信息材料基礎(chǔ)第三章光電子材料基礎(chǔ)詳解演示文稿

信息材料基礎(chǔ)第三章光電子材料基礎(chǔ)詳解演示文稿目前一頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點（優(yōu)選）信息材料基礎(chǔ)第三章光電子材料基礎(chǔ)目前二頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1432.1概述光電子技術(shù)是由光學和電子技術(shù)相結(jié)合形成的一門高薪技術(shù)，它伴隨光通信和信息科學的發(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。目前三頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1442.2半導體光學性質(zhì)半導體與光的作用包括反射、吸收和透過，而吸收特性主要取決于半導體的能帶結(jié)構(gòu)。半導體吸收光譜目前四頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/145半導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：價帶到導帶的躍遷激子：指一種中性的非傳導電的束縛狀的電子激發(fā)態(tài)目前五頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/146半導體的激發(fā)與復合半導體的激發(fā)

光吸收、電流注入、電子束注入由光吸收導致的光發(fā)射現(xiàn)象稱為光致發(fā)光由電流注入或者雪崩導致的光發(fā)射現(xiàn)象稱為電致發(fā)光由電子束激發(fā)導致的光發(fā)射現(xiàn)象稱為陰極射線發(fā)光目前六頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點半導體的復合

被激發(fā)到較高能級的半導體材料，釋放能量回到低能級狀態(tài)的過程

直接復合與間接復合體內(nèi)復合與表面復合半導體中載流子復合機制三種釋放能量方式發(fā)射光子（輻射型復合）發(fā)射聲子（非輻射型復合）載流子之間的能量交換目前七頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1482.3激光原理和激光材料目前八頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2.3.1激光器的產(chǎn)生及歷史2023/5/1491954年美國物理學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年在長春光機所研制成功（王之江，中國激光之父）1916年愛因斯坦提出了受激輻射的概念目前九頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/14101960-5-17，TedMaiman發(fā)明第一臺激光器目前十頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1411第一臺紅寶石激光器的拆卸圖目前十一頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/14121960年12月，美國科學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)明了半導體激光器。1966年，研制成了可在一定范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)波長的有機染料激光器。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Ｘ射線激光器研制成功。目前十二頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1413我國的第一臺激光器于1961年在長春光機所研制成功

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專業(yè)研究所——中國科學院（長春）光學精密儀器機械研究所（簡稱“光機所”）。

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分子激光器

1965年9月

王潤文等

CH3I化學激光器

1966年3月

鄧錫銘等

YAG激光器

1966年7月

屈乾華等目前十三頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1414E2E1h2.3.2.1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2.3.2激光的基本原理白熾燈、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。目前十四頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1415受激吸收

當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光子目前十五頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1416受激輻射

當原子中的電子處于高能級時，若外來光子的頻率恰好滿足時，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。目前十六頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1417

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LASER：受激輻射光放大LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation目前十七頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/14182.3.2.2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。玻耳茲曼統(tǒng)計分布：

若E2>E

1，則兩能級上的原子數(shù)目之比目前十八頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1419

數(shù)量級估計：T

～103K；kT～1.38×10-20J～0.086eV;E

2-E

1～1eV;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)。目前十九頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1420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)施加外部作用目前二十頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1421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、釹離子目前二十一頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5能級系統(tǒng)四能級系統(tǒng)紅寶石：Cr3+YAG：Nd3+目前二十二頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1423給工作物質(zhì)施加外部作用由于熱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。目前二十三頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1424

固體工作物質(zhì)：光泵浦，摻鉻剛玉、摻釹玻璃，摻釹釔鋁石榴石等

氣體工作物質(zhì)：氣體放電，如CO2、He-Ne等

半導體：注入大電流泵浦，如砷化鎵等其它泵浦方式：化學激勵法、超音速絕熱膨脹法、電子束激勵法、核激勵等。

從能量的角度看，泵浦過程就是外界提供能量給粒子體系的過程。目前二十四頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/14252.3.2.3激光的形成光學諧振腔

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，當光到達反射鏡時，又反射回來穿過工作物質(zhì)，進一步得到光放大，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，這就是輸出的激光。目前二十五頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1426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。目前二十六頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點根據(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。2023/5/1427目前二十七頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/14282.3.2.4激光產(chǎn)生的閾值條件在諧振腔中存在很多損耗因素，如反射鏡的吸收、透射和衍射等，工作物質(zhì)不均勻引起的光折射和散射等。如果這些損耗抵消了光放大過程，就不能有激光輸出。激光產(chǎn)生的閾值條件：R1和R2為諧振腔兩塊反射鏡的發(fā)射率，a(v)為工作物質(zhì)增益系數(shù)，L為兩個反射鏡的距離。目前二十八頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1429閾值公式表明，光在諧振腔中每經(jīng)過1次往返，即經(jīng)過2次反射后，光強都要改變倍。如小于1，就意味著往返一次后光強減弱，來回多次反射后，它將變得越來越弱，因而不可能建立激光振蕩。只有當粒子反轉(zhuǎn)數(shù)達到一定數(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)定的光學諧振腔外，還必須減少損耗，加快泵浦抽運速率，從而使粒子反轉(zhuǎn)數(shù)達到產(chǎn)生激光的閾值條件。目前二十九頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/14302.3.3激光器組成工作物質(zhì)(基質(zhì)和激活離子)激勵源(泵浦)光學諧振腔目前三十頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1431光學諧振腔：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)、液體和半導體等。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、化學激勵、核能激勵)等激發(fā)源激發(fā)工作物質(zhì)實現(xiàn)激射。目前三十一頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1432工作物質(zhì)

激光器最重要的部分是工作物質(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）作準分子氣體（XeF、KrF）

物有機熒光染料（如羅丹明6B）質(zhì)液體激光器材料稀土螯合物（如Eu(TTA)3、Eu(BTF)4）釹氧氯化硒（Nd3+

：SeOCl2

）半導體激光器材料：可見光激光管材料（如AlGaAs）紅外激光管材料（GaAs、Pb1－XSnXTe）非線性光學材料（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）其它目前三十二頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/14332.3.4激光的特性方向性單色性相干性能量高度集中+目前三十三頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1434方向性強方向性即激光束的指向性，常以光束的發(fā)散角大小來評價。它與激光器的工作物質(zhì)種類和諧振腔的形式有關(guān)。氣體激光器工作物質(zhì)均勻性好，諧振腔長，光束的方向性最強，發(fā)散角在10-3~10-4弧度。其中氦氖激光束發(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。半導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。目前三十四頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1435單色性好單色性為光源發(fā)出的光強按頻率（或波長）分布曲線狹窄的程度，通常用頻譜分布的寬度即線寬來描述。線寬越窄，光源的單色性越好。普通光源的發(fā)光是由大量能級間的輻射躍遷，其譜線很寬，呈連續(xù)或準連續(xù)分布，是多種波長的光。激光的單色性好，一些氣體激光器，如氦氖激光，譜線寬度較窄，不到10-8nm。這比普通光源中單色性最好的氪等的譜線窄數(shù)萬倍。目前三十五頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1436

激光的單色性是因為：（1）激光器的受激輻射發(fā)生在熒光譜線固定的兩能級之間，只有頻率滿足一定條件的光波才能得到放大；（2）激光諧振腔的干涉作用使得只有那些滿足諧振腔共振條件的頻率，并且又落在工作物質(zhì)譜線寬度內(nèi)的光振蕩才能形成激光輸出。激光單色性受工作物質(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103Hz。固體激光單色性較差，半導體激光器單色性最差。目前三十六頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1437相干性高光的相干性，是指在空間任意兩點光振動之間相互關(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，氦氖激光的相干波長可達數(shù)百米。目前三十七頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1438功率密度大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)散角也極小的緣故。例如一臺輸出僅1mW的氦氖激光器發(fā)出的光也比太陽表面亮度高出100倍。目前三十八頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點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，可獲得兆瓦級峰值功率。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)。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。目前三十九頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/14401961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用技術(shù)的發(fā)展而且成為科學研究的有力工具，但是調(diào)Q技術(shù)壓縮脈沖因受產(chǎn)生機制的制約，很難再進一步壓窄。目前四十頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/14411964年，又提出并實現(xiàn)了壓縮脈寬、提高功率的新機制——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)，在鈦藍寶石自鎖模激光器中得到了8.5fs的超短脈沖序列。鎖模技術(shù)能產(chǎn)生脈寬為飛秒（fs，10-15s）、峰值功率為太瓦（TW,1012W）以上的超短脈沖，為物理學、化學、生物學以及光譜學等學科對微觀世界和超快過程的研究提供了重要手段。目前四十一頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/14422.3.5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)目前四十二頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1443工作物質(zhì)：固體激光器、氣體激光器、液體激光器、半導體激光器、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；目前四十三頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/14442.3.6激光材料

氣體激光器固體激光器液體激光器半導體激光器目前四十四頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/14452.3.6.1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)域最寬、應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。被廣泛應用于工農(nóng)業(yè)、國防、醫(yī)學及其他科研領(lǐng)域等。目前四十五頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1446氣體激光器激勵方式光激勵熱激勵化學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目前四十六頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1447氣體放電激勵在高壓電場下，氣體粒子發(fā)生電離而導電，在導電過程中，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。光激勵指用特定波段的光照射工作物質(zhì)，在吸收對應波長的光能后，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紅外和亞毫米波段的激光器。目前四十七頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1448熱激勵化學能激勵利用某些工作物質(zhì)本身發(fā)生化學反應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。采用化學能激勵的激光器稱為化學激光器，其最大特點是將化學能直接轉(zhuǎn)換成激光，原則上不需外加電源或光源最為激勵原。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粒子得以積累，從而實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。目前四十八頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1449氣體激光器

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原子激光器，離子激光器，分子激光器，準分子激光器。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)射較強的連續(xù)功率激光，功率可達幾十瓦，是可見光中的重要激光器件，多用于掃描，醫(yī)學及全息學等方面。目前四十九頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1450分子激光器：以CO2激光器為代表，因紅外波長激光的熱效應高，故多用于激光刀，醫(yī)療，機械加工方面，還用于測距，通信。準分子激光器：特點—發(fā)光都在紫外波段。用途—用于微細加工，光刻及醫(yī)學。原理—不是分子固有能級躍遷發(fā)光，而是當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。目前五十頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點氣體原子激光器輸出譜線：632.8nm，1.15μm，3.39μm，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1mrad單色性好，帶寬可小于20Hz穩(wěn)定性高2023/5/1451He-Ne激光器He-Ne激光器是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，壽命可達數(shù)萬小時。目前五十一頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1452Ne原子的3S2P、3S3P和2S2P能級之間獲得100多條譜線，其中最強的三條譜線：632.8nm，3.39μm和1.15μm，分別對應于能級3S22P4、3S23P4和2S22P4之間的躍遷。He-Ne原子能級結(jié)構(gòu)目前五十二頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1453He-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）+eNe（3S、2S）+eb.He-Ne能量共振轉(zhuǎn)移過程He（1S0）+eHe*（21S0、23S1）+eHe*（21S0、23S1）+Ne（1S0）He（1S0）+Ne*（2S2、3S2）±ΔE∞過程b激發(fā)Ne的速率是過程a激發(fā)速率的60~80倍目前五十三頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1454He-Ne激光器結(jié)構(gòu)形式和實物圖He-Ne激光器結(jié)構(gòu)目前五十四頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1455組成放電管電極光學諧振腔毛細管：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1~2%，凹面全反鏡的反射率接近100%。目前五十五頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1456Cu原子蒸氣激光器金屬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轉(zhuǎn)。目前五十六頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1457Cu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（黃）

2P1/2

2D3/2Cu原子能級結(jié)構(gòu)和激光躍遷目前五十七頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點分子氣體激光器波長9－11μm，最常見10.6μm效率高光束質(zhì)量好功率范圍大（幾瓦～數(shù)十萬瓦）運行方式多樣結(jié)構(gòu)多樣2023/5/1458CO2激光器CO2激光器是最重要、應用最廣泛的激光器，其連續(xù)波輸出功率達數(shù)十萬瓦，脈沖輸出能量達數(shù)萬焦耳，脈沖功率達1012W，能量轉(zhuǎn)換效率達20~25%。目前五十八頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1459CO2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（ν1）形變振動（ν2）反對稱振動（ν3）CO2分子的振動能級可用振動量子數(shù)來表示。目前五十九頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1460CO2分子能級結(jié)構(gòu)10.6μm000110009.6μm00010200目前六十頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點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CO2激光器2023/5/1461目前六十一頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點CO2激光器運行方式2023/5/1462目前六十二頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點高功率分子激光器工作物質(zhì)：準分子氣體高重復率可調(diào)諧量子效率高波長短，紫外到可見區(qū)2023/5/1463主要的準分子激光器準分子激光器目前六十三頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1464準分子激光器能級結(jié)構(gòu)躍遷過程：束縛態(tài)-自由態(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目前六十四頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1465電子束激勵準分子激光器結(jié)構(gòu)圖目前六十五頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點Ar+激光器氣體離子激光器主要波長488nm，514.5nm常見功率幾十瓦，最高500W能量轉(zhuǎn)換效率低2023/5/1466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；閾值電流密度相當高，可達幾百安培。目前六十六頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點Ar+激光器工作原理2023/5/1467Ar+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。目前六十七頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點Ar+激光器工作特性閾值電流強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）4.578912142023/5/1468目前六十八頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/14692.3.2固體激光器及材料

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)達數(shù)百種，輸出激光譜線達數(shù)千條，連續(xù)運轉(zhuǎn)輸出功率達數(shù)千瓦，脈沖激光能量達幾十萬焦耳，峰值功率高達拍瓦（1015W）。廣泛應用于工農(nóng)業(yè)、軍事技術(shù)、醫(yī)學、分子生物學和科學研究等。目前六十九頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2.3.2.1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2023/5/1470目前七十頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/14712.3.2.2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)材料作為激活離子摻入固體基質(zhì)的元素，常見的大致分為：

過渡族金屬離子，如Cr3+、Ni2+、Co2+

三價稀土金屬離子，如Nd3+、Ho3+、Er3+

二價稀土金屬離子，如Sm2+、Tm2+、Dy2+（鏑）目前七十一頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點

固體基質(zhì)材料可粗略分為晶體和玻璃兩大類。要求：具備清晰的熒光線、強的吸收帶及相當高的量子效率，優(yōu)良的光學、熱學性能和機械性能。

晶體質(zhì)量，對光學損傷或機械損傷的抵御能力、化學穩(wěn)定性等也至關(guān)重要。

(1)離子大小：晶體的晶格格點必須與激活離子的大小相當。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％。

目前七十二頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1473

(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?shù)碾姾裳a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，對一些運轉(zhuǎn)方式如連續(xù)運轉(zhuǎn)或高功率、高重復率脈沖運轉(zhuǎn)頗為關(guān)鍵。對于這些運轉(zhuǎn)方式，利用熱膨脹系數(shù)低、強度高、熱導率高的晶體更合適。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。目前七十三頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1474

（4）光學性質(zhì)：理想晶體應對泵浦波長有較強吸收，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5~6個“9”，總雜質(zhì)含量不得超過1－10ppm。

目前七十四頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點主要的基質(zhì)晶體金屬氧化物晶體：剛玉、釔鋁石榴石（YAG）、鋁酸釔（YAP）、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+的濃度在50℃可達到4×1021cm-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用前景的材料色心晶體：堿金屬鹵化物，如LiF:Nd3+、LiF:Na+2023/5/1475目前七十五頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/14762.3.2.3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。目前七十六頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1477泵浦光源惰性氣體放電燈

脈沖氙燈：Xe氣氣壓高，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目前七十七頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1478脈沖氙燈的發(fā)射光譜圖連續(xù)氪弧燈的發(fā)射光譜圖目前七十八頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1479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)面泵浦目前七十九頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1480

端面泵浦目前八十頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1481

面泵浦優(yōu)點：泵浦光均勻性好，散熱效果好，熱畸變較小。適用于大功率固體激光器。目前八十一頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/14822.3.2.4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。目前八十二頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1483

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。目前八十三頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1484光纖激光器光纖激光器原理圖目前八十四頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1485光纖激光器特點

光纖芯徑很小，光纖內(nèi)易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。目前八十五頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1486舉例1：紅寶石激光器

最早的激光系統(tǒng)是紅寶石激光器（Rubylaser），由Maiman1960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。剛玉化學式為Al2O3，α-Al2O3為紅寶石激光晶體，摻雜的Cr3+取代α-Al2O3晶格中的Al3+離子。目前八十六頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1487

用氙燈的強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5×10-3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)生了強的波長為693nm的相干紅光脈沖。紅寶石激光器能級結(jié)構(gòu)目前八十七頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1488反射鏡閃爍燈紅寶石開關(guān)激光束紅寶石激光器的構(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，只是當光束強度達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度變大。紅寶石激光器的構(gòu)造目前八十八頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1489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。目前八十九頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1490紅寶石激光器工作特性目前九十頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1491舉例2：Nd3+：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。目前九十一頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1492Nd3+：YAG激光器能級結(jié)構(gòu)4F3/2

4I9/20.914μm4F3/2

4I11/21.06μm4F3/2

4I13/2

1.35μm目前九十二頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1493Nd3+：YAG激光器輸出特性連續(xù)工作Nd3+：YAG激光器輸出特性目前九十三頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/1494Nd3+：YAG激光器工作特性連續(xù)工作Nd3+：YAG激光器工作特性目前九十四頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/14952.3.6.3液體激光器

染料激光器：有機染料溶液為工作物質(zhì)

無機液體激光器：無機液體為工作物質(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)。目前九十五頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點染料激光器以某種有機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（0.34~1.2μm）每個脈沖激光能量可達數(shù)十焦耳，峰值功率達幾百兆瓦，能量轉(zhuǎn)換效率高達50%結(jié)構(gòu)簡單價格便宜穩(wěn)定性差2023/5/1496目前九十六頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點染料分子的結(jié)構(gòu)2023/5/1497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)式目前九十七頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點染料分子的能級2023/5/1498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。目前九十八頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點染料的吸收和發(fā)射過程2023/5/1499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：橫向和縱向目前九十九頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/14100激光的猝滅由于S1S0的發(fā)射能量與T1T2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。目前一百頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點常用染料的波長范圍染料波長范圍/nm對三聯(lián)苯322~365四甲基傘形酮47391~567香豆素47440~506香豆素48447~569若丹明6G540~640若丹明B580~655過氯酸鹽644~709尼爾蘭692~783花青22760~8122023/5/14101目前一百零一頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點無機液體激光器2023/5/14102無機液體激光器產(chǎn)生激光的機理類似于玻璃激光器，在摻釹的無機液體激光器中，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無機液體激光器

發(fā)光效率達2%，流動性好，毒性和腐蝕性較小

Nd3+：SeOCl3+SnCl4無機液體激光器

閾值低，能量轉(zhuǎn)換效率高，但毒性和腐蝕性較大，粘度高，流動性差目前一百零二頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點無機液體激光器結(jié)構(gòu)及特性2023/5/14103無機液體激光器的結(jié)構(gòu)優(yōu)點：易于獲得大功率大能量輸出；摻釹濃度高；易制備體積大、光學質(zhì)量高的工作物質(zhì)；制作簡單，成本低。缺點：熱膨脹系數(shù)大，因此不能高頻率工作，具有毒性和腐蝕性。目前一百零三頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/141042.3.6.4半導體激光器半導體激光器是指以半導體材料為工作物質(zhì)的一類激光器。主要特點：超小型、重量輕，激活面積約為0.5×0.5mm2；效率高、微分量子效率大于50%，能量轉(zhuǎn)換效率大于

30%；發(fā)射激光波長范圍寬，通常譜寬在0.5~30μm之間；使用壽命長，可達百萬小時以上；準連續(xù)輸出功率達300W，脈沖輸出功率達1000W以上。目前一百零四頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/14105固體能帶理論固體中由于大量原子緊密結(jié)合，使得單原子的能級分裂為寬的能帶，能帶由相距很小的精細能級組成。電子在能帶中的分布形式?jīng)Q定了固體材料的導電性能，由此分為導體、半導體和絕緣體三種。1、禁帶寬度2、費米能級指導帶底與價帶頂之間的能量差，通常用符號Eg表示。指絕對零度時全滿電子態(tài)與全空電子態(tài)的能量分界面。或絕對零度時電子占據(jù)的最高能態(tài)的能量，用符號EF表示。半導體費米能級：本征（純）半導體的費密能級位于禁帶中心目前一百零五頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/14106p-n結(jié)的形成半導體摻雜：用本征半導體中所不具有的一種元素部分替換本征半導體晶格中某一種原子。雜質(zhì)：被摻入本征半導體的元素稱為雜質(zhì)。P型摻雜：用低價元素摻雜本征半導體。N型摻雜：用高價元素摻雜本征半導體。P型半導體：P摻雜形成的半導體。以空穴導電，費米能級降低N型半導體：N摻雜形成的半導體。以電子導電，費米能級升高目前一百零六頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/14107p-n結(jié)的形成由于N型半導體中有富裕的自由電子，而P型半導體中有富裕的自由的空穴，所以當P型和N型半導體接觸時，P型半導體中的空穴就會向N型中擴散，而N型半導體中的電子向P型中擴散，結(jié)果是P型端帶負電，而N型端帶正電。因而會形成內(nèi)建電場，內(nèi)建電場的方向從N型端指向P型端，從而又阻止電子和空穴的擴散。最后，依靠電子和空穴濃度梯度的擴散和內(nèi)建電場的電作用達到平衡，在接觸面附近形成一個耗盡層，即p-n結(jié)。目前一百零七頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/14108載流子的遷移和復合載流子的遷移無外加電場，作完全無規(guī)則運動有外加電場，在電場作用下的定向運動載流子的復合直接復合與間接復合體內(nèi)復合與表面復合半導體中載流子復合機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目前一百零八頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/14109半導體激光器中粒子數(shù)反轉(zhuǎn)重摻雜接觸前重摻雜能級圖PEFpNEFnPN接觸后平衡態(tài)重摻雜p-n結(jié)能帶圖EcEvEF由于費米能級隨摻雜濃度而變化，所以使用重摻雜使P型半導體的費米能級進入價帶，而使N型半導體的費米能級進入導帶，這樣在p-n結(jié)耗盡層中就形成等價的四能級結(jié)構(gòu)。目前一百零九頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/14110EcEvEFpEFnp+n+V+V-當重摻雜半導體，給p-n結(jié)施加足夠的正向偏置電壓后，滿足eV>Eg，在結(jié)區(qū)導帶上的電子與價帶上的空穴復合，發(fā)射激光。目前一百一十頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/14111電注入式半導體激光器：一般是由GaAs（砷化鎵）、InAs（砷化銦）、InSb（銻化銦）等材料制成的半導體面結(jié)型二極管，沿正向偏壓注入電流進行激勵，在結(jié)平面區(qū)域產(chǎn)生受激發(fā)射。光泵式半導體激光器：一般用N型或P型半導體單晶（如GaAs、InAs、InSb等）做工作物質(zhì)，以其他激光器發(fā)出的激光作光泵激勵。高能電子束激勵式半導體激光器：一般也是用N型或者P型半導體單晶（如PbS、CdS等）做工作物質(zhì)，通過由外部注入高能電子束進行激勵。在半導體激光器件中，目前性能較好，應用較廣的是具有雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電注入式GaAs二極管激光器。半導體激光器的激勵方式目前一百一十一頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/14112半導體激光器的結(jié)構(gòu)和諧振腔半導體激光器的諧振腔直接利用垂直于P－N結(jié)平面的半導體兩個嚴格相互平行的解理面（110面）組成諧振腔。反射率通常在30-50%，所以損耗較大，但半導體的轉(zhuǎn)換效率很高，達50-80%，所以足以維持足夠的增益。此外，通過鍍二氧化硅膜，還可提高端面的反射率，獲得更高的增益。目前一百一十二頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/14113常見半導體激光器（一）、同質(zhì)結(jié)半導體激光器同質(zhì)半導體激光器以GaAs激光器為代表，通過摻入不同比例的Al形成三元化合物AlxGa1-xAs改變禁帶寬度，可獲得不同波長的輸出。缺點：閾值電流正比于溫度的立方，所以只能在低溫（液氮）下連續(xù)工作，室溫下只能脈沖工作，壽命較短。目前一百一十三頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/14114（二）、單異質(zhì)結(jié)半導體激光器由不同半導體材料組成的p-n結(jié)稱為異質(zhì)結(jié)。異質(zhì)結(jié)又分為同型異質(zhì)結(jié)（p+-p,n+-n）和異型異質(zhì)結(jié)(p-n)。1、異質(zhì)p-n結(jié)的形成異質(zhì)p-n結(jié)的形成過程與同質(zhì)p-n結(jié)的形成類似，仍然涉及電子、空穴的擴散和內(nèi)建電場的反作用，最后兩種作用達到平衡，形成穩(wěn)定的電子、空穴分布。接觸前異質(zhì)能級圖接觸后平衡態(tài)異質(zhì)p-n結(jié)能帶圖EFPEcEvNPEFpEvpEcpNEFnEcnEvnEcEV目前一百一十四頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/14115施加正偏置電壓后非平衡態(tài)異質(zhì)p+-n結(jié)能帶圖。EcEvEFnP+NV+V-EFp2、正偏置異質(zhì)p+-n結(jié)的粒子反轉(zhuǎn)與增益目前一百一十五頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/141163、單異質(zhì)p-n結(jié)激光器實際的單異質(zhì)p-n結(jié)激光器做成三層結(jié)構(gòu)，即p+-p(n)-n或p-p(n)-n+型。要求中間層的折射率最大，形成波導結(jié)構(gòu)，使激光發(fā)射約束在中間層中，提高激光轉(zhuǎn)換效率。中間層厚度較薄，提高激光發(fā)射效率。常見的單異質(zhì)p-n結(jié)激光器為GaAs-GaAs-AlxGa1-xAs或AlyGa1-yAs-AlyGa1-yAs-AlxGa1-xAs結(jié)構(gòu)，摻雜形成p+-p-n(p-p(n)-n+)型單異質(zhì)結(jié)激光器，其能帶結(jié)構(gòu)類似p+-n型的能帶圖，除了耗盡層厚度大一點外。諧振腔兩端面與結(jié)平面垂直，激光在中間層中振蕩、發(fā)射。單異質(zhì)結(jié)激光器比同質(zhì)結(jié)激光器具有更高的效率，低的閾值電流。目前一百一十六頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/14117（三）、雙異質(zhì)p-n結(jié)激光器雙異質(zhì)結(jié)激光器仍為電注入結(jié)區(qū)，由電子和空穴復合而產(chǎn)生。由于結(jié)區(qū)是由不同的半導體材料結(jié)合而成，使得電子和空穴不再往深處擴散，而在結(jié)的交界面反射（因折射率的差異）。于是電子積蓄在狹窄區(qū)域內(nèi)，使電子濃度增高，減小擴散吸收損耗，從而提高了光的增益，降低了閾值電流，有利于實現(xiàn)室溫下連續(xù)運轉(zhuǎn)。多層結(jié)構(gòu)雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)示意圖目前一百一十七頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/14118（四）、量子阱激光器同質(zhì)結(jié)激活區(qū)厚度為1μm閾值電流大于30000A/cm2

異質(zhì)結(jié)激活區(qū)厚度為0.1～0.4μm單異質(zhì)結(jié)約為8000A/cm2；雙異質(zhì)結(jié)約為1600A/cm2

當雙異質(zhì)結(jié)厚度進一步減小到1～10nm時，激活區(qū)寬度已經(jīng)與電子的量子波長相當甚至更小，激活區(qū)內(nèi)電子的運動受到強烈約束，導致電子和空穴在導帶底和價帶頂?shù)哪芰砍霈F(xiàn)不連續(xù)分布，這種陷阱稱為量子阱。用量子阱結(jié)構(gòu)制成的半導體激光器稱為量子阱激光器。優(yōu)點：閾值電流更低（200A/cm2），譜線寬度窄，調(diào)制速率高，光束質(zhì)量好目前一百一十八頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/14119（五）、分布反饋（DFB）激光器一種側(cè)壁被做成周期性光柵波導結(jié)構(gòu)的半導體激光器。根據(jù)周期性波導的耦合原理，只要光柵周期是波導中1/2光波長的整數(shù)倍，該周期性光柵就會使導波光反饋。因此不需要解理端面來實現(xiàn)光反饋。優(yōu)點：閾值電流密度小，頻率特性好，可獲得單模單頻輸出，有利于制造集成光路。目前一百一十九頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/141202.3.7激光材料制取方法2.3.7.1激光晶體制取方法2.3.7.2半導體激光材料的制取方法目前一百二十頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/14121

A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2500℃)的晶體如紅寶石、釔鋁石榴石(Y3A15O12)和Y2O3等基質(zhì)晶體，缺點是晶體內(nèi)應力大、位錯密度高及存在化學不均勻性。2.3.7.1激光晶體制取方法目前一百二十一頁\總數(shù)一百三十五頁\編于十九點2023/5/14122B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l~3％O2的氮氣氛中生長(感應加熱)，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l×10×20cm3)，在金屬加工方面可與CO2激