寬為寬的能帶。第一百一十五頁，共一百四十六頁。2022/9/22116染料的吸收和發(fā)射過程振動原子的距離分子的振動能量染料分子的激光過程是一個四能級系統(tǒng)，并且其發(fā)射的熒光波長較之吸收波長，有斯托克斯頻移。泵浦：光激發(fā)，通常為激光激發(fā)，將染料分子激發(fā)到S1能級。激勵方式：橫向和縱向第一百一十六頁，

59、共一百四十六頁。2022/9/22117激光的猝滅由于S1 S0的發(fā)射能量與T1 T2的吸收能量接近，所以，如果有大量染料分子積累在T1態(tài)上，發(fā)出的激光就會被T1態(tài)吸收，稱這種現(xiàn)象為激光猝滅。消除激光猝滅方法：使溶液富含氧，T1態(tài)能量通過氧迅速釋放返回基態(tài)S0。染料激光器的調(diào)諧發(fā)展染料激光器的主要目的就是要實現(xiàn)激光波長的調(diào)諧。波長能在幾十納米范圍連續(xù)可調(diào)，這是染料激光的特點或優(yōu)點。調(diào)諧方法: 光柵衍射法或色散頻譜上狹縫移動法。第一百一十七頁，共一百四十六頁。2022/9/22118常用染料的波長范圍染料波長范圍/nm對三聯(lián)苯322365四甲基傘形酮47391567香豆素47440506香豆素4

60、8447569若丹明6G540640若丹明B580655過氯酸鹽644709尼爾蘭692783花青22760812第一百一十八頁，共一百四十六頁。2022/9/22119無機(jī)液體激光器無機(jī)液體激光器產(chǎn)生激光的機(jī)理類似于玻璃激光器，在摻釹的無機(jī)液體激光器中，激活離子也是Nd3+，不同之處是其基質(zhì)是無機(jī)液體，因此，它的激光性能與釹玻璃激光器基本一致。 Nd3+:POCl3+SnCl4+P2O3Cl4無機(jī)液體激光器 發(fā)光效率達(dá)2%，流動性好，毒性和腐蝕性較小 Nd3+：SeOCl3+SnCl4無機(jī)液體激光器 閾值低，能量轉(zhuǎn)換效率高，但毒性和腐蝕性較大， 粘度高，流動性差第一百一十九頁，共一百四十六頁