光電子材料激光

1、光電子材料 -激光,一、激光器的誕生,19世紀(jì)的科學(xué)家們進(jìn)行了關(guān)于電磁波的卓越的研究,1905年愛因斯坦提出了光量子和光電效應(yīng)的概念，揭示了輻射的波粒二象性,1916年愛因斯坦提出了受激輻射的概念,1900年普朗克引入的能量量子的概念,基礎(chǔ)性、探索性研究,激光器的誕生,激光走向新技術(shù)的開發(fā)和工程應(yīng)用階段,1954年研制成第一臺微波激射器,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；賈萬等人研制成氦氖激光器,我國的第一臺激光器于1961年在長春光機(jī)所創(chuàng)制成功,激光技術(shù),原理：利用受激輻射放大電磁波，可在紫外線、可見

2、光、紅外譜區(qū) 極窄的頻段內(nèi)產(chǎn)生高強(qiáng)度相干輻射。 激光的特性使之在光學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域帶來了革命性的變化,接近單頻,干涉性好,發(fā)射方向的空間內(nèi)能量高度集中,四十多年來，激光器的品種迅速增加： 固體激光器 半導(dǎo)體激光器 固體激光器（半導(dǎo)體激光泵浦） 化學(xué)激光器（HF/DF激光、氧碘化學(xué)激光器、CO2激光、燃料激光、氦氖激光,激光的種類,自由電子激光器 x射線激光器 準(zhǔn)分子激光器 金屬蒸氣激光器等,銅蒸氣激光,激光器的輸出水平不斷提高： 中、小功率器件 高功率、高能量激光器； 脈沖體制從連續(xù)波、準(zhǔn)連續(xù)波到各種短脈沖、超短脈沖的激光。 連續(xù)的高能激光單次輸出能量已達(dá)百萬焦耳以上； 超短脈沖：納秒 皮秒 費(fèi)秒

3、阿秒 脈沖功率密度則可高達(dá)1020瓦/cm2以上,輸出激光的頻率覆蓋著越來越廣的范圍： 長至亞毫米（太赫茲） 短至x射線 激光也在探索中，分立的激光譜線達(dá)幾千條,激光器的工作原理,1激光器的物理基礎(chǔ) （1）光子的概念 光量子學(xué)說認(rèn)為，光是由能量為hf 的光量子組成的，其中h=6.6281034 Js（焦耳秒），稱為普朗克常數(shù)，f 是光波頻率，人們將這些光量子稱為光子。 當(dāng)光與物質(zhì)相互作用時，光子的能量作為一個整體被吸收或發(fā)射,激光器的工作原理,2）原子能級 物質(zhì)是由原子組成，而原子是由原子核和核外電子構(gòu)成。原子有不同穩(wěn)定狀態(tài)的能級。 最低的能級E1 稱為基態(tài)，能量比基態(tài)大的所有其他能級E i（

4、i=2，3，4，）都稱為激發(fā)態(tài)。當(dāng)電子從較高能級E2躍遷至較低能級E1時，其能級間的能量差為E =E2E1，并以光子的形式釋放出來，這個能量差與輻射光的頻率f 12之間有以下關(guān)系式,式中，h為普朗克常數(shù)，f 12 為吸收或輻射的光子頻率。 當(dāng)處于低能級E1 的電子受到一個光子能量E =hf12的光照射時，該能量被吸收，使原子中的電子激發(fā)到較高的能級E2 上去。 光纖通信用的發(fā)光元件和光檢測元件就是利用這兩種現(xiàn)象,激光器的工作原理,3）光與物質(zhì)的三種作用形式 光與物質(zhì)的相互作用，可以歸結(jié)為光與原子的相互作用，將發(fā)生受激吸收、自發(fā)輻射、受激輻射三種物理過程。如圖3-1所示,圖3-1 能級和電子躍遷

5、,激光器的工作原理,在正常狀態(tài)下，電子通常處于低能級（即基態(tài)）E1，在入射光的作用下，電子吸收光子的能量后躍遷到高能級（即激發(fā)態(tài)）E2，產(chǎn)生光電流，這種躍遷稱為受激吸收光電檢測器。 處于高能級E2 上的電子是不穩(wěn)定的，即使沒有外界的作用，也會自發(fā)地躍遷到低能級E1 上與空穴復(fù)合，釋放的能量轉(zhuǎn)換為光子輻射出去，這種躍遷稱為自發(fā)輻射發(fā)光二極管。 在高能級E2上的電子，受到能量為hf12的外來光子激發(fā)時，使電子被迫躍遷到低能級E1 上與空穴復(fù)合，同時釋放出一個與激光發(fā)光同頻率、同相位、同方向的光子（稱為全同光子）。由于這個過程是在外來光子的激發(fā)下產(chǎn)生的，所以這種躍遷稱為受激輻射激光器。 注：受激輻射

6、光為相干光，自發(fā)輻射光是非相干光,激光器的工作原理,4）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布與光的放大 受激輻射是產(chǎn)生激光的關(guān)鍵。 如設(shè)低能級上的粒子密度為N1，高能級上的粒子密度為N2，在正常狀態(tài)下， N1 N2，總是受激吸收大于受激輻射。即在熱平衡條件下，物質(zhì)不可能有光的放大作用。 要想物質(zhì)產(chǎn)生光的放大，就必須使受激輻射大于受激吸收，即使N2 N1 （高能級上的電子數(shù)多于低能級上的電子數(shù)），這種粒子數(shù)的反常態(tài)分布稱為粒子（電子）數(shù)反轉(zhuǎn)分布。 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)是使物質(zhì)產(chǎn)生光放大而發(fā)光的首要條件,激光器的工作原理,2激光器的工作原理 激光器包括以下3個部分： 必須有產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)； 必須有能夠使工作物質(zhì)處于粒

7、子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的激勵源（泵浦源）； 必須有能夠完成頻率選擇及反饋?zhàn)饔玫墓鈱W(xué)諧振腔。 （1）產(chǎn)生激光的工作物質(zhì) 即處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的工作物質(zhì)，稱為激活物質(zhì)或增益物質(zhì)（基質(zhì)材料+激活離子） ，它是產(chǎn)生激光的必要條件,激光器的工作原理,2）泵浦源 使工作物質(zhì)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的外界激勵源，稱為泵浦源。 物質(zhì)在泵浦源的作用下，使得N2N1，從而受激輻射大于受激吸收，有光的放大作用。這時的工作物質(zhì)已被激活，成為激活物質(zhì)或增益物質(zhì)。 （3）光學(xué)諧振腔 激活物質(zhì)只能使光放大，只有把激活物質(zhì)置于光學(xué)諧振腔中，以提供必要的反饋及對光的頻率和方向進(jìn)行選擇，才能獲得連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出。 激活物質(zhì)和光

8、學(xué)諧振腔是產(chǎn)生激光振蕩的必要條件,激光器的工作原理,圖3-2 光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu),光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu) 在激活物質(zhì)的兩端的適當(dāng)位置，放置兩個反射系數(shù)分別為r1和r2的平行反射鏡M1和M2，就構(gòu)成了最簡單的光學(xué)諧振腔。 如果反射鏡是平面鏡，稱為平面腔；如果反射鏡是球面鏡，則稱為球面腔，如圖3-2所示。對于兩個反射鏡，要求其中一個能全反射，另一個為部分反射,激光器的工作原理,諧振腔產(chǎn)生激光振蕩過程 如圖3-3所示，當(dāng)工作物質(zhì)在泵浦源的作用下，已實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，即可產(chǎn)生自發(fā)輻射。如果自發(fā)輻射的方向不與光學(xué)諧振腔軸線平行，就被反射出諧振腔。只有與諧振腔軸線平行的自發(fā)輻射才能存在，繼續(xù)前進(jìn)。 當(dāng)它遇到一個

9、高能級上的粒子時，將使之感應(yīng)產(chǎn)生受激躍遷，在從高能級躍遷到低能級中放出一個全同的光子，為受激輻射。 當(dāng)受激輻射光在諧振腔內(nèi)來回反射一次，相位的改變量正好是2的整數(shù)倍時，則向同一方向傳播的若干受激輻射光相互加強(qiáng)，產(chǎn)生諧振。達(dá)到一定強(qiáng)度后，就從部分反射鏡M2透射出來，形成一束筆直的激光。 當(dāng)達(dá)到平衡時，受激輻射光在諧振腔中每往返一次由放大所得的能量，恰好抵消所消耗的能量時，激光器即保持穩(wěn)定的輸出,激光器的工作原理,圖3-3 激光器示意圖,激光器的工作原理,光學(xué)諧振腔的諧振條件與諧振頻率 設(shè)諧振腔的長度為L，則諧振腔的諧振條件為 （3-2） 或 （3-3） 式中，c為光在真空中的速度，為激光波長，n

10、為激活物質(zhì)的折射率，L為光學(xué)諧振腔的腔長，q=1，2，3稱為縱模模數(shù)。 諧振腔只對滿足式（3-2）的光波波長或式（3-3）的光波頻率提供正反饋，使之在腔中互相加強(qiáng)產(chǎn)生諧振形成激光,激光器的工作原理,起振的閾值條件 激光器能產(chǎn)生激光振蕩的最低限度稱為激光器的閾值條件。如以G th表示閾值增益系數(shù)，則起振的閾值條件是 （3-4） 為光學(xué)諧振腔內(nèi)激活物質(zhì)的損耗系數(shù)，L為光學(xué)諧振腔的腔長，r1，r2為光學(xué)諧振腔兩個反射鏡的反射系數(shù),激光器組成：工作物質(zhì)(基質(zhì)和激活離子)、激發(fā)源(泵浦)、共振腔。 工作物質(zhì)：借外來能源激勵實(shí)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、陶瓷)、氣

11、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(shí)現(xiàn)激射。 共振腔作用：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) 激光器最重要的部分是工作物質(zhì)，包括使原子高低能態(tài)分布反轉(zhuǎn)的激活離子和基質(zhì)。 用過渡金屬離子（如Cr3+）激活的三能級激光晶體，如Cr3+：Al3 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

12、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,固態(tài)基質(zhì)材料可粗略分為晶態(tài)固體、玻璃和陶瓷幾大類。 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

13、能。 (1)離子大?。壕B(tài)基質(zhì)的晶格格點(diǎn)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)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，對確定運(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、熱導(dǎo)率高的晶體更

14、合適。 這些性質(zhì)的相對數(shù)值大體上與化合物的熔點(diǎn)有關(guān)，因此使用高熔點(diǎn)化合物更有利,高強(qiáng)度激光器：晶體有較高的熱導(dǎo)率（泵浦源輻照后晶體產(chǎn)生的熱必須用冷卻劑使之在激光棒表面迅速耗散）。 電荷補(bǔ)償技術(shù)對物理性能有不利影響，如在CaWO4中采用一價離子會使晶體的熱膨脹系數(shù)增加，強(qiáng)度和熱導(dǎo)率降低（三價離子為宜）。 （4）光學(xué)性質(zhì)：理想晶體應(yīng)對泵浦波長有較強(qiáng)吸收，對激射波長吸收很弱。 （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 。 讀教材P153-172,激光材料制取方法 1 激光晶體制取方法 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撒下熔融，熔滴

15、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(diǎn)大于1800(可達(dá)2500)的晶體如紅寶石、釔鋁石榴石(Y3A15O12)和Y2O3等基質(zhì)晶體，缺點(diǎn)是晶體內(nèi)應(yīng)力大、位錯密度高及存在化學(xué)不均勻性。 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

16、)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。 作為可買到的商品NdYAG（釔鋁石榴石 ）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75m m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(shí)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。

17、 C熱交換器(HEM)法 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(shí)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(指分凝系數(shù)小于1的元素)。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,表：典型的固態(tài)激光材料系統(tǒng)及工作原理,表：波

18、長可調(diào)激光晶體及工作性能,半導(dǎo)體激光材料的制取方法 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。 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，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D型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,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, A1)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)(As, P)/InP體系，以用氫化物輸運(yùn)氣相外延為宜,1） 激光可在