光電子材料第三章光電子材料基礎(chǔ)

光電子材料第三章光電子材料基礎(chǔ)第1頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三半導(dǎo)體光學(xué)性質(zhì)激光原理激光材料激光應(yīng)用及新特點(diǎn)第2頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三概述光電子技術(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(shí)現(xiàn)、半導(dǎo)體激光器的成熟、CCD的問(wèn)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3頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1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(guò)，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4頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三半導(dǎo)體光吸收過(guò)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(dòng)引起激子吸收：激子的形成帶間吸收：價(jià)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5頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三半導(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6頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2激光原理2.1激光器的產(chǎn)生及歷史1916年愛(ài)因斯坦提出了受激輻射的概念1954年美國(guó)物理學(xué)家湯斯研制成第一臺(tái)微波激射器

（1.25cm）1958年美國(guó)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(jì)

1960年美國(guó)的梅曼研制成功第一臺(tái)紅寶石激光器。我國(guó)的第一臺(tái)激光器于1961年在長(zhǎng)春光機(jī)所研制成功

第7頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1960-5-17，TedMaiman發(fā)明第一臺(tái)激光器2.1激光器的產(chǎn)生及歷史第8頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第一臺(tái)紅寶石激光器的拆卸圖2.1激光器的產(chǎn)生及歷史第9頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1960年12月，美國(guó)科學(xué)家賈萬(wàn)等人制造了第一臺(tái)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，研制成了可在一定范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)波長(zhǎng)的有機(jī)染料激光器。1965年，第一臺(tái)大功率激光器——二氧化碳激光器誕生。1967年，第一臺(tái)Ｘ射線激光器研制成功。2.1激光器的產(chǎn)生及歷史第10頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三我國(guó)的第一臺(tái)激光器于1961年在長(zhǎng)春光機(jī)所研制成功

我國(guó)激光技術(shù)發(fā)展歷史

1957年，王大珩等在長(zhǎng)春建立了我國(guó)第一所光學(xué)專業(yè)研究所——中國(guó)科學(xué)院（長(zhǎng)春）光學(xué)精密儀器機(jī)械研究所（簡(jiǎn)稱“光機(jī)所”）。

表一：我國(guó)各類激光器的“第一臺(tái)”

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(wàn)重怡等

CO2分子激光器

1965年9月

王潤(rùn)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11頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三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(méi)有外界干預(yù)的情況下，電子會(huì)由處于激發(fā)態(tài)的高能級(jí)E2自動(dòng)躍遷至低能級(jí)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12頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三白熾燈、日光燈等普通光源，它們的發(fā)光過(guò)程就是上述的自發(fā)輻射，頻率、振動(dòng)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(jí)時(shí)，吸收光子的能量后從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)----光吸收。低能級(jí)E1高能級(jí)E2光子2.2.1自發(fā)輻射受激輻射和受激吸收第13頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

當(dāng)原子中的電子處于高能級(jí)時(shí)，若外來(lái)光子的頻率恰好滿足電子會(huì)在外來(lái)光子的誘發(fā)下向低能級(jí)躍遷，并發(fā)出與外來(lái)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14頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三實(shí)驗(yàn)表明，受激輻射產(chǎn)生的光子與外來(lái)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(guò)一個(gè)光的作用，得到兩個(gè)特征完全相同的光子，如果這兩個(gè)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15頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三LASER：受激輻射光放大LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation2.2.1自發(fā)輻射受激輻射和受激吸收第16頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.2.2粒子數(shù)正常分布和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)通常處于低能級(jí)的電子數(shù)較處于高能級(jí)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(jì)分布：若E2>E

1，則兩能級(jí)上的原子數(shù)目之比第17頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三數(shù)量級(jí)估計(jì)：T～103K；kT～1.38×10-20J～0.086eV;E2-E1～1eV;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)。2.2.2粒子數(shù)正常分布和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)第18頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：激光產(chǎn)生的必要條件！如何實(shí)現(xiàn)？?jī)?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19頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三原子處在激發(fā)態(tài)時(shí)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(shí)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20頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1231234三能級(jí)系統(tǒng)四能級(jí)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21頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三給工作物質(zhì)施加外部作用由于熱平衡分布中粒子體系處于低能級(jí)的粒子數(shù)，總是大于處于高能級(jí)的粒子數(shù)，要實(shí)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(jí)上的粒子反轉(zhuǎn)到高能級(jí)上，這種過(guò)程叫做激勵(lì)，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22頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三對(duì)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(lì)。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(duì)氣體型的工作物質(zhì)，常應(yīng)用放電的方法，促進(jìn)特定儲(chǔ)存氣體物質(zhì)按照一定的規(guī)律經(jīng)放電而激勵(lì)，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(lì)放光，常見的有砷化鎵，這類物質(zhì)注入大電流的方法被叫做注入式激勵(lì)法。2.2.2粒子數(shù)正常分布和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)第23頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三此外，還可應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)方法（化學(xué)激勵(lì)法）、超音速熱膨脹法（熱激勵(lì)），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(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。從能量角度看，泵浦過(guò)程就是外界提供能量給粒子體系的過(guò)程。激光器中激光能量的來(lái)源，是由激勵(lì)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(lái)。2.2.2粒子數(shù)正常分布和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)第24頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.2.3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(shí)，得到光放大，當(dāng)光到達(dá)反射鏡時(shí)，又反射回來(lái)穿過(guò)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25頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三激光的方向性、單色性很好光在諧振腔傳播時(shí)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26頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三根據(jù)上面的分析，產(chǎn)生激光有三個(gè)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(shí)現(xiàn)光放大并實(shí)施發(fā)射頻率的選擇。2.2.3激光的形成第27頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三激光產(chǎn)生的閾值條件2.2.3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(guò)程，就不可能有激光輸出。第28頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.2.3激光的形成閾值條件：R1R2e2a(V)L≥1。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(gè)反射鏡的間距。閾值條件表明，光在諧振腔中經(jīng)過(guò)1次往返，即經(jīng)過(guò)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(guò)多次反射后會(huì)越來(lái)越弱，因而不可能建立激光振蕩。第29頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.2.3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(shí)，光的增益系數(shù)才足夠大。因此，實(shí)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30頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.3激光器組成工作物質(zhì)(基質(zhì)和激活離子)激勵(lì)源(泵浦)光學(xué)諧振腔激勵(lì)源激光束工作物質(zhì)全反射鏡部分反射鏡第31頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三光學(xué)諧振腔：通過(guò)工作物質(zhì)對(duì)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(lái)能源激勵(lì)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)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(lì)、化學(xué)激勵(lì)、核能激勵(lì))等激發(fā)源激發(fā)工作物質(zhì)實(shí)現(xiàn)激射。2.3激光器組成第32頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

工作物質(zhì)，包括激活離子和基質(zhì)。用過(guò)渡金屬離子（如Cr3+）激活的三能級(jí)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(jí)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（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、Pb1－XSnXTe）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33頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

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(duì)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(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％。

2.3激光器組成第34頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三(2)電性中和：摻雜劑價(jià)態(tài)如與基質(zhì)陽(yáng)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(shí)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(duì)突然爆發(fā)的泵浦能的抗熱沖擊能力，對(duì)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(duì)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)率高的晶體更合適。這些性質(zhì)的相對(duì)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。2.3激光器組成第35頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（4）光學(xué)性質(zhì)：理想晶體應(yīng)對(duì)泵浦波長(zhǎng)有較強(qiáng)吸收，對(duì)激發(fā)波長(zhǎng)吸收很弱。（5）純度：生長(zhǎng)激光晶體所用氧化物純度為5~6個(gè)“9”，總雜質(zhì)含量不得超過(guò)1－10ppm

。2.3激光器組成第36頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.4激光的特性方向性單色性相干性能量高度集中+第37頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.4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(zhǎng)，因而光束方向性最強(qiáng)，發(fā)散角在10-3-10-4弧度，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38頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.4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(wàn)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103Hz，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39頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.4激光的特性所謂光的相干性，是指在空間任意兩點(diǎn)光振動(dòng)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(guò)程，每個(gè)發(fā)光原子都是一個(gè)獨(dú)立的發(fā)光體，相互之間沒(méi)有關(guān)系，光子發(fā)射雜亂無(wú)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(zhǎng)度可達(dá)數(shù)百米。相干性高第40頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.4激光的特性對(duì)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(tái)輸出僅lmW的氦氖激光器發(fā)出的光也比太陽(yáng)表面光亮度高出100倍。功率密度大第41頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.4激光的特性激光的功率密度大是通過(guò)光能在空間的高度集中實(shí)現(xiàn)的，如果將激光發(fā)射的時(shí)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(shí)間內(nèi)釋放原來(lái)用數(shù)毫秒釋放的能量，從而可獲得兆瓦級(jí)峰值功率，這是普通光源無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。通常的激光器，一般都呈現(xiàn)為多個(gè)縱模同時(shí)振蕩輸出。用鎖模技術(shù)對(duì)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(shí)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(shí)間特性，獲得激光巨脈沖的目的的技術(shù)調(diào)Q技術(shù)。第42頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1961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(tái)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(jí)；隨后的幾年發(fā)展的非常快，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(jí)，峰值功率為吉瓦（GW）量級(jí)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(gè)重大突破。它不僅大大推動(dòng)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激光的特性第43頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1964年，又提出并實(shí)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(shí)間壓縮到皮秒（ps，10-12s）量級(jí)，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(dòng)鎖模、被動(dòng)鎖模、同步泵浦鎖模等相應(yīng)的測(cè)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(shí)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(duì)微觀世界和超快過(guò)程的研究提供了重要手段。2.4激光的特性第44頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.5激光器的種類激光器的分類激勵(lì)方式工作物質(zhì)工作方式輸出波長(zhǎng)諧振腔結(jié)構(gòu)第45頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三工作物質(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(zhǎng)：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(lì)方式：電激勵(lì)激光器、光泵浦激光器、熱能激勵(lì)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46頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3激光材料

常用的激光材料激光材料的制備方法第47頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.1.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48頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三摻雜型激光晶體由激活離子+基質(zhì)晶體兩部分組成。一、激活離子主要有：過(guò)渡族金屬離子三價(jià)稀土離子二價(jià)稀土離子錒系離子常用的主要為前兩類。近來(lái)，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49頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三摻雜型激光晶體二、基質(zhì)晶體是指那些陽(yáng)離子與激活離子半徑、電負(fù)性接近、價(jià)態(tài)盡可能相同、物理化學(xué)性能穩(wěn)定和能方便地生長(zhǎng)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50頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三自激活晶體當(dāng)激活離子成為基質(zhì)的一種組分時(shí)，就形成了所謂的自激活晶體。一般說(shuō)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(shí)，會(huì)產(chǎn)生濃度猝滅效應(yīng)?？紤]能級(jí)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(guò)共振交叉弛豫使亞穩(wěn)能級(jí)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51頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三主要的自激活晶體材料晶體空間群最鄰近的陽(yáng)離子數(shù)波長(zhǎng)/μm壽命/μs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)4R3261.06450192.635.4NdxLa1-xNa5(WO4)4141/a8220852.592.6NdxLa1-xP3O9C222183755755.8CsNdxY1-xNaCl5Fm3m6410012303.333.23.1.常用激光材料第52頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三(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(chǔ)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(zhǎng)達(dá)幾微米的玻璃棒和幾十厘米的玻璃板，以及價(jià)格便宜等特點(diǎn)，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53頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三激光玻璃中的激活離子和基質(zhì)激活離子：由于配位場(chǎng)的作用，使基質(zhì)玻璃中極大部分3d過(guò)渡金屬離子實(shí)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(duì)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(jià)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(shí)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(duì)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。3.1.常用激光材料第54頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三若干摻釹玻璃的熒光性質(zhì)基質(zhì)玻璃熒光中心波長(zhǎng)/μm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1.046~1.050190~2802.0~3.51600~25000.5~0.571.28~1.38氯化物1.063~1.065190~2206.0~7.04500~55000.45~0.521.6~2.0硅酸鹽1.058~1.062340~4001.0~3.01100~30000.45~0.51.48~1.75磷酸鹽1.052~1.057250~3502.0~4.52000~35000.48~0.551.49~1.65硼酸鹽1.060~1.065290~4202.0~3.02200~35000.48~0.601.52~1.70碲酸鹽1.057~1.063260~3103.0~5.05000~70000.46~0.551.8~2.2YAG1.064248943800.521.8363.1.常用激光材料第55頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.2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56頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2023/4/3

A焰熔法(維爾納葉法)

氫氧燃燒產(chǎn)生的高溫使料粉通過(guò)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(jiǎn)單、不用坩堝，適于生長(zhǎng)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(cuò)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57頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三B直拉法

適于生長(zhǎng)共熔化合物單晶，易自動(dòng)化，能生長(zhǎng)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(lái)出現(xiàn)的釓鈧鎵石榴石Gd3Sc2Ga3O12(簡(jiǎn)稱GSGG)就是用直拉法生長(zhǎng)的。采用銥坩堝在含l~3％O2的氮?dú)夥罩猩L(zhǎng)(感應(yīng)加熱)，已生長(zhǎng)出直徑130mm、長(zhǎng)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激光器競(jìng)爭(zhēng)。3.2.1激光晶體制取方法第58頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

作為可買到的商品Nd∶YAG一般都采用直拉法生長(zhǎng)，已制出最大直徑約10mm、長(zhǎng)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(zhǎng)時(shí)間慢(0.5mm/h)，生長(zhǎng)10~15cm長(zhǎng)的晶棒，耗時(shí)數(shù)周，造成高的生產(chǎn)成本。目前正在研制400一1000W的Nd∶YAG板條激光器。此外，釹含量比YAG高6倍的Nd：LMAO(Nd：La1－XMgAl11O19)也是用直拉法生長(zhǎng)的。這種晶體解決了釹含量低使輸出功率受限制的問(wèn)題，已實(shí)現(xiàn)高功率輸出，近年內(nèi)可望制成千瓦級(jí)小型固體激光器，其激射波長(zhǎng)為1．054μm。3.2.1激光晶體制取方法第59頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

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(zhǎng)激光晶體。對(duì)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(méi)在熔體表面以下，不受機(jī)械和溫度擾動(dòng)的影響，故可實(shí)現(xiàn)均勻生長(zhǎng)，最大限度地降低生長(zhǎng)條紋，獲得均勻的摻雜分布。該法適于生長(zhǎng)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Φ65mm的Co：MgF2晶體和Φ320mm、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60頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2023/4/361

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(zhǎng)(0.7~1.0μm)材料以(Ga,Al)As／GaAs為主；長(zhǎng)波長(zhǎng)(1.10~1.6μm)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61頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2023/4/362襯底用GaAs單晶的生長(zhǎng)，目前用高壓液體覆蓋直拉(LEC)法已獲得Φ125mm的高純單晶。在生長(zhǎng)過(guò)程中，通過(guò)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(cuò)密度。用水平布里支曼(HB)法已獲得寬80mm、長(zhǎng)100mm的GaAs晶體，位錯(cuò)密度比LEC晶體低，更適合作襯底材料。生長(zhǎng)InP遠(yuǎn)比GaAs困難，通常用LEC法生長(zhǎng)，已能生長(zhǎng)直徑達(dá)75mm、重1.2kg的無(wú)孿生InP單晶。3.2.2半導(dǎo)體激光材料的制取方法第62頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三外延膜的生長(zhǎng)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(zhǎng)方法發(fā)展很快。目前生長(zhǎng)GaAs和(Ga,Al)As量子阱結(jié)構(gòu)(0.6~0.8μm)以用MBE和MOCVD為宜，對(duì)波長(zhǎng)1.2~1.6μm的(In,Ga)(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(zhǎng)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(shí)控制分子束對(duì)襯底掃描，就可使分子或原子按晶體排列一層層地“長(zhǎng)”在基片上形成薄膜。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：使用的襯底溫度低，膜層生長(zhǎng)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(zhǎng)法3.2.2半導(dǎo)體激光材料的制取方法第63頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.1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(zhǎng)分布區(qū)域最寬、應(yīng)用最廣的一類激光器，已觀察到近萬(wàn)條激光譜線，其波長(zhǎng)覆蓋從紫外到紅外的整個(gè)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(jiǎn)單、造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)。被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、國(guó)防、醫(yī)學(xué)及其他科研領(lǐng)域等。第64頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三氣體激光器激勵(lì)方式光激勵(lì)熱激勵(lì)化學(xué)能激勵(lì)電激勵(lì)氣體放電電子束激勵(lì)氣體激光器最主要的激勵(lì)方式3.1氣體激光器第65頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三氣體放電激勵(lì)在高壓電場(chǎng)下，氣體粒子發(fā)生電離而導(dǎo)電，在導(dǎo)電過(guò)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(jí)，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(lì)指用特定波段的光照射工作物質(zhì)，在吸收對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的光能后，產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。光激勵(lì)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66頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三熱激勵(lì)化學(xué)能激勵(lì)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(lái)激勵(lì)工作物質(zhì)，建立粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而實(shí)現(xiàn)受激輻射。采用化學(xué)能激勵(lì)的激光器稱為化學(xué)激光器，其最大特點(diǎn)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(lì)源。采用某種高溫加熱的方式使整個(gè)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(jí)狀態(tài)，然后再通過(guò)某種方式，如氣體絕熱膨脹方式，使熱弛豫時(shí)間較短的某些較低能級(jí)上的粒子倒空，而熱弛豫時(shí)間較長(zhǎng)的某些較高能級(jí)上的粒子得以積累，從而實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。3.1氣體激光器第67頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三氣體激光器

——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(cè)和干涉計(jì)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68頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三分子激光器：以CO2激光器為代表，因紅外波長(zhǎng)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(cè)距，通信。準(zhǔn)分子激光器：特點(diǎn)—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(jí)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(lì)時(shí)，兩種元素的原子在瞬態(tài)結(jié)合成的準(zhǔn)分子的能級(jí)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69頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三He-Ne激光器：最早問(wèn)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(jiǎn)單緊湊等特點(diǎn)，壽命可達(dá)數(shù)萬(wàn)小時(shí)。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(jí)，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3.1氣體激光器第70頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三Ne原子的3S2P、3S3P和2S2P能級(jí)之間獲得100多條譜線，其中最強(qiáng)的三條譜線：632.8nm，3.39μm和1.15μm，分別對(duì)應(yīng)于能級(jí)3S22P4、3S23P4和2S22P4之間的躍遷。He-Ne原子能級(jí)結(jié)構(gòu)3.1氣體激光器第71頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三He-Ne激光器屬典型的四能級(jí)系統(tǒng)，Ne原子激光上能級(jí)的激發(fā)主要有兩個(gè)過(guò)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(guò)程He（1S0）+eHe*（21S0、23S1）+eHe*（21S0、23S1）+Ne（1S0）He（1S0）+Ne*（2S2、3S2）±ΔE∞過(guò)程b激發(fā)Ne的速率是過(guò)程a激發(fā)速率的60~80倍3.1氣體激光器第72頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三He-Ne激光器結(jié)構(gòu)形式和實(shí)物圖He-Ne激光器結(jié)構(gòu)3.1氣體激光器第73頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三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(yáng)極為鎢針。一般采用直流放電激勵(lì)。放電長(zhǎng)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(duì)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(guò)率1~2%，凹面全反鏡的反射率接近100%。3.1氣體激光器第74頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三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(jí)具有最大的電子碰撞激發(fā)截面，選為激光上能級(jí)，而激光下能級(jí)為亞穩(wěn)能級(jí)，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(jí)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75頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三Cu原子能級(jí)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(jí)結(jié)構(gòu)和激光躍遷3.1氣體激光器第76頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三分子氣體激光器波長(zhǎng)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(wàn)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(wàn)瓦，脈沖輸出能量達(dá)數(shù)萬(wàn)焦耳，脈沖功率達(dá)1012W，能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)20~25%。3.1氣體激光器第77頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三CO2分子是線性對(duì)稱排列的三原子分子，有一條對(duì)稱軸以及垂直于對(duì)稱軸的對(duì)稱平面。具有三種基本振動(dòng)方式：對(duì)稱振動(dòng)（ν1）形變振動(dòng)（ν2）反對(duì)稱振動(dòng)（ν3）CO2分子的振動(dòng)能級(jí)可用振動(dòng)量子數(shù)來(lái)表示。3.1氣體激光器第78頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三CO2分子能級(jí)結(jié)構(gòu)10.6μm000110009.6μm000102003.1氣體激光器第79頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三CO2激光器類型封離型縱向激勵(lì)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(lì)高氣壓CO2激光器波導(dǎo)CO2激光器3.1氣體激光器第80頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三CO2激光器運(yùn)行方式3.1氣體激光器第81頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三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(zhǎng)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82頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三準(zhǔn)分子激光器能級(jí)結(jié)構(gòu)躍遷過(guò)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(lì)泵浦方式：電子束泵浦脈沖放電泵浦3.1氣體激光器第83頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三電子束激勵(lì)準(zhǔn)分子激光器結(jié)構(gòu)圖3.1氣體激光器第84頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三Ar+激光器氣體離子激光器主要波長(zhǎng)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(diǎn)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85頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三Ar+激光器工作原理Ar+能級(jí)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(guò)程。第86頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三Ar+激光器工作特性閾值電流強(qiáng)度磁場(chǎng)對(duì)輸出效率的影響：可以減少離子對(duì)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(zhǎng)（nm）488.0514.5476.5496.5501.7472.7閾值電流（A）4.57891214第87頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.2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(shí)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(wàn)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。第88頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三固體激光器基本結(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89頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三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90頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三主要的基質(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+的濃度在50℃可達(dá)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(yīng)用前景的材料色心晶體：堿金屬鹵化物，如LiF:Nd3+、LiF:Na+第91頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第92頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三紅寶石激光器

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(gè)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，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。第93頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

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(jí)。這些能級(jí)上的電子通過(guò)非輻射過(guò)程很快回到稍低一些的能級(jí)2E。2E激發(fā)態(tài)能級(jí)的壽命非常長(zhǎng)，約為5×10-3秒。這意味著有足夠的時(shí)間可以將這種激發(fā)狀況普遍化，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。從能級(jí)2E回到基態(tài)就產(chǎn)生激光。在這一轉(zhuǎn)變過(guò)程，晶體相中許多離子互相激勵(lì)，便產(chǎn)生了強(qiáng)的波長(zhǎng)為693nm的相干紅光脈沖。紅寶石激光器能級(jí)結(jié)構(gòu)第94頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三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(zhǎng)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(gè)側(cè)端裝有一個(gè)鏡子，使得發(fā)出光又返回棒中。另一側(cè)端裝有Q閥。其實(shí)這是一個(gè)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(shí)才被發(fā)射出來(lái)。這樣，由于激光束在棒中往返通過(guò)，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95頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三紅寶石激光器輸出特性右側(cè)反射鏡反射率約為50%時(shí)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)。第96頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三紅寶石激光器工作特性第97頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三Nd3+：YAG激光器摻釹釔鋁石榴石晶體（Nd3+：YAG）是以無(wú)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98頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三Nd3+：YAG激光器能級(jí)結(jié)構(gòu)4F3/2

4I9/20.914μm4F3/2

4I11/21.06μm4F3/2

4I13/2

1.35μm第99頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三Nd3+：YAG激光器輸出特性連續(xù)工作Nd3+：YAG激光器輸出特性第100頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三Nd3+：YAG激光器工作特性連續(xù)工作Nd3+：YAG激光器工作特性第101頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三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(lì)來(lái)實(shí)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102頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三泵浦光源惰性氣體放電燈

脈沖氙燈：Xe氣氣壓高，短時(shí)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(yáng)能泵浦第103頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三脈沖氙燈的發(fā)射光譜圖連續(xù)氪弧燈的發(fā)射光譜圖第104頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三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105頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

端面泵浦第106頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

面泵浦優(yōu)點(diǎn)：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。第107頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三固體激光器的構(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(chǎng)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108頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

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(zhǎng)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109頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三光纖激光器光纖激光器原理圖第110頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三光纖激光器特點(diǎn)

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(zhǎng)，因此可獲得很高的總增益；諧振腔鏡可直接鍍?cè)诠饫w端面，可設(shè)計(jì)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111頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.3液體激光器

染料激光器：有機(jī)染料溶液為工作物質(zhì)

無(wú)機(jī)液體激光器：無(wú)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(dòng)，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(guò)的液體很容易用新鮮液體進(jìn)行替換，而且價(jià)格便宜；最重要的特點(diǎn)是激光輻射的頻率在比較寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。第112頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三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(zhǎng)可調(diào)諧，調(diào)諧范圍寬（0.34~1.2μm）每個(gè)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(jiǎn)單價(jià)格便宜穩(wěn)定性差第113頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三染料分子的結(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(zhǎng)主要取決于碳原子鏈的長(zhǎng)度，鏈長(zhǎng)則熒光波長(zhǎng)也長(zhǎng)，但鏈過(guò)長(zhǎng)，就會(huì)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114頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三染料分子的能級(jí)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(dòng)能級(jí)耦合及染料分子與溶劑分子的碰撞使能級(jí)展寬為寬的能帶。第115頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三染料的吸收和發(fā)射過(guò)程振動(dòng)原子的距離分子的振動(dòng)能量染料分子的激光過(guò)程是一個(gè)四能級(jí)系統(tǒng)，并且其發(fā)射的熒光波長(zhǎng)較之吸收波長(zhǎng)，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(jí)。激勵(lì)方式：橫向和縱向第116頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三激光的猝滅由于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(huì)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(guò)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(shí)現(xiàn)激光波長(zhǎng)的調(diào)諧。波長(zhǎng)能在幾十納米范圍連續(xù)可調(diào)，這是染料激光的特點(diǎn)或優(yōu)點(diǎn)。調(diào)諧方法:光柵衍射法或色散頻譜上狹縫移動(dòng)法。第117頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三常用染料的波長(zhǎng)范圍染料波長(zhǎng)范圍/nm對(duì)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(guò)氯酸鹽644~709尼爾蘭692~783花青22760~812第118頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三無(wú)機(jī)液體激光器無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)機(jī)液體激光器

發(fā)光效率達(dá)2%，流動(dòng)性好，毒性和腐蝕性較小

Nd3+：SeOCl3+SnCl4無(wú)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(dòng)性差第119頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三無(wú)機(jī)液體激光器結(jié)構(gòu)及特性無(wú)機(jī)液體激光器的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：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(xué)質(zhì)量高的工作物質(zhì)；制作簡(jiǎn)單，成本低。缺點(diǎn)：熱膨脹系數(shù)大，因此不能高頻率工作，具有毒性和腐蝕性。第120頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.4半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器是指以半導(dǎo)體材料為工作物質(zhì)的一類激光器。主要特點(diǎn)：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(zhǎng)范圍寬，通常譜寬在0.5~30μm之間；使用壽命長(zhǎng)，可達(dá)百萬(wàn)小時(shí)以上；準(zhǔn)連續(xù)輸出功率達(dá)300W，脈沖輸出功率達(dá)1000W以上。第121頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三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(jí)分裂為寬的能帶，能帶由相距很小的精細(xì)能級(jí)組成。電子在能帶中的分布形式?jīng)Q定了固體材料的導(dǎo)電性能，由此分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體三種。1、禁帶寬度2、費(fèi)米能級(jí)指導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間的能量差，通常用符號(hào)Eg表示。指絕對(duì)零度時(shí)全滿電子態(tài)與全空電子態(tài)的能量分界面?；蚪^對(duì)零度時(shí)電子占據(jù)的最高能態(tài)的能量，用符號(hào)EF表示。半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)：本征（純）半導(dǎo)體的費(fèi)密能級(jí)位于禁帶中心第122頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三半導(dǎo)體激光器中粒子數(shù)反轉(zhuǎn)重?fù)诫s接觸前重?fù)诫s能級(jí)圖PEFpNEFnPN接觸后平衡態(tài)重?fù)诫sp-n結(jié)能帶圖EcEvEF由于費(fèi)米能級(jí)隨摻雜濃度而變化，所以使用重?fù)诫s使P型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)進(jìn)入價(jià)帶，而使N型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)進(jìn)入導(dǎo)帶，這樣在p-n結(jié)耗盡層中就形成等價(jià)的四能級(jí)結(jié)構(gòu)。第123頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三EcEvEFpEFnp+n+V+V-當(dāng)重?fù)诫s半導(dǎo)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(dǎo)帶上的電子與價(jià)帶上的空穴復(fù)合，發(fā)射激光。第124頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三電注入式半導(dǎo)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(dǎo)體面結(jié)型二極管，沿正向偏壓注入電流進(jìn)行激勵(lì)，在結(jié)平面區(qū)域產(chǎn)生受激發(fā)射。光泵式半導(dǎo)體激光器：一般用N型或P型半導(dǎo)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(lì)。高能電子束激勵(lì)式半導(dǎo)體激光器：一般也是用N型或者P型半導(dǎo)體單晶（如PbS、CdS等）做工作物質(zhì)，通過(guò)由外部注入高能電子束進(jìn)行激勵(lì)。在半導(dǎo)體激光器件中，目前性能較好，應(yīng)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(dǎo)體激光器的激勵(lì)方式第125頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)和諧振腔半導(dǎo)體激光器的諧振腔直接利用垂直于P－N結(jié)平面的半導(dǎo)體兩個(gè)嚴(yán)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(dǎo)體的轉(zhuǎn)換效率很高，達(dá)50-80%，所以足以維持足夠的增益。此外，通過(guò)鍍二氧化硅膜，還可提高端面的反射率，獲得更高的增益。第126頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三常見半導(dǎo)體激光器（一）、同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器同質(zhì)半導(dǎo)體激光器以GaAs激光器為代表，通過(guò)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(zhǎng)的輸出。缺點(diǎn)：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。第127頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（二）、單異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器由不同半導(dǎo)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(guò)程與同質(zhì)p-n結(jié)的形成類似，仍然涉及電子、空穴的擴(kuò)散和內(nèi)建電場(chǎng)的反作用，最后兩種作用達(dá)到平衡，形成穩(wěn)定的電子、空穴分布。接觸前異質(zhì)能級(jí)圖接觸后平衡態(tài)異質(zhì)p-n結(jié)能帶圖EFPEcEvNPEFpEvpEcpNEFnEcnEvnEcEV第128頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三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)與增益第129頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3、單異質(zhì)p-n結(jié)激光器實(shí)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(dǎo)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(diǎn)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。第130頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（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(fù)合而產(chǎn)生。由于結(jié)區(qū)是由不同的半導(dǎo)體材料結(jié)合而成，使得電子和空穴不再往深處擴(kuò)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(kuò)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(shí)現(xiàn)室溫下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。多層結(jié)構(gòu)雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)示意圖第131頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（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(dāng)雙異質(zhì)結(jié)厚度進(jìn)一步減小到1～10nm時(shí)，激活區(qū)寬度已經(jīng)與電子的量子波長(zhǎng)相當(dāng)甚至更小，激活區(qū)內(nèi)電子的運(yùn)動(dòng)受到強(qiáng)烈約束，導(dǎo)致電子和空穴在導(dǎo)帶底和價(jià)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(dǎo)體激光器稱為量子阱激光器。優(yōu)點(diǎn)：閾值電流更低（200A/cm2），譜線寬度窄，調(diào)制速率高，光束質(zhì)量好第132頁(yè)，共148頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（五）、分布反饋（DFB）激光器一種側(cè)壁被做成周期性光柵波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器。根據(jù)周期性波導(dǎo)的耦合原理，只要光柵周期是波導(dǎo)中1/2光波長(zhǎng)的整數(shù)倍，該周期性光柵就會(huì)使導(dǎo)波光反饋。因此不需要解理端面來(lái)實(shí)現(xiàn)光反饋。優(yōu)