信息材料基础_第三章_光电子材料基础.pptx

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1、第三章第三章 光电子材料基础光电子材料基础2021/9/121概述概述半导体光学性质半导体光学性质激光原理和激光材料激光原理和激光材料光电子集成技术光电子集成技术2021/9/1222.1 概概 述述 光电子技术光电子技术是由光学和电子技术相结合形成的一门高是由光学和电子技术相结合形成的一门高薪技术，它伴随光通信和信息科学的发展而发展。薪技术，它伴随光通信和信息科学的发展而发展。光电子材料光电子材料是指具有光子和电子的产生、转换和传输是指具有光子和电子的产生、转换和传输功能的材料，包括激光材料、光纤材料和光电显示材料功能的材料，包括激光材料、光纤材料和光电显示材料等。等。光电子技术从上世纪光电

2、子技术从上世纪60年代激光器的发明开始，到年代激光器的发明开始，到70年代低损耗光纤的实现、半导体激光器的成熟、年代低损耗光纤的实现、半导体激光器的成熟、CCD的问世，再到的问世，再到80年代超晶格量子阱材料和工艺的发展、年代超晶格量子阱材料和工艺的发展、掺铒光纤放大器和激光器的研制成功，短短几十年得到掺铒光纤放大器和激光器的研制成功，短短几十年得到了迅速的发展。了迅速的发展。2021/9/1232.2 半导体光学性质半导体光学性质 半导体与光的作用包括半导体与光的作用包括反射反射、吸收吸收和和透过透过，而，而吸收特性主要取决于半导体的能带结构。吸收特性主要取决于半导体的能带结构。半导体吸收光

3、谱半导体吸收光谱2021/9/124半导体光吸收过程半导体光吸收过程自由载流子吸收自由载流子吸收：毫米波和微波：毫米波和微波杂质吸收杂质吸收：杂质粒子的跃迁杂质粒子的跃迁声子吸收声子吸收：晶格振动引起：晶格振动引起激子吸收激子吸收：激子的形成：激子的形成带间吸收带间吸收：价带到导带的跃迁：价带到导带的跃迁激子：指一种中性的非传导激子：指一种中性的非传导电的束缚状的电子激发态电的束缚状的电子激发态2021/9/125半导体的激发与复合半导体的激发与复合半导体的激发半导体的激发光吸收、电流注入、电子束注入光吸收、电流注入、电子束注入由光吸收导致的光发射现象称为由光吸收导致的光发射现象称为光致发光光

4、致发光由电流注入或者雪崩导致的光发射现象称为由电流注入或者雪崩导致的光发射现象称为电致发光电致发光由电子束激发导致的光发射现象称为由电子束激发导致的光发射现象称为阴极射线发光阴极射线发光2021/9/126半导体的复合半导体的复合被激发到较高能级的半被激发到较高能级的半导体材料，释放能量回到低导体材料，释放能量回到低能级状态的过程能级状态的过程直接复合与间接复合直接复合与间接复合体内复合与表面复合体内复合与表面复合半导体中载流子复合机制半导体中载流子复合机制三种释放能量方式三种释放能量方式发射光子发射光子（辐射型复合）（辐射型复合）发射声子发射声子（非辐射型复合）（非辐射型复合）载流子之间的能

5、量交换载流子之间的能量交换2021/9/1272.3 激光原理和激光材料激光原理和激光材料2021/9/1282.3.1 激光器的产生及历史19541954年美国物理学家年美国物理学家汤汤斯斯研制成第一台微波激射器研制成第一台微波激射器 （1.25cm1.25cm）19581958年美国的年美国的汤汤斯斯和和苏联苏联的的巴索夫巴索夫及及普普罗罗霍洛夫霍洛夫等等人提出了激光的概念和理人提出了激光的概念和理论设计论设计 19601960年美国的年美国的梅曼梅曼研制成功第一台研制成功第一台红红宝石激光器。宝石激光器。我国的第一台激光器我国的第一台激光器于于19611961年在年在长长春光机春光机所研

6、制成功所研制成功（王之江，中国激光之父）19161916年年爱爱因斯坦提出了受激因斯坦提出了受激辐辐射的概念射的概念2021/9/1291960-5-17，Ted Maiman 发明第一台激光器发明第一台激光器2021/9/1210第一台红宝石激光器的拆卸图第一台红宝石激光器的拆卸图2021/9/121119601960年年1212月，美国科学家贾万等人制造了第一台气体激月，美国科学家贾万等人制造了第一台气体激光器光器氦氖激光器。氦氖激光器。19621962年，发明了半导体激光器。年，发明了半导体激光器。19661966年，研制成了可在一定范围内连续调节波长的年，研制成了可在一定范围内连续调节

7、波长的有机染料激光器。有机染料激光器。19651965年，第一台大功率激光器年，第一台大功率激光器二氧化碳激光器诞生。二氧化碳激光器诞生。19671967年，第一台射线激光器研制成功。年，第一台射线激光器研制成功。2021/9/1212我国的第一台激光器我国的第一台激光器于于19611961年在年在长长春光机所研制成功春光机所研制成功 我国激光技术发展历史我国激光技术发展历史 19571957年，年，王大珩王大珩等在长春建立了我国第一所光学专业等在长春建立了我国第一所光学专业研究所研究所中国科学院（长春）光学精密仪器机械研中国科学院（长春）光学精密仪器机械研究所（简称究所（简称“光机所光机所”

8、）。）。表一：我国各类激光器的表一：我国各类激光器的“第一台第一台”He-Ne激光器激光器1963年年7月月邓锡铭等邓锡铭等掺钕玻璃激光器掺钕玻璃激光器1963年年6月月干福熹等干福熹等GaAs同质结半导体激光器同质结半导体激光器1963年年12月月王守武等王守武等脉冲脉冲Ar+激光器激光器1964年年10月月万重怡等万重怡等CO2分子激光器分子激光器1965年年9月月王润文等王润文等CH3I化学激光器化学激光器1966年年3月月邓锡铭等邓锡铭等YAG激光器激光器1966年年7月月屈乾华等屈乾华等2021/9/1213E E2 2E E1 1h h 2.3.2.1 2.3.2.1 2.3.2.

9、1 2.3.2.1 自发辐射自发辐射自发辐射自发辐射 受激辐射和受激吸收受激辐射和受激吸收受激辐射和受激吸收受激辐射和受激吸收自发辐射自发辐射 原子在没有外界干预的情况下，电子会由处于激发态的高原子在没有外界干预的情况下，电子会由处于激发态的高能级能级E E2 2自动跃迁至低能级自动跃迁至低能级E E1 1，这种跃迁称为自发辐射。，这种跃迁称为自发辐射。自发辐射光子频率自发辐射光子频率2.3.2 激光的基本原理激光的基本原理白炽灯、日光灯等普通光源，它们的发光过程就是上述的自发辐白炽灯、日光灯等普通光源，它们的发光过程就是上述的自发辐射，频率、振动方向、相位都不固定，不是相干光。射，频率、振动

10、方向、相位都不固定，不是相干光。2021/9/1214受激吸收受激吸收 当原子中的电子处于低能级时，吸收光子的能量当原子中的电子处于低能级时，吸收光子的能量后从低能级跃迁到高能级后从低能级跃迁到高能级-光吸收。光吸收。低能级低能级E E1 1高能级高能级E E2 2光子光子 2021/9/1215受激辐射受激辐射 当原子中的电子处当原子中的电子处于高能级时，若外来光于高能级时，若外来光子的频率恰好满足子的频率恰好满足时，电子会在外来光子的诱发下向低能级跃迁，并时，电子会在外来光子的诱发下向低能级跃迁，并发出与外来光子一样特征的光子发出与外来光子一样特征的光子-受激辐射。受激辐射。E E2 2E

11、 E1 1全同光子全同光子h h 实验表明，受激辐射产生的光子与外来光子具有相同的实验表明，受激辐射产生的光子与外来光子具有相同的频频率、相位、偏振方向和发射方向率、相位、偏振方向和发射方向。2021/9/1216 在受激辐射中通过一个光在受激辐射中通过一个光的作用，得到两个特征完全相的作用，得到两个特征完全相同的光子，如果这两个光子再同的光子，如果这两个光子再引起其它原子产生受激辐射，引起其它原子产生受激辐射，就能得到更多的特征完全相同就能得到更多的特征完全相同的光子的光子-光放大，光放大，激光。激光。光放大光放大LASER：受激辐射光放大：受激辐射光放大LightAmplification

12、byStimulatedEmissionofRadiation2021/9/12172.3.2.2 2.3.2.2 2.3.2.2 2.3.2.2 粒子数正常分布和粒子数反转粒子数正常分布和粒子数反转粒子数正常分布和粒子数反转粒子数正常分布和粒子数反转 通常处于低能级的电子数较处于高能级的通常处于低能级的电子数较处于高能级的电子数要多，粒子数正常分布。电子数要多，粒子数正常分布。玻耳兹曼统计分布：玻耳兹曼统计分布：若若 E2 E 1，则两能级，则两能级上的原子数目之比上的原子数目之比 2021/9/1218 数量级估计：数量级估计：T 103 K；kT1.3810-20 J 0.086 eV;

13、E 2-E 11eV;但要产生激光必须使原子但要产生激光必须使原子激发，且激发，且 N2 N1,称粒称粒子数反转。子数反转。2021/9/1219粒子数反转：激光产生的必要条件！粒子数反转：激光产生的必要条件！如何实现？如何实现？内因：粒子体系（工作物质）的内部结构内因：粒子体系（工作物质）的内部结构外因：给工作物质施加外部作用外因：给工作物质施加外部作用2021/9/1220原子处在激发态时间很短原子处在激发态时间很短10-8s，但，但还有一些亚稳态，可以停留还有一些亚稳态，可以停留10-3s,在亚稳态上粒子数不断积在亚稳态上粒子数不断积累，累，实现粒子数反转，达实现粒子数反转，达到光放大的

14、目的。到光放大的目的。工作物质内部结构工作物质内部结构铬离子、钕离子铬离子、钕离子2021/9/12211231234三能级系统三能级系统四能级系统四能级系统红宝石：红宝石：Cr3+YAG：Nd3+2021/9/1222给工作物质施加外部作用给工作物质施加外部作用由于热平衡分布中粒子体系处于低能级的粒由于热平衡分布中粒子体系处于低能级的粒子数，总是大于处于高能级的粒子数，要实子数，总是大于处于高能级的粒子数，要实现粒子数反转，就得给粒子体系增加一种外现粒子数反转，就得给粒子体系增加一种外界作用，促使大量低能级上的粒子反转到高界作用，促使大量低能级上的粒子反转到高能级上，这种过程叫做能级上，这种

15、过程叫做激励激励，或称为，或称为泵浦泵浦。2021/9/1223 固体工作物质固体工作物质：光泵浦，掺铬刚玉、掺钕玻璃，掺：光泵浦，掺铬刚玉、掺钕玻璃，掺钕钇铝石榴石等钕钇铝石榴石等 气体工作物质气体工作物质：气体放电，如：气体放电，如CO2、He-Ne等等 半导体半导体：注入大电流泵浦，如砷化镓等：注入大电流泵浦，如砷化镓等 其它泵浦方式：其它泵浦方式：化学激励法化学激励法、超音速绝热膨胀法超音速绝热膨胀法、电子束激励法电子束激励法、核激励核激励等。等。从能量的角度看，泵浦过程就是外界提供能量给粒从能量的角度看，泵浦过程就是外界提供能量给粒子体系的过程子体系的过程。2021/9/12242.

16、3.2.3 2.3.2.3 2.3.2.3 2.3.2.3 激光的形成激光的形成激光的形成激光的形成光学谐振腔光学谐振腔 其作用是其作用是产生和维持光振荡产生和维持光振荡。光在粒子数反转的工作。光在粒子数反转的工作物质中传播时，得到光放大，当光到达反射镜时，又反射物质中传播时，得到光放大，当光到达反射镜时，又反射回来穿过工作物质，进一步得到光放大，这样不断地反射回来穿过工作物质，进一步得到光放大，这样不断地反射现象为现象为光振荡光振荡。从部分。从部分透反射镜透射出的光很透反射镜透射出的光很强，这就是输出的强，这就是输出的激光激光。2021/9/1225激光的方向性、单激光的方向性、单色性很好色

17、性很好光在谐振腔传播时形成驻波，由驻波条件光在谐振腔传播时形成驻波，由驻波条件不满足此条件的光很快减弱而被淘汰，谐振腔不满足此条件的光很快减弱而被淘汰，谐振腔又起又起选频选频的作用的作用-单色性好。单色性好。2021/9/1226根据上面的分析，产生激光有三个根据上面的分析，产生激光有三个主要元素主要元素：（1 1）激活介质激活介质能经受激发射而使入射光能经受激发射而使入射光 强放大；强放大；（2 2）能使激活介质产生粒子数反转的）能使激活介质产生粒子数反转的泵泵 浦浦装置；装置；（3 3）放置激活介质的）放置激活介质的谐振腔谐振腔，产生和维持光，产生和维持光 振荡，从而实现光放大并实施发射频

18、率振荡，从而实现光放大并实施发射频率 的选择。的选择。2021/9/12272.3.2.4 2.3.2.4 2.3.2.4 2.3.2.4 激光产生的阈值条件激光产生的阈值条件激光产生的阈值条件激光产生的阈值条件在谐振腔中存在很多损耗因素，如反射镜的吸收、透射在谐振腔中存在很多损耗因素，如反射镜的吸收、透射和衍射等，工作物质不均匀引起的光折射和散射等。如和衍射等，工作物质不均匀引起的光折射和散射等。如果这些损耗抵消了光放大过程，就不能有激光输出。果这些损耗抵消了光放大过程，就不能有激光输出。激光产生的阈值条件：激光产生的阈值条件：R1和和R2为谐振腔两块反射镜的发射率，为谐振腔两块反射镜的发射

19、率，a(v)为工作物为工作物质增益系数，质增益系数，L为两个反射镜的距离。为两个反射镜的距离。2021/9/1228 阈值公式表明，光在谐振腔中每经过阈值公式表明，光在谐振腔中每经过1次往返，即次往返，即经过经过2次反射后，光强都要改变次反射后，光强都要改变 倍。如倍。如 小于小于1，就意味着往返一次后光强减弱，来回多次，就意味着往返一次后光强减弱，来回多次反射后，它将变得越来越弱，因而不可能建立激光反射后，它将变得越来越弱，因而不可能建立激光振荡。振荡。只有当粒子反转数达到一定数值时，光的增益系只有当粒子反转数达到一定数值时，光的增益系数才足够大。因此，实现光振荡并输出激光，除了数才足够大。

20、因此，实现光振荡并输出激光，除了具备具备合适的工作物质和稳定的光学谐振腔合适的工作物质和稳定的光学谐振腔外，还必外，还必须须减少损耗，加快泵浦抽运速率减少损耗，加快泵浦抽运速率，从而使粒子反转，从而使粒子反转数达到产生激光的阈值条件。数达到产生激光的阈值条件。2021/9/12292.3.3 激光器组成激光器组成工作物质工作物质(基质和激活离子基质和激活离子)激励源激励源(泵浦泵浦)光学谐振腔光学谐振腔2021/9/1230光学谐振腔：光学谐振腔：通过工作物质对激光提供反馈，以激发更多的光发射。通过工作物质对激光提供反馈，以激发更多的光发射。工作物质：工作物质：能够借外来能源激励实现粒子数反转

21、并产生受激辐能够借外来能源激励实现粒子数反转并产生受激辐射放大作用的物质系统，包括固体射放大作用的物质系统，包括固体(晶体、玻璃晶体、玻璃)、气体、气体(原子气原子气体、离子气体、分子气体体、离子气体、分子气体)、液体和半导体等。、液体和半导体等。激光器利用激光器利用泵浦泵浦(闪光灯或另一种激光器以及气体放电激励、化学闪光灯或另一种激光器以及气体放电激励、化学激励、核能激励激励、核能激励)等激发源激发工作物质实现激射。等激发源激发工作物质实现激射。2021/9/1231工作物质工作物质激光器最重要的部分是激光器最重要的部分是工作物质工作物质，包括，包括激活离子激活离子和和基质基质。用过渡金属离

22、子（如用过渡金属离子（如Cr3+）激活的三能级激光晶体，如）激活的三能级激光晶体，如Cr3+：Al2O3氧化物激光晶体氧化物激光晶体固体激光器材料固体激光器材料用稀土离子（如用稀土离子（如Nd3+）氟化物激光晶体氟化物激光晶体激活的四能级体系激活的四能级体系复合石榴石激光晶体复合石榴石激光晶体激光玻璃（钕玻璃）激光玻璃（钕玻璃）色心激光晶体（如色心激光晶体（如LiF，KCl）原子气体原子气体气体激光器材料离子气体（氩离子、氪离子）气体激光器材料离子气体（氩离子、氪离子）工分子气体（工分子气体（CO2、CO、N2分子）分子）作作准分子气体（准分子气体（XeF、KrF）物物有机荧光染料（如罗丹明有

23、机荧光染料（如罗丹明6B）质质液体激光器材料液体激光器材料稀土螯合物（如稀土螯合物（如Eu(TTA)3、Eu(BTF)4）钕氧氯化硒（钕氧氯化硒（Nd3+：SeOCl2）半导体激光器材料：可见光激光管材料（如半导体激光器材料：可见光激光管材料（如AlGaAs）红外激光管材料（红外激光管材料（GaAs、Pb1XSnXTe）非线性光学材料（非线性光学材料（LiNbO3）激光器辅助材料窗口、透镜材料（如激光器辅助材料窗口、透镜材料（如GaAs、ZnSe）抗反射涂层（抗反射涂层（ZrO2、SiO2、TiO2、MgF2等等）其它其它2021/9/12322.3.4 激光的特性激光的特性方向性方向性单色性

24、单色性相干性相干性能量高度集中能量高度集中+2021/9/1233方向性强方向性强 方向性即激光束的指向性，常以光束的发散角大小来评方向性即激光束的指向性，常以光束的发散角大小来评价。它与价。它与激光器的工作物质种类和谐振腔的形式激光器的工作物质种类和谐振腔的形式有关。有关。气体激光器气体激光器工作物质均匀性好，谐振腔长，光束的方向工作物质均匀性好，谐振腔长，光束的方向性最强，发散角在性最强，发散角在10-310-4弧度。其中氦氖激光束发散角弧度。其中氦氖激光束发散角最小。最小。固体和液体激光器固体和液体激光器工作物质均匀性较差，谐振腔较短，工作物质均匀性较差，谐振腔较短，光束发散角较大，在光

25、束发散角较大，在10-2弧度范围。弧度范围。半导体激光器半导体激光器以晶体解理面为反射镜，形成的谐振腔非以晶体解理面为反射镜，形成的谐振腔非常短，光束方向性最差。常短，光束方向性最差。2021/9/1234单色性好单色性好 单色性为光源发出的光强按频率（或波长）分布单色性为光源发出的光强按频率（或波长）分布曲线狭窄的程度，通常用曲线狭窄的程度，通常用频谱分布的宽度频谱分布的宽度即线宽来描即线宽来描述。线宽越窄，光源的单色性越好。述。线宽越窄，光源的单色性越好。普通光源的发光是由大量能级间的辐射跃迁，其谱线普通光源的发光是由大量能级间的辐射跃迁，其谱线很宽，呈连续或准连续分布，是多种波长的光。很

26、宽，呈连续或准连续分布，是多种波长的光。激光的单色性好，一些气体激光器，如氦氖激光，谱激光的单色性好，一些气体激光器，如氦氖激光，谱线宽度较窄，不到线宽度较窄，不到10-8nm。这比普通光源中单色性最。这比普通光源中单色性最好的氪等的谱线窄数万倍。好的氪等的谱线窄数万倍。2021/9/1235 激光的单色性是因为激光的单色性是因为：（1）激光器的）激光器的受激辐射受激辐射发生在荧光谱线固定的发生在荧光谱线固定的两能级之间，两能级之间，只有频率满足一定条件的光波才只有频率满足一定条件的光波才能得到放大；能得到放大；（2）激光）激光谐振腔的干涉作用谐振腔的干涉作用使得只有那些满足使得只有那些满足谐

27、振腔共振条件的频率，并且又落在工作物质谱谐振腔共振条件的频率，并且又落在工作物质谱线宽度内的光振荡才能形成激光输出。线宽度内的光振荡才能形成激光输出。激光单色性受激光单色性受工作物质的种类工作物质的种类和和谐振腔性能谐振腔性能的的影响。气体激光束单色性较好，谱线宽度半宽值影响。气体激光束单色性较好，谱线宽度半宽值小到小到103Hz。固体激光单色性较差，半导体激光。固体激光单色性较差，半导体激光器单色性最差。器单色性最差。2021/9/1236相干性高相干性高光的相干性，是指在空间任意两点光振动之间相互关联光的相干性，是指在空间任意两点光振动之间相互关联的程度。的程度。普通光源发光都是自发辐射过

28、程，每个发光原子都是一普通光源发光都是自发辐射过程，每个发光原子都是一个独立的发光体，相互之间没有关系，光子发射杂乱无个独立的发光体，相互之间没有关系，光子发射杂乱无章，因此相干性很低。激光是受激辐射产生的，发射的章，因此相干性很低。激光是受激辐射产生的，发射的光子具有相同的频率、位相和方向，因而相干性很高。光子具有相同的频率、位相和方向，因而相干性很高。光束的单色性与相干性是一致的光束的单色性与相干性是一致的，气体激光的相干性优，气体激光的相干性优于固体激光，例如，氦氖激光的相干波长可达数百米。于固体激光，例如，氦氖激光的相干波长可达数百米。2021/9/1237功率密度大功率密度大对于可见

29、光波段的激光而言，光束的高功率密度表现为对于可见光波段的激光而言，光束的高功率密度表现为亮度大。亮度大。激光的亮度高是因其发光面积小，而且光束发散角也极激光的亮度高是因其发光面积小，而且光束发散角也极小的缘故。例如一台输出仅小的缘故。例如一台输出仅1mW的氦氖激光器发出的光的氦氖激光器发出的光也比太阳表面亮度高出也比太阳表面亮度高出100倍。倍。2021/9/1238激光的功率密度大是通过光能在空间的高度集激光的功率密度大是通过光能在空间的高度集中实现的。如果将激光发射的时间尽量缩短可中实现的。如果将激光发射的时间尽量缩短可以获得更高的峰值功率。以获得更高的峰值功率。用用调调Q或或锁模技术锁模

30、技术可使激光器在毫微秒（可使激光器在毫微秒（ns）或微微秒（或微微秒（ps）的极短时间内释放原来用数毫）的极短时间内释放原来用数毫秒释放的能量，可获得兆瓦级峰值功率。秒释放的能量，可获得兆瓦级峰值功率。采用一定的技术和装置采用一定的技术和装置控制激光器谐振腔的控制激光器谐振腔的Q值按一定值按一定的程序和规律变化，从而达到改善激光器的程序和规律变化，从而达到改善激光器输出光脉冲的功率和时间特性，获得输出光脉冲的功率和时间特性，获得激光巨脉冲的目的的技术激光巨脉冲的目的的技术调调Q技术技术。通常的激光器，通常的激光器，一般都呈现为多个纵模一般都呈现为多个纵模同时振荡输出。用同时振荡输出。用锁模技术

31、锁模技术对激光束进行特殊的调制，使对激光束进行特殊的调制，使不同的振荡模间的频率差保持一不同的振荡模间的频率差保持一定，并具有确定的相位关系，定，并具有确定的相位关系，诸振荡模相干叠加，激光器诸振荡模相干叠加，激光器将输出一列时间间隔将输出一列时间间隔一定的超短脉冲。一定的超短脉冲。2021/9/12391961年提出了年提出了调调Q概念，即设想把全部光辐射能压缩概念，即设想把全部光辐射能压缩到极窄的脉冲中发射；到极窄的脉冲中发射；1962年，制成了第一台调年，制成了第一台调Q激激光器，输出峰值功率为光器，输出峰值功率为600千瓦，脉冲宽度为千瓦，脉冲宽度为10-7s量量级；随后的几年发展的非

32、常快，出现了多种调级；随后的几年发展的非常快，出现了多种调Q方法方法（如（如电光调电光调Q、声光调声光调Q、可饱和吸收调可饱和吸收调Q等），输等），输出功率几乎呈直线上升，脉宽压缩也取得了很大进展；出功率几乎呈直线上升，脉宽压缩也取得了很大进展；到了到了80年代，调年代，调Q技术产生脉宽为纳秒（技术产生脉宽为纳秒（ns）量级，）量级，峰值功率为吉瓦（峰值功率为吉瓦（GW）量级的巨脉冲已并非困难。）量级的巨脉冲已并非困难。调调Q技术的出现是激光发展史上的一个重大突破。它技术的出现是激光发展史上的一个重大突破。它不仅大大推动了上述一些应用技术的发展而且成为科不仅大大推动了上述一些应用技术的发展而且

33、成为科学研究的有力工具，但是调学研究的有力工具，但是调Q技术压缩脉冲因受产生技术压缩脉冲因受产生机制的制约，很难再进一步压窄。机制的制约，很难再进一步压窄。2021/9/12401964年，又提出并实现了压缩脉宽、提高功率的新年，又提出并实现了压缩脉宽、提高功率的新机制机制锁模技术锁模技术，由于它能使脉冲的持续时间压，由于它能使脉冲的持续时间压缩到皮秒（缩到皮秒（ps，10-12s）量级，所以也称为超短脉冲）量级，所以也称为超短脉冲技术，从技术，从60年代到年代到70年代，超短脉冲技术（包括年代，超短脉冲技术（包括主主动锁模动锁模、被动锁模被动锁模、同步泵浦锁模同步泵浦锁模等相应的测量技等相应

34、的测量技术）得到了迅速的发展；到术）得到了迅速的发展；到80年代初，年代初，Fork等人又等人又提出了提出了碰撞锁模碰撞锁模理论，而且实现了碰撞锁模，得到理论，而且实现了碰撞锁模，得到了了90fs的光脉冲序列。的光脉冲序列。90年代，年代，自锁模技术自锁模技术的出现，的出现，在钛蓝宝石自锁模激光器中得到了在钛蓝宝石自锁模激光器中得到了8.5fs的超短脉冲的超短脉冲序列。锁模技术能产生脉宽为飞秒（序列。锁模技术能产生脉宽为飞秒（fs，10-15s）、）、峰值功率为太瓦（峰值功率为太瓦（TW,1012W）以上的超短脉冲，为）以上的超短脉冲，为物理学、化学、生物学以及光谱学等学科对微观世物理学、化学

35、、生物学以及光谱学等学科对微观世界和超快过程的研究提供了重要手段。界和超快过程的研究提供了重要手段。2021/9/12412.3.5 激光器的种类激光器的种类激光器的分类激光器的分类激励方式激励方式工作物质工作物质工作方式工作方式输出波长输出波长谐振腔结构谐振腔结构2021/9/1242工作物质工作物质：固体激光器、气体激光器、液体激光：固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器、自由电子激光器；器、半导体激光器、自由电子激光器；工作方式工作方式：连续激光器、脉冲激光器、超短脉冲激：连续激光器、脉冲激光器、超短脉冲激光器、可调谐激光器；光器、可调谐激光器；激光波长激光波长：红外光激光器、

36、可见光激光器、紫外：红外光激光器、可见光激光器、紫外光激光器、毫米波激光器、光激光器、毫米波激光器、X X射线激光器；射线激光器；激励方式激励方式：电激励激光器、光泵浦激光：电激励激光器、光泵浦激光器、热能激励激光器、化学激光器；器、热能激励激光器、化学激光器；谐振腔结构谐振腔结构：内腔激光器、外腔激光器、环形腔激光：内腔激光器、外腔激光器、环形腔激光器、光纤激光器、薄膜激光器、分布反馈激光器；器、光纤激光器、薄膜激光器、分布反馈激光器；2021/9/12432.3.6 激光材料激光材料 气体激光器气体激光器 固体激光器固体激光器 液体激光器液体激光器 半导体激光器半导体激光器2021/9/1

37、2442.3.6.1 2.3.6.1 2.3.6.1 2.3.6.1 气体激光器气体激光器气体激光器气体激光器气体激光器气体激光器是以是以气体或蒸气气体或蒸气为工作物质的激光器，为工作物质的激光器，是目前种类最多、波长分布区域最宽、应用最广是目前种类最多、波长分布区域最宽、应用最广的一类激光器，已观察到近万条激光谱线，其波的一类激光器，已观察到近万条激光谱线，其波长覆盖从紫外到红外的整个光谱区域，并扩展到长覆盖从紫外到红外的整个光谱区域，并扩展到X X射线波段和毫米波波段。气体激光器具有射线波段和毫米波波段。气体激光器具有输出输出光束质量高光束质量高、转换效率高转换效率高、结构简单结构简单、造

38、价低廉造价低廉等优点。被广泛应用于工农业、国防、医学及其等优点。被广泛应用于工农业、国防、医学及其他科研领域等。他科研领域等。2021/9/1245气体激光器激励方式气体激光器激励方式光激励光激励热激励热激励化学能激励化学能激励电激励电激励气体放电气体放电电子束激励电子束激励气体激光器最主要的激励方式气体激光器最主要的激励方式2021/9/1246气体放电激励气体放电激励在高压电场下，气体粒子发生电离而导电，在导电过程在高压电场下，气体粒子发生电离而导电，在导电过程中，高速电子与气体粒子（原子、分子、离子）碰撞，中，高速电子与气体粒子（原子、分子、离子）碰撞，使后者激发到高能级，形成粒子数反转

39、。气体放电分为使后者激发到高能级，形成粒子数反转。气体放电分为直流或交流连续放电直流或交流连续放电、射频放电射频放电和和脉冲放电脉冲放电等。等。光激励光激励指用特定波段的光照射工作物质，在吸收对应波长的光指用特定波段的光照射工作物质，在吸收对应波长的光能后，产生粒子数反转。光激励的气体激光器主要工作能后，产生粒子数反转。光激励的气体激光器主要工作于于远红外远红外和和亚毫米亚毫米波段的激光器。波段的激光器。2021/9/1247热激励热激励化学能激励化学能激励利用某些工作物质本身发生化学反应所释放的能量来激励工利用某些工作物质本身发生化学反应所释放的能量来激励工作物质，建立粒子数反转而实现受激辐

40、射。采用化学能激励作物质，建立粒子数反转而实现受激辐射。采用化学能激励的激光器称为的激光器称为化学激光器化学激光器，其最大特点是将，其最大特点是将化学能直接转换化学能直接转换成激光成激光，原则上不需外加电源或光源最为激励原。，原则上不需外加电源或光源最为激励原。采用某种高温加热的方式使整个气体工作物质体系温度采用某种高温加热的方式使整个气体工作物质体系温度升高，从而使较多的粒子处于高能级状态，然后再通过升高，从而使较多的粒子处于高能级状态，然后再通过某种方式，如气体绝热膨胀方式，使热弛豫时间较短的某种方式，如气体绝热膨胀方式，使热弛豫时间较短的某些较低能级上的粒子倒空，而热弛豫时间较长的某些某

41、些较低能级上的粒子倒空，而热弛豫时间较长的某些较高能级上的粒子得以积累，从而实现粒子数反转。较高能级上的粒子得以积累，从而实现粒子数反转。2021/9/1248气体激光器气体激光器 原子激光器，离子激原子激光器，离子激光器，分子激光器，准分子激光器。光器，分子激光器，准分子激光器。原子激光器原子激光器：以：以氦氦氖激光器氖激光器为代表，这种激光为代表，这种激光器大都是连续工作方式，输出功率在器大都是连续工作方式，输出功率在100mW以下，以下，多用于检测和干涉计量。多用于检测和干涉计量。离子激光器离子激光器：以：以氩离子激光器氩离子激光器为代表，这种激光为代表，这种激光器可以发射较强的连续功率

42、激光，功率可达几十瓦，器可以发射较强的连续功率激光，功率可达几十瓦，是可见光中的重要激光器件，多用于扫描，医学及是可见光中的重要激光器件，多用于扫描，医学及全息学等方面。全息学等方面。2021/9/1249分子激光器分子激光器：以：以CO2激光器激光器为代表，因红外波长激光为代表，因红外波长激光的热效应高，故多用于激光刀，医疗，机械加工方面，的热效应高，故多用于激光刀，医疗，机械加工方面，还用于测距，通信。还用于测距，通信。准分子激光器准分子激光器：特点特点发光都在紫外波段。发光都在紫外波段。用途用途用于微细加工，光刻及医学。用于微细加工，光刻及医学。原理原理不是分子固有能级跃迁发光，而是当两

43、种元素不是分子固有能级跃迁发光，而是当两种元素的原子被高能量的电脉冲激励时，两种元素的原子在的原子被高能量的电脉冲激励时，两种元素的原子在瞬态结合成的准分子的能级间跃迁产生的受激发光。瞬态结合成的准分子的能级间跃迁产生的受激发光。发光后，分子很快分解成原子。发光后，分子很快分解成原子。2021/9/1250气体原子激光器气体原子激光器输出谱线：输出谱线：632.8nm，1.15m，3.39m，以，以632.8nm为最常见。为最常见。功率在功率在mW级，最大级，最大1W光束质量好，发散角可小于光束质量好，发散角可小于1mrad单色性好，带宽可小于单色性好，带宽可小于20Hz稳定性高稳定性高He-

44、Ne激光器激光器He-Ne激光器是最早问世的气体激光器，主要波段在激光器是最早问世的气体激光器，主要波段在可见光区或近红外区，具有可见光区或近红外区，具有输出光束质量好输出光束质量好、输出功输出功率和频率稳定度高率和频率稳定度高、结构简单紧凑结构简单紧凑等特点，寿命可达等特点，寿命可达数万小时。数万小时。2021/9/1251Ne原子的原子的3S2P、3S3P和和2S2P能能级之间获得级之间获得100多条谱多条谱线，其中最强的三条线，其中最强的三条谱线：谱线：632.8nm，3.39m和和1.15m，分，分别对应别对应于能于能级级3S22P4、3S23P4和和2S22P4之之间间的的跃跃迁。迁

45、。He-Ne原子能级结构原子能级结构2021/9/1252He-Ne激光器属典型的四能级系统，激光器属典型的四能级系统，Ne原子原子激光上能级的激发主要有两个过程：激光上能级的激发主要有两个过程：a.电子碰撞直接激发电子碰撞直接激发Ne（1S0）+eNe（3S、2S）+eb.He-Ne能量共振转移过程能量共振转移过程He（1S0）+eHe*（21S0、23S1）+eHe*（21S0、23S1）+Ne（1S0）He（1S0）+Ne*（2S2、3S2）E过程过程b激发激发Ne的速率是过程的速率是过程a激发速率的激发速率的6080倍倍2021/9/1253He-Ne激光器结构形式和实物图激光器结构形

46、式和实物图He-Ne激光器结构激光器结构2021/9/1254组成组成放电管放电管电极电极光学谐振腔光学谐振腔毛细管：放电工作增益区毛细管：放电工作增益区贮气管：增加工作气体总量贮气管：增加工作气体总量采用采用冷阴极冷阴极形式，通常为铝或者铝合金；阳极为钨形式，通常为铝或者铝合金；阳极为钨针。针。一般采用一般采用直流放电直流放电激励。放电长度为激励。放电长度为1m激光器，激光器，起辉电压起辉电压8000V，工作电流几毫安至几百毫安。，工作电流几毫安至几百毫安。由一对高反射率的由一对高反射率的多层介质膜反射镜多层介质膜反射镜组成，一组成，一般采用般采用平凹腔平凹腔形式。输出平面镜透过率形式。输出

47、平面镜透过率12%，凹面全反镜的反射率接近凹面全反镜的反射率接近100%。2021/9/1255Cu原子蒸气激光器原子蒸气激光器金属蒸气激光器金属蒸气激光器是利用被加热的金属蒸气为工作物质是利用被加热的金属蒸气为工作物质的激光器，包括的激光器，包括金属蒸气原子激光器金属蒸气原子激光器和和金属蒸气离子金属蒸气离子激光器激光器两大类。前者包括铜、金、锰、铅和锌等。两大类。前者包括铜、金、锰、铅和锌等。Cu原子激光器是典型的自终止跃迁激光器。原子激光器是典型的自终止跃迁激光器。自终止（自限）跃迁方式自终止（自限）跃迁方式通常发生于中性原子系统中，原子的第一激发共振能级通常发生于中性原子系统中，原子的

48、第一激发共振能级具有最大的电子碰撞激发截面，选为激光上能级，而激具有最大的电子碰撞激发截面，选为激光上能级，而激光下能级为亚稳能级，系统在短脉冲电流激发下，形成光下能级为亚稳能级，系统在短脉冲电流激发下，形成瞬态粒子数反转，由于亚稳能级的禁戒跃迁性质，系统瞬态粒子数反转，由于亚稳能级的禁戒跃迁性质，系统很快不满足激光振荡条件，跃迁自行终止，所以只能以很快不满足激光振荡条件，跃迁自行终止，所以只能以脉冲形式运转脉冲形式运转。2021/9/1256Cu原子能级结构原子能级结构Cu原子有两条主要激光原子有两条主要激光跃迁线：跃迁线：510.6nm（绿）（绿）2P3/22D5/2578.2nm（黄）（

49、黄）2P1/22D3/2Cu原子能级结构和激光跃迁原子能级结构和激光跃迁2021/9/1257分子气体激光器分子气体激光器波长波长911m，最常见，最常见10.6m效率高效率高光束质量好光束质量好功率范围大（几瓦数十万瓦）功率范围大（几瓦数十万瓦）运行方式多样运行方式多样结构多样结构多样CO2激光器激光器CO2激光器是最重要、应用最广泛的激光器，其连续激光器是最重要、应用最广泛的激光器，其连续波输出功率达数十万瓦，脉冲输出能量达数万焦耳，波输出功率达数十万瓦，脉冲输出能量达数万焦耳，脉冲功率达脉冲功率达1012W，能量转换效率达，能量转换效率达2025%。2021/9/1258CO2分子是线性

50、对称分子是线性对称排列的三原子分子，排列的三原子分子，有一条对称轴以及垂有一条对称轴以及垂直于对称轴的对称平直于对称轴的对称平面。具有三种基本振面。具有三种基本振动方式：动方式：对对称振称振动动（1 1）形形变变振振动动（2 2）反反对对称振称振动动（3 3）CO2分子的振动能级可用振动量子数来表示。分子的振动能级可用振动量子数来表示。2021/9/1259CO2分子能级结构分子能级结构10.6m000110009.6m000102002021/9/1260CO2激光器类型封离型纵向激励封离型纵向激励CO2激光器激光器高功率轴快流高功率轴快流CO2激光器激光器高功率横流高功率横流CO2激光器激