3打印 第三章 光电子材料基础

(2)
电性中和：掺杂剂价态如与基质阳离子不同，则要采取
适当的电荷补偿技术维持高掺杂下的电性中和，否则掺杂剂的溶
解度将受到限制。例如CaWO4中如只掺入稀土取代Ca2+，溶解度
就受到限制，这时再加入Na+，稀土溶解度才增加。 (3) 抗热冲击能力：基质的某些物理性质决定该晶体对突然爆
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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 的程度。 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 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。
光束的单色性与相干性是一致的，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。
第 三 章
光 电 子 材 料 基 础
自由载流子吸收、杂质吸收、激子吸收 2.3.2.1 自发辐射 受激辐射和受激吸收、光放大 2.3.2.2 粒子数正常分布和粒子数反转 泵浦（激励）
禁带宽度、费米能级 自终止跃迁方式
2.3.3 激光器组成(激光工作物质) 2.3.4 激光的特性 2.3.2.1 固体激光器基本结构 三能级系统和四能级系统的能级结构简图 2.3.2.2 固体激光器工作物质 板条状激光器
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 能级E2自动跃迁至低能级E1，这种跃迁称为自发辐射。 自发辐射光子频率
E2 E1
E2 E1 h
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h
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。
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受激吸收
•光纤激光器
自由载流子吸收、杂质吸收、激子吸收 自由载流子吸收：毫米波和微波 杂质吸收： 杂质粒子的跃迁 声子吸收：晶格振动引起 激子吸收：激子的形成
带间吸收：价带到导带的跃迁
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半导体光吸收过程
激子：指一种中性的非传导 电的束缚状的电子激发态
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2.3.2.1 自发辐射 受激辐射和受激吸收
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• 激光的单色性是因为：
（1）激光器的受激辐射发生在荧光谱线固定的 两能级之间， 只有频率满足一定条件的光波才 能得到放大； （2）激光谐振腔的干涉作用使得只有那些满足 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。
• 激光单色性受工作物质的种类和谐振腔性能的 影响。气体激光束单色性较好，谱线宽度半宽值 小到103Hz。固体激光单色性较差，半导体激光 器单色性最差。
N2 e N1
E2 E1 kT
N2 e N1

E2 E1 kT
1
e

1 0.086
10 1
5
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但要产生激光必须使原子 激发，且 N2 > N1, 称粒 子数反转。
E2
E1
N2 N1
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泵浦（激励）
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 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 界作用，促使大量低能级上的粒子反转到高 能级上，这种过程叫做激励，或称为泵浦。
三能级系统和四能级系统的能级结构简图
3 4
2
3
2 1 1
三能级系统
四能级系统
红宝石：Cr3+
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YAG：Nd3+
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2.3.2.1 固体激光器基本结构
1. 激光工作物质 2. 泵浦源 3. 谐振腔 4. 聚光腔 5. 冷却与滤光
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2.3.2.2 固体激光器工作物质
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----光吸收。
光子
高能级E2
低能级E1
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受激辐射
当原子中的电子处 E2 E1 于高能级时，若外来光 h 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 发出与外来光子一样特征的光子----受激辐射。
1964年，又提出并实现了压缩脉宽、提高功率的新 机制——锁模技术，由于它能使脉冲的持续时间压 缩到皮秒（ps，10-12s）量级，所以也称为超短脉冲 技术，从60年代到70年代，超短脉冲技术（包括主 动锁模、被动锁模、同步泵浦锁模等相应的测量技 术）得到了迅速的发展；到80年代初，Fork等人又 提出了碰撞锁模理论，而且实现了碰撞锁模，得到 了90fs的光脉冲序列。90年代，自锁模技术的出现， 在钛蓝宝石自锁模激光器中得到了8.5fs的超短脉冲 序列。锁模技术能产生脉宽为飞秒（fs，10-15s）、 峰值功率为太瓦（TW,1012W）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 2014/5/31 23 界和超快过程的研究提供了重要手段。
要求：具备清晰的荧光线、强的吸收带及相当高的 量子效率，优良的光学、热学性能和机械性能。 晶体质量，对光学损伤或机械损伤的抵御能力、化 学稳定性等也至关重要。 (1) 离子大小：晶体的晶格格点必须与激活离子的
大小相当。在离子晶体中，离子半径之差大于15％就不 能直接掺入1％以上的激活离子。但用稀土激活的晶体 激活离子的掺入量可大于1％。
激励、核能激励)等激发源激发工作物质实现激射。
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。
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工作物质
激光器最重要的部分是工作物质，包括激活离子和基质。
用过渡金属离子（如Cr3+）激活的三能级激光晶体，如 Cr3+ ： Al2O3 氧化物激光晶体 固体激光器材料 用稀土离子（如Nd3+） 氟化物激光晶体 激活的四能级体系 复合石榴石激光晶体 激光玻璃（钕玻璃） 色心激光晶体（如LiF，KCl） 原子气体 气体激光器材料 工 离子气体（氩离子、氪离子） 分子气体（CO2、CO、N2分子） 准分子气体（XeF、KrF）
指绝对零度时全满电子态与全空电子态的能量分界面。或绝 对零度时电子占据的最高能态的能量，用符号EF表示。
半导体费米能级：本征（纯）半导体的费密能级位于禁带中心 2014/5/31 10
自终止跃迁方式
Cu原子蒸气激光器
金属蒸气激光器是利用被加热的金属蒸气为工作物质 的激光器，包括金属蒸气原子激光器和金属蒸气离子 激光器两大类。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。
E2 E1
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h
全同光子
实验表明，受激辐射产生的光子与外来光子具有相同的频 率、相位、偏振方向和发射方向。
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光放大
在受激辐射中通过一个光 的作用，得到两个特征完全相 同的光子，如果这两个光子再 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 的光子----光放大，激光。
LASER：受激辐射光放大 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
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2.3.2.2 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 电子数要多，粒子数正常分布。 玻耳兹曼统计分布： 若 E2 > E 1，则两能级 上的原子数目之比
N2 e N1
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E2 E1 kT
1
7
数量级估计：
T ～103 K； kT～1.38×10-20 J ～ 0.086 eV; E 2-E 1～1eV;
作
物 质
有机荧光染料（如罗丹明6B） 液体激光器材料 稀土螯合物（如Eu(TTA)3、Eu(BTF)4）
钕氧氯化硒（ Nd3+ ： SeOCl2 ）
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（GaAs、Pb1－XSnXTe） 非线性光学材料（LiNbO3） 窗口、透镜材料（如GaAs、ZnSe） 抗反射涂层（ZrO2、 SiO2 、 TiO2、 MgF2等 ） 其它
•半导体激光器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。
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单色性好
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，通常用频谱分布的宽度即线宽来描 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 很宽，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 线宽度较窄，不到10-8nm。这比普通光源中单色性最 好的氪等的谱线窄数万倍。
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禁带宽度、费米能级
固体能带理论
固体中由于大量原子紧密结合，使得单原子的能级分裂为宽 的能带，能带由相距很小的精细能级组成。电子在能带中的 分布形式决定了固体材料的导电性能，由此分为导体、半导 体和绝缘体三种。 1、禁带宽度
指导带底与价带顶之间的能量差，通常用符号Eg表示。
2、费米能级
2.3.3 激光器组成(激光工作物质)
工作物质(基质和激活离子) 激励源(泵浦) 光学谐振腔
ຫໍສະໝຸດ Baidu
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工作物质：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(晶体、玻璃)、气体(原子气 体、离子气体、分子气体)、液体和半导体等。
激光工作物质 激光器利用泵浦(闪光灯或另一种激光器以及气体放电激励、化学
工作物质包括激活离子和基质材料 作为激活离子掺入固体基质的元素，常见的大 致分为：
• 过渡族金属离子，如Cr3+、Ni2+、Co2+ • 三价稀土金属离子，如Nd3+、Ho3+、Er3+ • 二价稀土金属离子，如Sm2+、Tm2+、Dy2+（镝）
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固体基质材料可粗略分为晶体和玻璃两大类。
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 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 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 脉冲形式运转。
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中实现的。如果将激光发射的时间尽量缩短可 通常的激光器， 以获得更高的峰值功率。
一般都呈现为多个纵模 同时振荡输出。用锁模技术 用调Q或锁模技术可使激光器在毫微秒（ ns） 对激光束进行特殊的调制，使 或微微秒（ps）的极短时间内释放原来用数毫 不同的振荡模间的频率差保持一 秒释放的能量，可获得兆瓦级峰值功率。 定，并具有确定的相位关系， 诸振荡模相干叠加，激光器 将输出一列时间间隔 一定的超短脉冲。
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功率密度大
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。 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1mW的氦氖激光器发出的光 也比太阳表面亮度高出100倍。
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采用一定的技术和装置 控制激光器谐振腔的Q值按一定 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 激光巨脉冲的目的的技术 调Q技术。 激光的功率密度大是通过光能在空间的高度集
1961年提出了调Q概念，即设想把全部光辐射能压缩 到极窄的脉冲中发射；1962年，制成了第一台调Q激 光器，输出峰值功率为600千瓦，脉冲宽度为10-7s量 级；随后的几年发展的非常快，出现了多种调Q方法 （如电光调Q、声光调Q、可饱和吸收调Q等），输 出功率几乎呈直线上升，脉宽压缩也取得了很大进展； 到了80年代，调Q技术产生脉宽为纳秒（ns）量级， 峰值功率为吉瓦（GW）量级的巨脉冲已并非困难。 调Q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 学研究的有力工具，但是调Q技术压缩脉冲因受产生 机制的制约，很难再进一步压窄。 2014/5/31 22
激光器辅助材料
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2.3.4 激光的特性
方向性
单色性
+
相干性 能量高度集中
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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 价。它与激光器的工作物质种类和谐振腔的形式有关。 • 气体激光器工作物质均匀性好，谐振腔长，光束的方向 性最强，发散角在10-3~10-4弧度。其中氦氖激光束发散角 最小。 •固体和液体激光器工作物质均匀性较差，谐振腔较短， 光束发散角较大，在10-2弧度范围。