东华理工大学第十四讲 固体激光材料
固体物理学课程综述
固体物理学课程综述固体物理学是20世纪物理学发展最快的一门学科，几十年来，以固体物理学的能带理论为基础，科学家在半导体、激光、超导、磁学等现代科学研究方面取得了重大突破，有关研究成果已经迅速转化为生产力，并带动了整个信息科学技术群的高速发展。
第一章、晶体结构1、晶体的宏观特性1、长程有序：晶体内部的原子的排列是按照一定得规则排列的。
这种至少在微米级范围内的规则排列称为长程有序。
长程有序是晶体材料具有的共同特征。
在熔化过程中，晶体长程有序解体时对应一定得熔点。
2、自限性与解理性：晶体具有自发形成封闭多面体的性质称为晶体的自限性。
晶体外形上的这种特性是晶体内部原子有序排列的反应。
一个理想完整的晶体，相应地晶体面具有相同的面积。
晶体具有沿某些确定方位的晶面劈裂的性质称为晶体的解理性，相应地晶面称为解理面。
3、晶面角守恒：由于生长条件的不同，同一种晶体外形会有一定得差异，但相应的两晶面之间的夹角却总是恒定的。
即属于同种晶体的两个对应晶面之间夹角恒定不变的规律称为晶面守恒定律。
4、各向异性：晶体的物理性质在不同方向上存在着差异的现象称为晶体的各向异性。
晶体的晶面往往排列成带状，晶面间的交线互相平行，这些晶面的组合称为晶带，晶棱的共同方向称为该晶带的带轴。
由于各向异性，在不同带轴方向上，晶体的物理性质是不同的。
晶体的各向异性是晶体区别于非晶体的重要特性。
因此对于一个给定的晶体，其弹性常数、压力常数、介电常数、电阻率等一般不再是一个确定的常数。
通常要用张量来表述。
2、固体物理学原胞（原胞）与布拉维原胞（晶胞、结晶学原胞）的区别答：晶格具有三维周期性，因此可取一个以结点为顶点、边长分别为3个不同方向上的平行六面体作为重复单元来反映晶格的周期性，这个体积最小的重复单元称为固体物理学原胞，简称原胞。
在同一晶格中原胞的选取不是唯一的，但他们的体积都是相等的。
为了反映周期性的同时，还要反映每种晶体的对称性，因而所选取的重复单元的体积不一定最小。
固体发光课件
根据激发方式的不同，固体发光 可分为光致发光、电致发光、阴 极射线发光、化学发光和生物发 光等。
固体发光物质结构
晶体结构
固体发光物质多为晶体，其内部原子 或分子按一定规律排列，形成周期性 结构。
能级结构
固体发光物质的能级结构包括基态和 激发态，激发态的能量高于基态，当 物质吸收能量后，电子从基态跃迁到 激发态。
生物医学领域应用前景展望
生物成像
01
利用固体发光材料的荧光特性，进行生物标记和成像，可用于
研究细胞、组织等生物样本的结构和功能。
生物传感
02
将固体发光材料与生物分子相结合，构建生物传感器件，用于
检测生物分子、离子等物质的含量和变化。
光动力治疗
03
利用固体发光材料产生的光能，激活光敏剂并产生毒性作用，
材料性能参数及影响因素
发光效率
发光效率是衡量固体发光材料性能的重要指标， 包括量子效率和流明效率。量子效率表示发光的 量子数与吸收的量子数之比，流明效率则表示发 光的亮度与输入的电功率之比。
余辉时间
余辉时间是指发光材料在停止激发后，发光强度 衰减到初始强度的1/e所需的时间。长余辉材料在 夜间或暗环境下具有良好的指示和装饰效果。
发光颜色
发光颜色由材料的能级结构和发光机制决定，可 以通过改变材料的组成、结构或掺杂元素等方式 实现发光颜色的调控。
热稳定性
热稳定性是指固体发光材料在高温环境下的发光 性能保持能力。良好的热稳定性有助于提高材料 的可靠性和使用寿命。
新型固体发光材料研究进展
钙钛矿发光材料
钙钛矿是一类具有优异光电性能的材料，近年来在固体发光领域取得了重要进展。通过调 控钙钛矿的组成和结构，可以实现高效、稳定的固体发光。
第五章 LA-ICP-MS-东华理工大学TJH(1)
第五章微量元素分析-单矿物微量元素分析（LA-ICP-MS）内容一LA-ICP-MS概况二激光剥蚀器系统结构三激光器类型四元素分馏效应五LA-ICP-MS的应用广州地球化学研究所LA-ICP-MS一LA-ICP-MS 概况中国地质大学（武汉）国家重点实验室LA-ICP-MS 分室Agilent 7500a ICP-MSExcimer LaserL aser A blation (C oupled P lasma简称：LA-ICP-MS, LAM-ICP-MSLA-ICPMS, LAM-ICPMSz制样简单z高灵敏度z低背景z谱图简单z低检出限L i B e B N aM g A l P kC aS c T i V C rM n F eC o N iC u Z n 0.0010.010.1L i m i t o f dMajor methods of microanalysisElectron microprobe（EMP）：>0.1% Ion probe including SHRIMP、Cameca：Expensive and slowLA-ICP-MS: Less expensive, fast其基本原理是将激光微束聚焦于样品表面使之熔蚀气化，由载气将剥蚀下来的微粒载入到等离子体中电离，再经质谱系统分析检测。
激光剥蚀是把固体裂解为蒸气和微小颗粒物的物理过程。
Mo LaCe PrNd Sm Th UK Ca Sc Ti VCr Mn Fe Ge As Se CsBa Hf Ta WReRb Sr YZr Nb Mo Ru Sb Te二激光剥蚀器系统结构该系统主要由光束传输光学系统、样品池（剥蚀室）和观察系统组成。
光束传输光学系统是由一个或更多的介电反射镜组成，其作用是把光束反射至聚焦物镜上。
光束传输系统可以通过聚焦或散焦作用，改变和控制剥蚀孔径的大小。
样品池是一个带有光学窗口的石英或光学的玻璃室，玻璃室中有一个样品固定台，不用在空气中打开样品室就可以旋转或在X-Y方向移动。
固体激光器原理
固体激光器原理引言固体激光器是一种基于固体材料的激光器，它利用固体材料中的激发态粒子在受激辐射的作用下发射出一束相干的激光。
固体激光器具有高效率、高能量、高稳定性等优点，广泛应用于材料加工、医学领域、科学研究等方面。
本文将介绍固体激光器的原理以及其工作过程。
原理固体激光器的工作原理基于受激辐射的过程。
当固体材料被外部能量激发时，其原子或分子的能级结构发生改变，使得一些电子被激发到高能级，形成激发态。
这些激发态的电子在适当的条件下会发生跃迁回到基态，并释放出激光光子。
这个过程称为受激辐射。
固体激光器的关键部分是激光介质。
激光介质通常由具有激发态和基态之间能级跃迁的活性离子组成。
这些活性离子可以是稀土离子（如Nd3+、Er3+）或过渡金属离子（如Cr3+、Ti3+）。
在激光介质中，这些离子被激发到激发态，然后通过受激辐射过程发射出激光光子。
为了实现受激辐射和激光放大，固体激光器通常采用光泵浦的方式来向激光介质提供能量。
光泵浦可以通过闪光灯、半导体激光器或其他激光器来实现。
光泵浦的作用是将能量传递给激光介质，从而激发其中的离子跃迁到激发态。
一旦离子处于激发态，它们就会在受激辐射的作用下发射出激光光子。
固体激光器中的激光光子在两个镜子之间被反射，形成一个光学腔。
这个光学腔通过选择性反射，使得激光光子在腔内多次来回反射，逐渐放大。
这个过程被称为光学放大。
最终，激光光子从一个镜子中逃逸，形成一束相干、高强度的激光束。
工作过程固体激光器的工作过程可以概括为以下几个步骤：1.光泵浦：通过光泵浦的方式向激光介质提供能量，将其中的离子激发到激发态。
2.受激辐射：激发态的离子通过受激辐射过程发射出激光光子。
3.光学放大：激光光子在光学腔中多次来回反射，逐渐放大。
4.激光输出：激光光子从一个镜子中逃逸，形成激光束输出。
固体激光器的工作过程需要维持适当的能量供应和光学腔的稳定性。
光泵浦的能量需要满足激发离子到激发态的能量需求，而光学腔的稳定性可以通过优化腔内的补偿装置和调节器件来实现。
固体激光器的原理及应用
产生激光有三个必要的条件[2]：
1）有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质,其激活粒子（原子、分子或离子）有适合于产生受激辐射的能级结构；
2）有外界激励源,将下能级的粒子抽运到上能级,使激光上下能级之间产生粒子数反转；
3）有光学谐振腔,增长激活介质的工作长度,控制光束的传播方向,选择被放大的受激辐射光频率以提高单色性。
如表1是我国激光器的发展。
1.2.3激光器的分类
1960年，梅曼首次在实验室用红宝石晶体获得了激光输出，开创了激光发展的先河。此后，激光器件和技术获得了突飞猛进的发展，相继出现了种类繁多的激光器。
2）相干性好：由于受激辐射的光子在相位上是一致的,再加之谐振腔的选模作用,使激光束横截面上各点间有固定的相位关系,所以激光的空间相干性很好（由自发辐射产生的普通光是非相干光）。激光为我们提供了最好的相干光源。正是由于激光器的问世，才促使相干技术获得飞跃发展，全息技术才得以实现。
3）方向性好：激光束的发散角很小,几乎是一平行的光线,激光照射到月球上形成的光斑直径仅有1公里左右。而普通光源发出的光射向四面八方,为了将普通光沿某个方向集中起来常使用聚光装置,但即便是最好的探照灯,如将其光投射到月球上，光斑直径将扩大到1 000公里以上。
1.1.3激光的特性
激光的发射原理及产生过程的特殊性决定了激光具有普通光所不具有的特点：即三好（单色性好、相干性好、方向性好）一高（亮度高）。
1）单色性好：普通光源发射的光子,在频率上是各不相同的,所以包含有各种颜色。而激光发射的各个光子频率相同,因此激光是最好的单色光源。
由于光的生物效应强烈地依赖于光的波长,使得激光的单色性在临床选择性治疗上获得重要应用。此外,激光的单色特性在光谱技术及光学测量中也得到广泛应用,已成为基础医学研究与临床诊断的重要手段。
固体激光器的工作原理
固体激光器的工作原理
固体激光器是一种利用固体材料作为工作介质产生激光的装置。
它的工作原理是通过激发固体材料中的原子或分子，使其处于激发态，然后在激发态和基态之间进行能级跃迁，产生激光输出。
固体
激光器通常由泵浦源、固体激发材料和谐振腔三部分组成。
首先，固体激光器的泵浦源通常采用激光二极管或者弧光灯等
高能量光源，用来提供能量以激发固体材料中的原子或分子。
这些
泵浦源产生的光能会被聚焦到固体激发材料上，激发材料吸收光能后，内部的原子或分子就会处于激发态。
其次，固体激光器的固体激发材料是产生激光的关键部分。
常
见的固体激发材料包括Nd:YAG晶体、Nd:YVO4晶体、Nd:glass等。
这些材料在受到泵浦源激发后，内部的原子或分子会处于激发态，
形成激发粒子团。
最后，固体激光器的谐振腔是激光放大和输出的关键部分。
谐
振腔由两个反射镜构成，其中一个是部分透射的输出镜，另一个是
全反射的输入镜。
激发粒子团在谐振腔中来回多次反射，不断受到
激发和放射，最终形成激光输出。
综上所述，固体激光器的工作原理是通过泵浦源激发固体激发材料中的原子或分子，使其处于激发态，然后在谐振腔内进行能级跃迁，产生激光输出。
固体激光器具有结构简单、稳定性好、寿命长的特点，被广泛应用于医疗、通信、材料加工等领域。
希望本文能够帮助大家更好地了解固体激光器的工作原理。
固体激光原理与技术综合实验
固体激光原理与技术综合实验半导体泵浦固体激光器（Diode-Pumped solid-state Laser，DPL），是以激光二极管（LD）代替闪光灯泵浦固体激光介质的固体激光器，具有效率高、体积小、寿命长等一系列优点，在光通信、激光雷达、激光医学、激光加工等方面有巨大应用前景，是未来固体激光器的发展方向。
本实验的目的是了解并掌握半导体泵浦固体激光器的工作原理、构成和调试技术，以及调Q、倍频等激光技术的原理和应用。
实验一半导体泵浦光源特性测量实验【实验目的】1．掌握半导体泵浦激光器的原理2．掌握半导体泵浦激光器的使用方法【实验仪器】半导体泵浦激光器、激光功率计、机械调整部件【实验原理】上世纪80年代起，生长半导体激光器（LD）技术得到了蓬勃发展，使得LD的功率和效率有了极大的提高，也极大地促进了DPSL技术的发展。
与闪光灯泵浦的固体激光器相比，DPSL的效率大大提高，体积大大减小。
在使用中，由于泵浦源LD的光束发散角较大，为使其聚焦在增益介质上，必须对泵浦光束进行光束变换（耦合）。
泵浦耦合方式主要有端面泵浦和侧面泵浦两种，其中端面泵浦方式适用于中小功率固体激光器，具有体积小、结构简单、空间模式匹配好等优点。
侧面泵浦方式主要应用于大功率激光器。
本实验采用端面泵浦方式。
端面泵浦耦合通常有直接耦合和间接耦合两种方式，如下：（图1）直接耦合：将半导体激光器的发光面紧贴增益介质，使泵浦光束在尚未发散开之前便被增益介质吸收，泵浦源和增益介质之间无光学系统，这种耦合方式称为直接耦合方式。
直接耦合方式结构紧凑，但是在实际应用中较难实现，并且容易对LD造成损伤。
间接耦合：指先将半导体激光器输出的光束进行准直、整形，再进行端面泵浦。
本实验采用间接耦合方式，间接耦合常见的方法有三种，如下：a 组合透镜系统耦合：用球面透镜组合或者柱面透镜组合进行耦合。
b 自聚焦透镜耦合：由自聚焦透镜取代组合透镜进行耦合，优点是结构简单，准直光斑的大小取决于自聚焦透镜的数值孔径。
《固体激光器》课件
文化遗产激光保护
固体激光器可用于文化遗 产保护，如清洗和修复古 代文物。
固体激光器技术发展
1
发展历程
固体激光器技术经历了从Nd:YAG、Nd:YVO4等到新材料的不断研究和发展。
2
发展趋势
现代固体激光器技术将朝着高功率、高效能转换和短脉冲宽度的方向发展。
固体激光器的前景
发展前景
固体激光器在医疗、工业和科研等领域拥有 广阔的发展前景。
波长范围
固体激光器的波长范围广泛，可以涵盖可 见光、红外线等多个频段。
光束质量
固体激光器的光束质量通常表现为TEM00 等高斯模式。
固体激光器的应用领域
手术激光器
固体激光器广泛应用于激 光治疗和激光手术领域， 如眼科手术和皮肤美容。
工业激光器
固体激光器在切割、焊接、 打标等工业应用中具有重 要作用。
固体激光器与其他激光器的比较
固体激光器
气体激光器
优点
优点
• 高能量转换效率 • 稳定的输出功率和波长
• 大功率输出 • 可调的激光波长
半导体激光器
优点
• 小型、便携 • 高效能转换
固体激光器的构造
固体激光器主要由激光介质、泵浦源、光学谐振腔、输出耦合器等部分组成。激光介质通常是由 掺杂了激光离子的固体晶体或玻璃材料制成。
激光器发射的原理和过程
固体激光器的激光发射过程通常包括能量吸收、电子激发、激发态粒子寿命、激发态粒子跃迁等 多个步骤。最终产生的激光通过光学谐振腔和输出耦合器进行输出。
几千 瓦不等。
脉冲宽度
固体激光器可以产生纳秒、皮秒以及飞秒 级别的脉冲宽度。
什么是固体激光器？
固体激光器是一种基于固体材料的激光器，其工作介质是固态物质。它通过 在固体材料中产生激发态粒子来产生激光。
固体激光器原理及应用
编号赣南师范学院学士学位论文固体激光器原理及应用教学学院物理与电子信息学院届别 2010届专业电子科学与技术学号 060803013姓名丁志鹏指导老师邹万芳完成日期 2010.5.10目录摘要：固体激光器目前是用最广泛的激光器之一，它有着一些非常突出的优点。
介绍固体激光器的工作原理及应用，更能够加深对其的了解。
本论文先从基本原理和结构介绍固体激光器，接着介绍一些典型的固体激光器，最后介绍其在军事国防、工业技术、医疗美容等三个方面的应用及未来的发展方向。
(1)关键词：固体激光器基本原理基本结构应用 (1)Abstract:Solid-state laser is currently one of the most extensive laser,it has some very obvious advantages.The working principle of solid-state lasers and applications were described in the paper and it can enhance the understanding.In this paper, starting with the basic principles and structure of the introduced solid-state laser,and then some typical solid-state lasers and a presentation on its military defense,industrial technology,medical and cosmetic applications in three areas and future development direction were introduced (1)Key words:Solid-state Laser Basic Principle Basic Structure Application (1)1引用 (2)2激光与激光器 (2)2.1激光 (2)2.2激光器 (3)3固体激光器 (4)3.1工作原理和基本结构 (4)3.2典型的固体激光器 (8)3.3典型固体激光器的比较 (11)3.4固体激光器的优缺点 (12)4固体激光器的应用 (13)4.1军事国防 (13)4.2工业制造 (15)4.3医疗美容 (16)5结束语 (17)参考文献 (19)摘要：固体激光器目前是用最广泛的激光器之一，它有着一些非常突出的优点。
固体激光器ppt课件
§5.1.1 固体激光器的基本结构与工作物质
一、固体激光器的基本结构
1. 激光工作物质 2. 泵浦系统 3. 谐振腔 4. 冷却系统 5. 滤光系统
图5-1 固体激光器的基本结构示意图
长脉冲固体激光器的基本结构示意图(冷却、滤光系统未画出)
固体激光器的基本结构
激光二极管端面泵浦固体激光器结构示意图 激光二极管侧面泵浦固体激光器结构示意图
5.1.4 新型固体激光器
1. 半导体激光器泵浦的固体激光器 ➢半导体激光器泵浦固体激光器的结构，有如图(5-7)(a)所 示的端泵浦方式和图(5-7)(b)所示的侧泵浦方式。
图(5-7) 半导体激光器泵浦固体激光器的结构示意图
优点：模式匹配好， 阈值低，效率高 光束质量好
优点：可获得大功率输出
5.1.4 新型固体激光器
§5.1 固体激光器
固体激光器是以掺杂离子的绝缘晶体或玻璃作为工作物质的 激光器。
固体激光器主要特点： ① 运行方式多样。可在连续、脉冲、调Q及锁模下运行，获得
高平均功率、高重复频率、高单脉冲能量和高峰值功率； ② 能实现激光运转的固体工作物质多达数百种，激光谱线数千
条，多工作于可见光及红外光区，通过频率变换技术可到紫 外区； ③ 固体激光器系统简单，工作容易，传输灵活，可接光纤； ④ 结构紧凑，牢固耐用，价格低廉，应用前景广泛。 固体激光器应用： 目前固体激光器在激光应用中占有极其重要的地位，可用于 材料加工、激光测距、激光光谱学、激光医疗、激光化工、 激光分离同位素及激光核聚变等。
图(5-2) 红宝石中铬离子的吸收光谱
❖ 吸收特性与光的偏振状态有关（各向异性图(5导-3)致红宝）石中铬离子的能级结构 ❖ 红宝石晶体在可见光区有两个强吸收带：
发光材料与器件基础
譬如，n型半导体可以向导带提供足够的电子，但在价带中没有空穴，
因此不会发光。同样，p型半导体价带中有空穴，但其导带中却没有电
子，因此也不会发光。如果将n型半导体和p型半导体结合在一起形成一
个p-n结，那么可以在p-n结处促使激发态电子（来自n型半导体导带）
和空穴（来自p型半导体价带）复合。我们在p-n结处施加一个正偏向压，
跃迁。具有较大的理化能的施主杂质所发生的D→V跃迁应当低于能隙很
多，这就是深施主杂质跃迁 D→V过程。
C
C
C
E
D
DD
电子泵抽运造成 的电子-空穴对
DA
A
V
8
20V24/1/21V
V
V 电信系光电工程专业
2.2 固体光吸收的本质
C→A过程 本征半导体导带中的一个电子落在受主杂质原子上，
并使受主杂质原子电离化，这个过程的能量为Eg—EA。例如对GaAs来 说，许多受主杂质的EA为0.03ev，所以C→A过程应发生在1.49ev处。 实际上，在GaAs的发光光谱中，已观察到1.49ev处的弱发光谱线，它
图2.6 光导电晶体中载流子的生成和消失
17
2024/1/21
电信系光电工程专业
2.2 固体光吸收的本质
这样有光辐射激发产生的载流子，一方面在负荷中心消失掉，另一方面 在电场作用下可以移动一段距离后，再被陷阱俘获。如果外电场强度大， 则载流子再被陷阱所俘获之前在晶体中飘移的距离长、光电流强，但会 有一个饱和值（即初级光电流的最大值），图2.7为AgBr的情况。
电信系光电工程专业
2.2 固体光吸收的本质
图2.4 离子晶体的各种吸收光谱示意
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2024/1/21
普通物理学第七版 第十四章 激光和固体的量子理论简介
最外层价电子对应的能带为价带；该带可以是满 带, 也可以是被电子部分填充的；
价带之上的能带没有分布电子, 称为空带。
在相邻的两个能带之间, 可以有不存在电子稳
定能态的能量区域, 称为禁带。
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未排满电子的价带和紧靠价带的空带又称为导带。
晶体的能带结构图
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四、导体、半导体和绝缘体 按能带论, 不同的导电性能, 是因为它们的能带结 构不同。 绝缘体: 价带满，且禁带宽（ Eg=3～6 eV） 半导体: 价带满，但禁带窄（ Eg=0.1～1.5 eV）
4.相干性好 普通光源的相干长度约为1毫米至几十厘米, 激光可 达几十千米。
可用于光学实验、全息照相、全息存储等。
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激光测距、 Laser videodisc with 激光切割金属 雷达、制导 simulated laser beam
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五、激光冷却 1.运动着的原子→共振吸收光子 基态到激发态, 动量减小, 速度减小。 2.处于激发态的原子→自发辐射光子回到基态 虽然反冲会得到动量, 但自发辐射出的光子的方向 是随机的, 多次自发辐射平均下来并不增加原子的动 量。
杂质元素的五个价电子的四个 价电子与硅或锗形成共价键, 多提供的一个电子与杂质原子 结合较弱。
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可以证明: 多余电子的能级处在禁带中紧靠空带 处，该能级称为施主能级。
施主能级上的电子极易激发到导带底形成电子导电, 从而导电性大大增强。
n 型半导体以电子导电为主。
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在四价的本征半导体硅（Si）或锗（Ge）中掺入少 量三价的杂质元素硼（B）或镓（Ga）等形成空穴 型半导体称为 p 型半导体。
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BLT薄膜折射率和消光系数
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椭圆偏振光谱的优点
1.测试过程对于被测试样品损伤和破坏极小。 2.测量精度高. 椭偏光谱的工作原理虽然建立在经典
电磁波理论上,但实际上它有原子层级的灵敏度. 对 薄膜的测量准确度可以达到1nm,相当于单原子层 的厚度. 3.能同时分别测量出几个物理量. 椭偏光谱可直接得 到光学常数的实部和虚部,不需要K - K关系. 4.测量的速度很快. 5.对被测样品以及被测样品所处的环境条件无特殊要 求。
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洛伦兹振子模型
光与物质的相互作用，也就是固体对 光的响应可以看成阻尼振子体系在入射光 作用下的受迫振荡。
一个谐振子的运动方程可以表示为：
M * x M *x M *02xq0e E i t
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M N*q20
2i/ 122
复介电常数 rii能够用上面的公式表达，
折射率和消光系数用下面的公式表示：
n 1 2
2 r
i2
r
k 1 2
2 r
i2
r
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Bi3.25La0.75Ti3O12薄膜 ψ和Δ的光谱
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[3] Z. G. Hu, Structure and Optical Properties of Ferroelectric PbZr0.40Ti0.60O3 Films Grown on LaNiO3-Coated Platinized Silicon Determined by Infrared Spectroscopic Ellipsometry, J. Phys. Chem. C 2008, 112, 9737–9743
激光原理-第四章 半导体激光器
第二节 激发与复合辐射
若掺杂原子比材料原子少一个电子,则附加能级接近 价带,其上的空穴很容易进入价带,使价带中出现大量 过剩空穴,这种材料称为p型材料,而杂质称为受主。
掺杂的净效果是在导带和价带中形成过剩的自由载流 子。 P掺杂三价元素（杂质），载流子主要是空穴，而杂 质称为受主 N掺杂5价元素（杂质），载流子主要是电子,而杂质 称为施主 p型材料和n型材料接触时形成pn结,
式中,kpn 为声子波矢,k pn 一般比k小1个量级左右。
初态与末态相应于k空间不同点的电子跃迁称为非 竖直跃迁或间接跃迁。在这种跃迁中,发射或吸收一 个光子的同时,必须伴随发射或吸收一个适当波数的 声子,以满足动量守恒,因而属于二级过程。其几率比 属于一级过程的纯光跃迁小得多,故不适合用于激光 发射。
E
导带 Eg
满带
半导体的能带
第一节半导体的能带结构和电子状态
二、半导体中的电子状态 用量子力学确定孤立原子的电子能量和运动状态是通过求解薛定 鄂方程实现的。然而,由于固体中所含原子数量极大,对每个电 子求解薛定鄂方程是根本不可能, 只能采取某种近似的方法:
其相应的能量本征值为
h2k 2 E V 2me
1．满带（排满电子）(价带) 2．价带（价电子能级分离后形成的能带,能带中一部分能级排 满电子） 3. 导带 （未排满电子的价带） 3．空带（未排电子） 空带也是导带 4．禁带（不能排电子）
第一节半导体的能带结构和电子状态
半导体材料Si和Ge为例,每个原子有4个价电子,在原子状态中s态 和p态各2个。 由轨道杂化重新组合的两个能带中各含２Ｎ 各状态，较低的一 个正好容纳４Ｎ 个价电子， 所有的电子排满了s轨道,只有当能带被电子部分填充时,外电场 才能使电子的运动状态发生改变而产生导电性。 这些材料低温下不导电,在温度较高时,部分电子从价带激发到导 带,表现出导电性。
激光原理 第二章光学谐振腔理论
光学谐振腔一方面具有光学正反馈作用,另一方面 也存在各种损耗。损耗的大小是评价谐振腔质量 的一个重要指标,决定了激光振荡的阈值和激光的 输出能量。本节将分析无源开腔的损耗,并讨论表 征无源腔质量的品质因数Q值及线宽。
一、损耗及其描述 (1)几何偏折损耗: 光线在腔内往返传播时，可能从腔的侧面 偏折出去，我们称这种损耗为几何偏折损 耗。其大小首先取决于腔的类型和几何尺 寸。
概述
3.波动光学分析方法 从波动光学的菲涅耳-基尔霍夫衍射积分理论出发,可以建立 一个描述光学谐振腔模式特性的本征积分方程。 利用该方程原则上可以求得任意光腔的模式,从而得到场的 振幅、相位分布,谐振频率以及衍射损耗等腔模特性。 虽然数学上已严格证明了本征积分方程解的存在性,但只有在 腔镜几何尺寸趋于无穷大的情况下,该积分方程的解析求解 才是可能的。 对于腔镜几何尺寸有限的情况,迄今只对对称共焦腔求出了 解析解。 多数情况下,需要使用近似方法求数值解。虽然衍射积分方 程理论使用了标量场近似,也不涉及电磁波的偏振特性,但与 其他理论相比,仍可认为是一种比较普遍和严格的理论。
第一节 光学谐振腔的基本知识
本节主要讨论光学谐振腔的构成、分类、作用,以及 腔模的概念
光学谐振腔的构成和分类
根据结构、性能和机理等方面的不同,谐振腔有不同 的分类方式。
按能否忽略侧面边界,可将其分为
开腔、 闭腔 气体波导腔
第一节 光学谐振腔的基本知识
开腔而言： 1. 根据腔内傍轴光线几何逸出损耗的高低,又可分为 稳定腔、非稳腔及临界腔; 2. 按照腔镜的形状和结构,可分为球面腔和非球面腔; 3. 就腔内是否插入透镜之类的光学元件,或者是否考 虑腔镜以外的反射表面,可分为简单腔和复合腔; 4. 根据腔中辐射场的特点,可分为驻波腔和行波腔; 5. 从反馈机理的不同,可分为端面反馈腔和分布反馈 腔; 6. 根据构成谐振腔反射镜的个数,可分为两镜腔和多 镜腔等。
中国核心期刊和中文核心期刊
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肾脏病与透析肾移植杂志F001 生理学报F215 生命科学H784 生态环境Z028 生态学杂志F049 生物多样性G401 生物骨科材料与临床研究F034 生物化学与生物物理学报F204 生物加工过程F012 生物物理学报G006 生物医学工程学杂志G603 生物医学工程与临床G072 生殖与避孕C054 声学学报T933 石化技术与应用L016 石油地球物理勘探L034 石油化工高等学校学报L021 石油化工设备技术L031 石油勘探与开发L030 石油炼制与化工L005 石油物探L012 石油学报石油加工L008 石油钻采工艺F257 实验动物科学与管理A113 实验技术与管理F021 实验生物学报G875 实用儿科临床杂志G586 实用妇产科杂志G224 实用口腔医学杂志Q919 实用临床医药杂志G768 实用预防医学U005 食品工业科技U035 食品与发酵工业E548 世界地质A201 世界科技研究与发展A023 首都师范大学学报F033 兽类学报W009 数理统计与管理B523 数学教育学报B004 数学年刊AB006 数学学报B012 数学杂志H008 水产学报P007 水电能源科学W004 水动力学研究与进展A R050 水力发电R587 水利经济W502 水利水电科技进展W003 水利学报V008 水泥技术H015 水土保持通报H056 水土保持研究R566 水资源保护A006 四川大学学报G045 四川大学学报医学版Z007 四川环境A033 四川师范大学学报G575 四川医学A037 苏州大学学报T106 塑料T536 塑料科技E123 台湾海峡J011 太原理工大学学报T527 炭素N043 探测与控制学报V531 陶瓷学报V027 特种结构N065 特种铸造及有色合金U017 天津工业大学学报J054 天津理工大学学报G076 天津医药T611 天然产物研究与开发L029 天然气工业E023 天文学报X517 铁道标准设计X521 铁道工程学报X005 铁道学报G238 听力学及言语疾病杂志J032 同济大学学报T103 涂料工业H043 土壤H057 土壤通报Y025 推进技术R070 微波学报R057 微电机R004 微电子学与计算机R098 微纳电子技术F011 微生物学通报E052 微体古生物学报S033 微型电脑应用G210 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应用光学D016 应用化学R033 应用激光C008 应用力学学报Z018 应用生态学报B011 应用数学B001 应用数学学报G089 营养学报L027 油气储运G222 临床麻醉学杂志G257 临床内科杂志G309 临床神经病学杂志G802 临床神经外科杂志G797 临床输血与检验G855 临床消化病杂志G261 临床心血管病杂志Q913 临床眼科杂志Q910 临床肿瘤学杂志Y018 流体力学实验与测量H748 麦类作物学报T060 煤化工K005 煤炭科学技术D027 煤炭转化U036 棉纺织技术G056 免疫学杂志N087 模具工业S015 模式识别与人工智能N084 摩擦学学报G662 内科急危重症杂志A026 内蒙古大学学报H271 内蒙古农业大学学报X027 内燃机车M655 纳米技术与精密工程A013 南昌大学学报G987 南方护理学报A025 南京大学学报T011 南京工业大学学报N011 南京理工大学学报H021 南京农业大学学报A061 南京师大学报R008 南京邮电学院学报A008 南开大学学报W002 泥沙研究Z023 农村生态环境H404 农药学学报Z008 农业环境科学学报H286 农业生物技术学报H222 农业现代化研究U602 皮革科学与工程E361 气候与环境研究E359 气象科学X018 汽车工程P001 汽轮机技术C007 强激光与粒子束A658 青岛大学学报G061 青岛大学医学院学报V041 青岛建筑工程学院学报J001 清华大学学报A044 曲阜师范大学学报T061 燃料与化工G448 热带病与寄生虫学E642 热带海洋学报G609 热带医学杂志T105 热固性树脂P006 热能动力工程N106 人类工效学G805 人民军医R086 三峡大学学报H070 山地农业生物学报A020 山东大学学报G062 山东大学学报医学版H031 山东农业大学学报G511 山东医药A014 山西大学学报G923 山西医药杂志U025 陕西科技大学学报A066 陕西师范大学学报G066 上海第二医科大学学报Z011 上海环境科学H022 上海交通大学学报农业科学版G343 上海精神医学J031 上海理工大学学报A043 上海师范大学学报G069 上海医学G389 上海中医药杂志A515 深圳大学学报理工版G070 神经解剖学杂志J052 沈阳工业大学学报V011 沈阳建筑大学学报G071 沈阳药科大学学报F203 生理科学进展F042 生命的化学F046 生命科学研究Z014 生态学报F250 生物磁学F003 生物工程学报F016 生物化学与生物物理进展F224 生物技术通讯B009 生物数学学报F213 生物学杂志G332 生物医学工程研究G624 生殖医学杂志C033 声学技术V043 施工技术X042 石家庄铁道学院学报L015 石油化工L023 石油化工设备L019 石油机械L032 石油矿场机械E126 石油实验地质L006 石油与天然气地质L025 石油钻探技术G387 实验动物与比较医学C009 实验力学A115 实验室研究与探索G534 实用放射学杂志G457 实用骨科杂志G700 实用老年医学G324 实用医学杂志G367 实用诊断与治疗杂志U006 食品科学E363 世界地震工程G190 世界华人消化杂志G906 世界科学技术-中医药现代化G073 首都医科大学学报R005 数据采集与处理B015 数学的实践与认识B007 数学进展C036 数学物理学报B005 数学研究与评论S032 数值计算与计算机应用Z016 水处理技术V034 水电自动化与大坝监测W013 水科学进展R049 水力发电学报W011 水利水电技术W006 水利水运工程学报V009 水泥F010 水生生物学报H287 水土保持学报E154 水文地质工程地质U056 丝绸J051 四川大学学报工程科学版F027 四川动物V007 四川建筑科学研究R015 四川水力发电H864 饲料研究G074 苏州大学学报医学版T014 塑料工业T580 塑性工程学报L009 太阳能学报M544 钛工业进展T015 炭素技术E128 探矿工程岩土钻掘工程H041 特产研究T999 特种橡胶制品A041 天津大学学报U031 天津科技大学学报A504 天津师范大学学报G626 天津中医药L518 天然气地球科学T074 天然气化工E114 天文学进展X019 铁道车辆X007 铁道科学与工程学报S512 铁路计算机应用R065 通信学报Q003 同位素V029 土木工程学报H233 土壤肥料H012 土壤学报G601 外科理论与实践S005 微处理机R064 微电子学S017 微计算机应用F004 微生物学报R085 微特电机N018 微细加工技术S010 微型机与应用G079 卫生研究G326 胃肠病学和肝病学杂志D003 无机材料学报T072 无机盐工业U029 无锡轻工大学学报W014 武汉大学学报工学版E107 武汉大学学报信息科学版T547 武汉化工学院学报J006 武汉理工大学学报J018 武汉理工大学学报信息与管理工程版G707 武警医学C090 物理C006 物理学报E136 物探化探计算技术R009 西安电子科技大学学报J036 西安工业学院学报X030 西安交通大学学报J002 西安理工大学学报。
《光电材料》课程教学大纲(本科)
《光电材料》课程教学大纲课程编号：课程名称：光电材料英文名称：Photoelectric Materials课程类型：专业课程课程要求：选修学时/学分：32/2 （讲课学时：32实验学时：0上机学时：0）适用专业：功能材料一、课程性质与任务光电材料是为功能材料专业开设的专业课程之一，本课程在教学内容方面着重介绍光电材料的物理基础，光电效应、光电转换原理及相应光电传感材料的工作原理和应用范围，重点叙述了与光电显示材料、光纤通信材料、光电探测器材料、激光材料等相关的基本理论和制备方法，并介绍常用光电传感器件的结构组成、工作原理和性能特点。
目的是使学生通过这门课程的学习，能够掌握光电材料领域的一些基本理论、概念、制备方法和应用原理，增进对材料科学的进一步认识和了解，开拓学生视野，启迪学生专业设计新思路。
二、课程与其他课程的联系光电材料是新材料领域的一个重要组成部分。
要求学习本课程之前应修完大学物理、材料科学基础、功能材料制备工艺学和功能材料物理基础等课程。
三、课程教学目标1.学习光电材料基本理论知识，了解光电材料的研究进展、未来发展方向及其潜在的应用领域。
（支撑毕业能力要求1, 3, 4, 12）2.掌握光电材料的物理基础以及典型光电材料（如光电显示材料、光电传感材料等）的结构组成、性能特点和应用领域；（支撑毕业能力要求1, 3, 4, 5, 7）3.学习光电材料制备的基本方法和相关工艺理论，具有光电材料器件组成、结构和设计生产实施的工程实验能力，能够对设计和实验结果进行综合分析。
（支撑毕业能力要求3, 4, 5, 7, 12）四、教学内容、基本要求与学时分配五、其他教学环节（课外教学环节、要求、目标）无六、教学方法本课程以课堂教学为主，结合大作业+课堂发表、自学及测验等教学手段和形式完成课程教学任务。
在课堂教学中，通过讲授、提问、讨论、演示等教学方法和手段让学生理解光电材料的基础理论体系、主线，掌握光电材料的基本概念，基本原理和各种光电器件的结构和性能应用，强调光电材料的实际工程应用背景以及先进制备方法和技术在光电材料生产中的应用。
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h
E1
h h
E2
E1
1.1 激光原理
激光器的基本结构
使入射光得 到放大，是 核心
泵浦源
光抽运供Biblioteka 工作物 质能量工作介质激光束
只让与反射镜轴向平行的光 束能在激活介质中来回地反 射，连锁式地放大。最后形 成稳定的激光输出。
1.1 激光原理
综上所述，形成激光的必要条件 形成分布反转
使受激辐射占优势
2
激光技术发展简史之一
美国休斯公司实验室一位从事 红宝石荧光研究的年轻人梅曼 在1960.5.16利用红宝石棒首 次观察到激光； 梅曼在7月7日正式演示了世 界第一台红宝石固态激光器； 他在Nature(8月16日)发表了 一个简短的通知。 Maiman
3
1 激光晶体
1.1 激光原理
三种跃迁过程
E2 E2
h
E1 （a）自发辐射
h
E1 （b）受激吸收
h
E2
h
E1
（c）受激辐射
由于原子在各能级上有一定的统计分布，所以在满足上述频率条 件的外来光束照射下，两能级间受激吸收和受激辐射这两个相反的过 程总是同时存在，相互竞争，其宏观效果是二者之差。当吸收过程比 受激辐射过程强时，宏观看来光强逐渐减弱；反之，当吸收过程比受 激辐射过程弱时，宏观看来光强逐渐加强。
钕-钇铝石榴石（Nd：YAG）
Nd：YAG为其英文简化名称，来自(Neodymium-doped Yttrium Aluminium Garnet; Nd：Y3Al5O12)或中文称之为钇铝石榴石晶体，钇铝石榴石晶体为 其激活物质，体晶体内之Nd原子含量为0.6～1.1％，属固体激光，可激发脉 冲激光或连续式激光，发射之激光为红外线波长 1.064μm。
具有共振腔
实现光量子放大
至少达到阈值电流密度
光增益> 光损耗
1.1 激光原理
激光的特点：
单色性 方向性 高强度
时间相干性 空间相干性 高简并
本质：高度的相干性
由于极高的光子简并度，再加上激光能量在时 间和空间上的高度集中，才使得激光具有普通 光源所达不到的高亮度。
1.2 激光晶体的组成
红宝石激光器（三能级系统）
E3 E3 (10-9s) E3
(10-3s)
E2
E2
E2
h
E1
E1
E1
在Xe（氙）灯照射下，红宝石晶体中原来处于基态E1的粒 子，吸收了Xe灯发射的光子而被激发到E3能级。粒子在 E3能级的平均寿命很短（约10-9秒）。大部分粒子通过无 辐射跃迁到达激光上能级E2。粒子在E2能级的寿命很长， 可达3×10-3秒。所以在E2能级上积累起大量粒子，形成 E2和E1之间的粒子数反转，此时晶体对频率ν满足hV＝ E2—E1的成分就被放大。
1.1 激光原理
当（N2/N1）＜1时，粒子数服从波尔兹曼分布。此时有 dN12＞dN21，宏观效果表现为光被吸收。 当（N2/N1）＞1时，高能级E2上的粒子数N2大于低能级E1 上的粒子数N1，出现所谓的“粒子数反转分布”情况。此时 有dN21＞dN12，宏观效果表现为光被放大，或称光增 益。——形成激光的必要条件。 能造成粒子数反转分布的介质称为激活介质或增益介质。
1.1 激光原理
受激辐射与自发辐射的区别
受激辐射与自发辐射都是从高能级向低能级跃迁并发射光 子的过程。 由自发辐射所发射的光子的频率、相位、振动方向都有一 定的任意性。 而受激辐射所发出的光子在频率、相位、振动方向上与激 发的光子高度一致，即有高度的简并性。 一般说在自发辐射过程中，总伴有受激辐射产生，辐射场 越强，受激辐射也随之增加。 在热平衡状态下，受激辐射很弱，自发辐射占绝对优势， 但在激光器中，情况发生很大变化，这时已不是热平衡状 态，受激辐射的强度比自发辐射的强度大几个数量级。
1.2 激光晶体的组成
激光基质晶体
氧化物 红宝石晶体 钕-钇铝石榴石（Nd：YAG） 磷酸盐和硅酸盐 钨酸盐、钼酸盐、钒酸盐和铍酸盐 掺铬铝酸铍（Cr：BeAl2O4） 氟化物
红宝石激光器的工作物质
工作元件是一根淡红色的红宝石棒（AL２O3晶 体），其中掺0.05%的铬离子（Cr3+）。这些 铬离作为激活离均匀地分布在基质（即AL２O3 晶体）中，浓度大约为 1.62×10的19次方cm3，它们替代了晶格中一部分铝离子（AL3+） 的位置，红宝石激光器有关有能级和光谱性质 都来源于Cr3+。
激光器由工作物质（基质和激活离子）、激发源 （泵浦）和共振腔组成。 工作物质就是指借组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——激光 材料。
激光器材料包括固体（晶体、玻璃）、气体（原 子、分子、离子）、液体和半导体。 激活离子主要有过渡金属离子、稀土离子、色心 三类。
固体激光材料
激光
激光：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation （Laser）。 激光是光的受激辐射。 激光的特点：单色性好,方 向性好；相干性好；亮度高.
基本沿某一条直线传播,通 常发散角限制在10-6球面度 量级的立体角内.
1.2 激光晶体的组成
基质材料
荧光辐射强、量子效率高、荧光寿命和受激发射截面适当 优良的静态光学均匀性 热膨胀系数小、强度高、热导率高、光照和化学稳定性好 易于加工，能制备大尺寸光学均匀的制品
主要分为晶体和玻璃两类
玻璃：大尺寸，光学质量好，但受激发射截面小，激 发阈值高，热导率小造成光学畸变 晶体：热导率、窄线宽等优于玻璃，但很难获得高的 光学质量和掺杂均匀性