光電子材料激光

1、光電子材料 -激光,一、激光器的誕生,19世紀的科學家們進行了關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,基礎性、探索性研究,激光器的誕生,激光走向新技術的開發(fā)和工程應用階段,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年在長春光機所創(chuàng)制成功,激光技術,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) 極窄的頻段內產生高強度相干輻射。 激光的特性使之在光學應用領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 半導體激光器 固體激光器（半導體激光泵浦） 化學激光器（HF/DF激光、氧碘化學激光器、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百萬焦耳以上； 超短脈沖：納秒 皮秒 費秒

3、阿秒 脈沖功率密度則可高達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，分立的激光譜線達幾千條,激光器的工作原理,1激光器的物理基礎 （1）光子的概念 光量子學說認為，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。 當光與物質相互作用時，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 物質是由原子組成，而原子是由原子核和核外電子構成。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）光與物質的三種作用形式 光與物質的相互作用，可以歸結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 上與空穴復合，釋放的能量轉換為光子輻射出去，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)反轉分布與光的放大 受激輻射是產生激光的關鍵。 如設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，物質不可能有光的放大作用。 要想物質產生光的放大，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)反轉分布。 粒子數(shù)反轉分布狀態(tài)是使物質產生光放大而發(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： 必須有產生激光的工作物質； 必須有能夠使工作物質處于粒

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

8、學諧振腔是產生激光振蕩的必要條件,激光器的工作原理,圖3-2 光學諧振腔的結構,光學諧振腔的結構 在激活物質的兩端的適當位置，放置兩個反射系數(shù)分別為r1和r2的平行反射鏡M1和M2，就構成了最簡單的光學諧振腔。 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,諧振腔產生激光振蕩過程 如圖3-3所示，當工作物質在泵浦源的作用下，已實現(xiàn)粒子數(shù)反轉分布，即可產生自發(fā)輻射。如果自發(fā)輻射的方向不與光學諧振腔軸線平行，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。 當它遇到一個

9、高能級上的粒子時，將使之感應產生受激躍遷，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。 當受激輻射光在諧振腔內來回反射一次，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，產生諧振。達到一定強度后，就從部分反射鏡M2透射出來，形成一束筆直的激光。 當達到平衡時，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,光學諧振腔的諧振條件與諧振頻率 設諧振腔的長度為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、為激活物質的折射率，L為光學諧振腔的腔長，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產生諧振形成激光,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） 為光學諧振腔內激活物質的損耗系數(shù)，L為光學諧振腔的腔長，r1，r2為光學諧振腔兩個反射鏡的反射系數(shù),激光器組成：工作物質(基質和激活離子)、激發(fā)源(泵浦)、共振腔。 工作物質：借外來能源激勵實現(xiàn)粒子數(shù)反轉并產生受激輻射放大作用 的物質系統(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)工作物質實現(xiàn)激射。 共振腔作用：通過工作物質對激光提供反饋，以激發(fā)更多的光發(fā)射,工作物質 激光器最重要的部分是工作物質，包括使原子高低能態(tài)分布反轉的激活離子和基質。 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） 作準分子氣體（XeF、KrF） 物有機熒光染料（如羅丹明6B） 質液體激光器材料 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、Pb1XSnXTe） 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,固態(tài)基質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

13、能。 (1)離子大?。壕B(tài)基質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1,2)電性中和：摻雜劑價態(tài)如與基質陽離子不同，則要采取適當?shù)碾姾裳a償技術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：基質的某些物理性質決定該晶體對突然爆發(fā)的泵浦能的抗熱沖擊能力，對確定運轉方式如連續(xù)運轉或高功率、高重復率脈沖運轉頗為關鍵。對于這些運轉方式，利用熱膨脹系數(shù)低、強度高、熱導率高的晶體更

14、合適。 這些性質的相對數(shù)值大體上與化合物的熔點有關，因此使用高熔點化合物更有利,高強度激光器：晶體有較高的熱導率（泵浦源輻照后晶體產生的熱必須用冷卻劑使之在激光棒表面迅速耗散）。 電荷補償技術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，強度和熱導率降低（三價離子為宜）。 （4）光學性質：理想晶體應對泵浦波長有較強吸收，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，使籽晶桿下降進入爐子的較冷部分隨即結晶。該法設備簡單、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等基質晶體，缺點是晶體內應力大、位錯密度高及存在化學不均勻性。 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150mm的激光棒。還制出直徑75m m的非摻YAG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，爐溫決定液體內的 溫度梯度，熱交換器的溫度決定固體內的溫度梯度。固液界面因浸沒在熔體表面 以下，不受機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(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(藍寶石)，能獲得大尺寸優(yōu)質晶體， 如65mm的Co： MgF2晶體和 320mm、重50Kg的藍寶石晶體,表：典型的固態(tài)激光材料系統(tǒng)及工作原理,表：波

18、長可調激光晶體及工作性能,半導體激光材料的制取方法 半導體激光器主要用于光學器件、激光唱盤、激光印刷機和光纖通信等領域。 目前研制的半導體激光材料體系，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)外延膜質量至關重要。 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遠比GaAs困難，通常用LEC法生長，已能生長直徑達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)和金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)等新的薄膜生長方法發(fā)展很快。 目前生長GaAs和 (Ga, A1)As量子阱結構(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，以用氫化物輸運氣相外延為宜,1） 激光可在