光材料 信息時代

1、2020/11/3,1,信息時代 信息技術(shù) 信息材料,第一章 緒論,1.1 信息時代,信息:是人類的一切生存活動和自然存在所傳達(dá)出來的信號和消息。它一般泛指我們所說的消息、情報、指令、數(shù)據(jù)及信號等周圍環(huán)境的知識。,可傳遞性和共享性 信息必須依附于載體 信息的可處理性 信息的時效性,信息的主要特征,2020/11/3,2,人類社會時代變遷：,勞動，土地密集,機(jī)器、工廠為主,？,產(chǎn)生傳輸?shù)匚?一是信息成為最為重要的戰(zhàn)略資源 伊拉克戰(zhàn)爭 非對稱性,二是信息產(chǎn)業(yè)上升為最重要的產(chǎn)業(yè) 微軟 英特爾,三是信息網(wǎng)絡(luò)成為社會的基礎(chǔ)設(shè)置 wto 全球化 一體化 地球村,全球信息量增長趨勢,2020/11/3,3,

2、20世紀(jì)90年代初全球互聯(lián)網(wǎng)用戶還不到9萬，1999年為1.7億，2000年為4.14億 因特網(wǎng)信息傳輸量增長率：300% 每天電子郵件：14億封 2000年：全球網(wǎng)頁21億個 2000年，與因特網(wǎng)相連的主機(jī)7240萬臺。而1993年只有131萬臺。,全球因特網(wǎng)用戶發(fā)展趨勢,亞太地區(qū)國際互聯(lián)帶寬發(fā)展趨勢,2020/11/3,4,1992年，當(dāng)時的參議員、前美國副總統(tǒng)阿爾戈爾提出美國信息高速公路法案。1993年9月，美國政府宣布實施一項新的高科技計劃“國家信息基礎(chǔ)設(shè)施”（national information infrastructure，簡稱nii），旨在以因特網(wǎng)為雛形，興建信息時代的高速公

3、路“信息高速公路”，使所有的美國人方便地共享海量的信息資源。,信息高速公路(information highway)實質(zhì)上是高速信息電子網(wǎng)絡(luò)，它是一個能給用戶隨時提供大量信息，由通信網(wǎng)絡(luò)、計算機(jī)、數(shù)據(jù)庫以及日用電子產(chǎn)品組成的完備網(wǎng)絡(luò)體系。開發(fā)和實施信息高速公路計劃,不僅促進(jìn)信息科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,而且有助于改變?nèi)藗兊纳?、工作和交往方式?信息技術(shù): 是指信息的獲取、存儲、處理、傳輸和顯示的技術(shù)，即人們對信息的獲取、處理和應(yīng)用的能力。,1.2 信息技術(shù),信息技術(shù),信息獲取技術(shù) 信息處理技術(shù) 信息傳遞技術(shù) 信息存儲技術(shù) 信息顯示技術(shù),2020/11/3,5,人類史上的五次信息技術(shù)革命,語言的使用 口

4、耳相傳 便于信息傳輸和收集 文字的使用 易于存儲 克服時間局限 造紙術(shù)和印刷術(shù)的應(yīng)用 存儲空間 傳播范圍 電報、電話、廣播、電視的發(fā)明與普及應(yīng)用 速度 容量 時空界限 計算機(jī)的普及應(yīng)用和計算機(jī)與現(xiàn)代通信技術(shù)的結(jié)合,信息技術(shù)的應(yīng)用,網(wǎng)上學(xué)校、現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育 自動取款機(jī)、可視電話、遠(yuǎn)程診療 信息高速公路、 “地球村” 網(wǎng)上購物、信息檢索、電子郵件,20世紀(jì)以來，信息技術(shù)經(jīng)歷： 電子學(xué)和微電子學(xué)技術(shù) 信息的載體 電子 光電子學(xué)技術(shù) 信息的載體 電子和光子 光子學(xué)技術(shù) 信息的載體 光子,2020/11/3,6,材料的重要性,材料是人類進(jìn)化史上的里程碑，歷史學(xué)家曾用材料來劃分時代。,現(xiàn)代文明的三大支柱：材

5、料、能源、信息 材料又是一切技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。,1.3 信息材料,1.3.1 概述,2020/11/3,7,存儲器材料的變遷大致可分為四個階段：由1955年的存儲器為水銀延遲線1963年的存儲器為具有方形磁滯特性的鐵氧體磁心1970年涂敷的氧化鐵粉（磁盤）近10年光存儲技術(shù)（可擦寫光盤的介質(zhì)材料有磁光型和相變型兩類） 光通信系統(tǒng)材料: 低損耗光纖（光導(dǎo)纖維：高純石英攙雜p、ge等元素氟化物玻璃光導(dǎo)纖維）、化合物半導(dǎo)體激光器、大屏幕顯示等相關(guān)材料的研制是其發(fā)展的基礎(chǔ)和核心。 電子工業(yè)數(shù)千億的全球市場，90%的市場份額是硬件及其相關(guān)材料。 新能源技術(shù)：如受控核聚變、太陽能利用、地?zé)岚l(fā)電、磁流體發(fā)

6、電、氫能貯存等方面的發(fā)展，很大程度上取決于新材料研制和開發(fā)。 例：太陽能是目前人類受惠最大的自然資源。但太陽能是低值能源，只能達(dá)到1kw/m2,且轉(zhuǎn)換率只10-20%。要提高發(fā)電效率，必須從集熱體、半導(dǎo)體材料方向進(jìn)行突破。（太陽能電池材料中目前最有希望大量應(yīng)用的是硅太陽能電池。單晶硅光電池光電轉(zhuǎn)換效率高，但材料價格較貴。多晶硅光電池效率只達(dá)13，半導(dǎo)體gaas的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)2028。采用多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，通過選擇性吸收涂層和光譜轉(zhuǎn)換涂層可進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換效率。ibm公司研制的多層復(fù)合太陽能電池，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)40）,2020/11/3,8,生態(tài)環(huán)境不斷惡化,資源加速枯竭,世界人口迅速增長,材料是現(xiàn)代文

7、明的重要支柱,科學(xué)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展,人類生活水平進(jìn)一步提高,對材料科學(xué)領(lǐng)域提出了更高的要求,人們早就知道了噴氣航空發(fā)動機(jī)比螺旋槳航空發(fā)動機(jī)有很多優(yōu)點，但由于沒有材料能承受噴射出燃?xì)獾母邷?，使這種理想只能是空中樓閣。直到1942年制成了鎳基耐熱合金這種新材料、才使噴氣發(fā)動機(jī)的制造得以實現(xiàn)。 如果不能制成高純度大直徑的硅單晶，就不會有高度發(fā)展的集成電路，也不會有今天如此先進(jìn)的計算機(jī)和一切電子設(shè)備。,2020/11/3,9,結(jié)構(gòu)材料 功能材料,利用其力學(xué)性質(zhì)，要求在使用條件下能承受一定的載荷。,通過光、電、磁、聲、熱、濕、氣、生物等特性而完成特定功能的材料。,1.3.2 材料分類,美國貝爾研究所j.

8、a. morton博士1965年,功能材料分類 材料的物質(zhì)性 材料的應(yīng)用性 材料的功能性,2020/11/3,10,金屬功能材料 形狀記憶合金 、貯氫合金、減振合金 、超耐熱合金、非晶態(tài)合金、 超導(dǎo)合金等 無機(jī)非金屬功能材料 熱功能陶瓷、光功能陶瓷、磁功能陶瓷 、 精密電子陶瓷、功能轉(zhuǎn)化陶瓷 、 超硬陶瓷、生物功能陶瓷等 有機(jī)功能材料 導(dǎo)電高分子材料、液晶聚合物材料、光功能高分子材料、高分子分離膜、有機(jī)鐵磁材料、生物高分子材料、化學(xué)功能高分子材料等 復(fù)合功能材料 金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、高分子基復(fù)合材料等,根據(jù)材料的物質(zhì)性：,2020/11/3,11,材料的應(yīng)用性,信息材料 電子材料

9、電工材料 能源材料 航空航天材料 生物醫(yī)用材料,材料的功能性,電學(xué)功能材料 磁學(xué)功能材料 光學(xué)功能材料 聲學(xué)功能材料 熱學(xué)功能材料 生物醫(yī)學(xué)功能材料,2020/11/3,12,信息材料,指用于信息的獲取、存儲、處理、傳輸和顯示的微電子材料和光電子材料，是信息技術(shù)基礎(chǔ)和先導(dǎo)。信息材料領(lǐng)域的每一次創(chuàng)新都會推動信息技術(shù)和產(chǎn)業(yè)向前發(fā)展。,信息材料,信息獲取材料 信息處理材料 信息傳輸材料 信息存儲材料 信息顯示材料,1.3.3 信息處理技術(shù)及材料,信息處理工具 古代：中國簡單的計算工具：算籌算盤 西方：計算尺是主要的計算工具，機(jī)械式計算機(jī)穿孔卡片計算機(jī)繼電器計算機(jī)1946年電子計算機(jī)的誕生。,2020

10、/11/3,13,世界上第一臺電子計算機(jī) 埃尼阿克（eniac）。1946年誕生于美國的 賓夕法尼亞大學(xué)。,重達(dá)30噸，占地170多平方米，全機(jī)用了18000多個電子管，5000多個繼電器，10000多只電容器，7000多個電阻，功率150千瓦，運算速度每秒鐘5000次。 它的耗電量超過174千瓦小時，據(jù)說在使用時全鎮(zhèn)的電燈都會變暗；而且它的電子管平均每隔15分鐘就要燒壞一只。 目前，以大規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)，以中央處理器（cpu）為核心的電子計算機(jī)技術(shù)是主要的信息處理技術(shù)。,信息處理材料 信息處理材料主要指用于對電信號或光信號進(jìn)行檢波、倍頻、混頻、限幅、開關(guān)、放大等信號處理的器件的一類信息材料

11、，包括微電子信息處理材料和光電子信息處理材料。 微電子信息處理即對電子電路中的信息電流、電壓等信號進(jìn)行接收、發(fā)射、轉(zhuǎn)換、放大、調(diào)制、解調(diào)、運算、分析等處理，以獲取有用的信息。 光電子信息處理包括光的發(fā)射、傳輸、調(diào)制、轉(zhuǎn)換和探測等，而光電子信息處理材料則是基于光信號的發(fā)射、傳輸、調(diào)制、轉(zhuǎn)換和探測的一類材料。,2020/11/3,14,1.3.4 信息傳輸技術(shù)及材料,移動電話 衛(wèi)星通信 無線通信 光纖通信,低損耗的熔石英光纖 長壽命的半導(dǎo)體激光器 摻鉺光纖放大器,光纖和光纜的傳輸速率及損耗特性比較,2020/11/3,15,光纖通信系統(tǒng)發(fā)展階段及其主要進(jìn)展,2020/11/3,16,損耗特性與光的

12、工作波長有關(guān),在三個工作窗口有相對小的損耗: 第一窗口光工作波長0.85m,損耗稍大 第二窗口光工作波長1.31m,損耗中等 第三窗口光工作波長1.55m,損耗最小,1.3.5 信息存儲技術(shù)及材料,信息存儲的作用： * 允許保存電子數(shù)據(jù)；* 為防止數(shù)據(jù)丟失而提供備份保護(hù)；* 防止因丟失數(shù)據(jù)帶來的費用；* 允許現(xiàn)場或非現(xiàn)場文檔的存儲,數(shù)字信息存儲要求：高存儲密度、高數(shù)據(jù)傳輸率、高存儲壽命、高擦寫次數(shù)、低設(shè)備投資和低價格。,2020/11/3,17,存儲方式,內(nèi)存儲,外存儲,cpu可以直接訪問內(nèi)存，提取時間短（ns），容量一般在512mb。,只讀存儲器rom（read-only memory） 隨

13、機(jī)存取存儲器ram（random access memory）,一般不直接與微處理器打交道，外存中的數(shù)據(jù)應(yīng)先調(diào)入內(nèi)存，再由微處理器進(jìn)行處理。,磁存儲：磁帶、軟磁盤、硬磁盤 光存儲：cd、vcd、dvd等,2020/11/3,18,硬磁盤技術(shù)的發(fā)展,光盤、硬盤和磁帶性能比較,2020/11/3,19,1.3.6 信息顯示技術(shù)及材料,當(dāng)今世界是信息大爆炸的年代，據(jù)測算，上世紀(jì)末信息的年均增長率為20，到2020年將達(dá)到每兩個半月翻一番的驚人速度。 在人們經(jīng)各種感覺器官從外界獲得的信息中，視覺占60，聽覺占20，觸覺占15，味覺占3，嗅覺占2。 進(jìn)入21世紀(jì)以來，顯示技術(shù)作為人機(jī)聯(lián)系和信息展示的窗口

14、已應(yīng)用于娛樂、工業(yè)、軍事、交通、教育、航空航天、衛(wèi)星遙感和醫(yī)療等各方面。在我國，顯示技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品占信息產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值的45左右?？梢?，顯示產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為電子信息工業(yè)的一大支柱產(chǎn)業(yè)。,2020/11/3,20,傳統(tǒng)顯示技術(shù),陰極射線管（crt）顯示 陰極射線加速后轟擊熒光屏上的熒光材料y2o2s：eu（紅色）、zns：ag（藍(lán)色）和zns：(cu，al）（綠色）， 發(fā)出各種彩色的光。,1897年，布勞恩管發(fā)明； 1953年，日本黑白電視廣播開始 1958年，中國黑白電視廣播開始 1960年，日本彩色電視廣播開始 1973年，中國彩色電視廣播開始 1996年，日本推出純平crt彩電 1999年，

15、中國推出純平crt彩電,平板顯示技術(shù) 等離子體顯示（pdp）利用等離子產(chǎn)生的紫外線激發(fā)涂有熒光粉的電極而發(fā)出不同的由三基色混合的可見光。 液晶顯示（lcd） 利用外加電壓或者電流，可以改變液晶分子取向，從而改變液晶分子的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)，最終實現(xiàn)顯示的目的。 發(fā)光二極管（led）顯示 利用載流子在pn結(jié)附近的復(fù)合作用而發(fā)光。 有機(jī)電致發(fā)光顯示（oled） 加入外加偏壓后，電子空穴分別經(jīng)過電子傳輸層與空穴傳輸層后，進(jìn)入一具有發(fā)光特性的有機(jī)物質(zhì)，在其內(nèi)部發(fā)生強(qiáng)相互作用，形成一個激子，再將能量釋放出來回到基態(tài)，發(fā)出相應(yīng)的光子。,2020/11/3,21,1.3.7 信息獲取技術(shù)及材料,目前，獲取信息的

16、技術(shù)主要是光電子技術(shù)，運用的器件包括探測器和傳感器。,光子探測器,光電導(dǎo)型,光生伏特型,光磁電型,探測器,熱探測器,熱釋電型,熱敏電阻型,目前，探測器由分立器件向焦平面陣列發(fā)展。,2020/11/3,22,半導(dǎo)體探測器,光探測器，特別是紅外光探測器一般由半導(dǎo)體材料制成，根據(jù)探測波長不同，又分為狹能隙半導(dǎo)體材料和寬能隙半導(dǎo)體材料。 半導(dǎo)體材料有鍺 (ge) 和硅 (si) ; 化合物有硫化鎘 (cds) 、硫化鉛 (pbs) 、硒化鉛 ( pbse) 、銻化銦 (insb) 、砷化銦 (inas) , 還有三元化合物銦鎵砷 (ingaas) 、碲錫鉛 (pb1- x snxte) 和碲鎘汞(hg

17、1- xcdxte)。,幾種半導(dǎo)體材料及其相應(yīng)波段,2020/11/3,23,傳感器,分為半導(dǎo)體傳感器和光纖傳感器兩類。,半導(dǎo)體傳感器材料在外場（光、熱、電、磁等）作用下引起半導(dǎo)體性能發(fā)生變化，由此獲得外場的信息。,傳感器,力敏傳感器 熱敏傳感器 光敏傳感器 磁敏傳感器,光纖傳感器 光纖傳感主要基于外部世界各種物理量或化學(xué)量變化引起光纖光學(xué)參數(shù)（包括相位、偏振態(tài)、波長、幅度、模功率分布、光程等）的變化。 功能性光纖傳感器 利用光纖本身的某種敏感特性或功能制作的傳感器。如磁敏元件傳感器 、熱敏傳感器、氣敏傳感器等； 傳光型光纖傳感器 光纖僅起傳輸光波的作用，必須在光纖中間或端面加裝其他敏感元件才

18、能構(gòu)成傳感器。如反射式位移傳感器、半導(dǎo)體吸收溫度傳感器 、光纖多普勒速度傳感器等。,2020/11/3,24,概述 半導(dǎo)體光學(xué)性質(zhì) 激光原理和激光材料 光電子集成技術(shù),第二章 光電子材料基礎(chǔ),2.1 概 述,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。,光電子技術(shù)是由光學(xué)和電子技術(shù)相結(jié)合形成的一門高薪技術(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

19、示材料等。,2020/11/3,25,2.2 半導(dǎo)體光學(xué)性質(zhì),半導(dǎo)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(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)。,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),半導(dǎo)體的激發(fā)與復(fù)合 半導(dǎo)體的激發(fā) 光吸收、電流注入、電子束注入 由光吸收導(dǎo)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(dǎo)致的光發(fā)射現(xiàn)象稱為電致發(fā)光 由電子束激發(fā)導(dǎo)致的光發(fā)射現(xiàn)象稱為陰極射線發(fā)光,半導(dǎo)體的復(fù)合 被激發(fā)到較高能級的半導(dǎo)體材料，釋放能量回到低能級狀態(tài)的過程 直接復(fù)合與

20、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 （輻射型復(fù)合） 發(fā)射聲子 （非輻射型復(fù)合） 載流子之間的能量交換,2020/11/3,27,1954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 （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,2.3.1 激光器的產(chǎn)生及歷史,2.3 激光原理和激光材料,2020/11/3,28,1960-5-17，ted

21、 maiman 發(fā)明第一臺激光器,第一臺紅寶石激光器的拆卸圖,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。 1965年，第一臺大功率激光器二氧化碳激光器誕生。 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(jī)染料激光器。 1967年，第一臺射線激光器研制成功。,2020/11/3,29,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 196

22、3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,2020/11/3,30,h,2.3.2.1 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(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,2.3.2 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

23、方向、相位都不固定，不是相干光。,2020/11/3,31,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。,光子,2020/11/3,32,受激輻射,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,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。,全同光子,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。,2020/11/3,33,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

24、大,laser：受激輻射光放大 light amplification by stimulated emission of radiation,2020/11/3,34,2.3.2.2 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,2020/11/3,35,數(shù)量級估計：,t 103 k； kt1.3810-20 j 0.086 ev; e 2-e 11ev;,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)。,2020/11/3,36,粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：激光產(chǎn)生的必要條件！,如何

25、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,2020/11/3,37,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,2020/11/3,38,三能級系統(tǒng),四能級系統(tǒng),紅寶石：cr3+,yag：nd3+,2020/11/3,39,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

26、過程叫做激勵，或稱為泵浦。,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(dǎo)體：注入大電流泵浦，如砷化鎵等 其它泵浦方式： 化學(xué)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。,2020/11/3,40,2.3.2.3 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。,2020/11/

27、3,41,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。,2020/11/3,42,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。,2.3.2.4 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

28、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。,2020/11/3,43,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(qiáng)都要改變 倍。如 小于1，就意味著往返一次后光強(qiáng)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(dāng)粒子反轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)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(xué)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(dá)到產(chǎn)生激光的閾值條件。,2020/11/3,44,2.3.3 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(xué)諧振腔,工作物質(zhì)：

29、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。 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。 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。,2020/11/3,45,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(fù)合石榴石激光晶體 激光玻

30、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(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,2020/11/3,4

31、6,2.3.4 激光的特性,方向性,單色性,相干性,能量高度集中,+,2020/11/3,47,方向性強(qiáng) 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(qiáng)，發(fā)散角在10-310-4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(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。,單色性好 單色性為光源發(fā)出的光強(qiáng)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

32、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(zhǔn)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。,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(dǎo)體激光器單色性最

33、差。,2020/11/3,48,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(dá)數(shù)百米。,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。,激光的功

34、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(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)。,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。,2020/11/3,49,1961

35、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。,1964年，又提出并實現(xiàn)了壓縮脈寬、提高功率的新

36、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，fork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8.5fs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(xué)、化學(xué)、生物學(xué)以及光譜學(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。,2020/11/3,50,2.3

37、.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),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；,2020/11/3,51,2.3.6 激光材料,氣體激光器 固體激光器 液體激光器 半導(dǎo)體激光器,2.3.6.1 氣體激光器,氣

38、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(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。,電激勵 光激勵 熱激勵 化學(xué)能激勵,氣體放電 氣體激光器最主要的激勵方式 電子束激勵,氣體激光器激勵方式,2020/11/3,52,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

39、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(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。,熱激勵 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)。,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

40、光，原則上不需外加電源或光源最為激勵原。,2020/11/3,53,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。,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。 用途用于微細(xì)加工，光刻及醫(yī)學(xué)。 原理不是分子固有能級

41、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。,2020/11/3,54,he-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(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1mrad 單色性好，帶寬可小于20hz 穩(wěn)定性高,2020/11/3,55,he-ne原子能級結(jié)構(gòu),2020/1

42、1/3,56,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),b. he-ne能量共振轉(zhuǎn)移過程,過程b激發(fā)ne的速率是過程a激發(fā)速率的6080倍,2020/11/3,57,he-ne激光器結(jié)構(gòu)形式和實物圖,he-ne激光器結(jié)構(gòu),2020/11/3,58,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

43、透過率12%，凹面全反鏡的反射率接近100%。,2020/11/3,59,cu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)。,2020/11/3,60,cu原子能級結(jié)構(gòu),cu

44、原子能級結(jié)構(gòu)和激光躍遷,2020/11/3,61,co2激光器,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%。,2020/11/3,62,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。,2020/11/3,63,co2分子能級結(jié)構(gòu),

45、2020/11/3,64,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,co2激光器運行方式,2020/11/3,65,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,2020/11/3,66,準(zhǔn)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,2020/11/3,67,電子束激勵準(zhǔn)分子激光器結(jié)構(gòu)圖,2020/11/3,68,ar+激光器,氣體離

46、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,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。,2020/11/3,69,ar+激光器工作原理,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。,2020/11/3,70,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

47、出譜線： 488.0nm和514.5nm,2.3.6.2 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。,2020/11/3,71,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,2020/11/3,72,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

48、離子，如nd3+、ho3+、er3+ 二價稀土金屬離子，如sm2+、tm2+、dy2+（鏑）,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(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。,2020/11/3,73,(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

49、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(fù)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(qiáng)度高、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。 （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110ppm 。,2020/11/3,74,主要的基質(zhì)晶體,金屬

50、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(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+,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

51、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為紅寶石激光晶體，摻雜的cr3+取代- al2o3晶格中的al3+離子。,紅寶石激光器,2020/11/3,75,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

52、。,紅寶石激光器能級結(jié)構(gòu),2020/11/3,76,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,2020/11/3,77,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

53、較高，激光輸出最強(qiáng)。,2020/11/3,78,紅寶石激光器工作特性,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(xué)式y(tǒng)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。,2020/11/3,79,nd3+：yag激光器能級結(jié)構(gòu),4f3/2 4i9/2 0.914m 4f3/2 4i11/2 1.06m 4f3/2 4i13/2 1.35m,2020/11/3,80,nd3+：yag激光器輸出特性,連續(xù)工作nd3+：yag激光器輸出特性,2020/11

54、/3,81,nd3+：yag激光器工作特性,連續(xù)工作nd3+：yag激光器工作特性,2020/11/3,82,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。,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,2020/11/3,8

55、3,脈沖氙燈的發(fā)射光譜圖,連續(xù)氪弧燈的發(fā)射光譜圖,2020/11/3,84,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,端面泵浦,2020/11/3,85,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。,2020/11/3,86,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。,2020/11/3,87,板條狀激光器,鋸齒形光路板條狀激光器,鋸齒形光路增

56、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。,2020/11/3,88,光纖激光器,光纖激光器原理圖,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(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。,2020

57、/11/3,89,2.3.6.3 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)。,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,2020/

58、11/3,90,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,2020/11/3,91,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。,2020/11/3,92,染料的吸收和發(fā)射過程,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,

59、2020/11/3,93,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。,常用染料的波長范圍,2020/11/3,94,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