（光学专业论文）含硫分子离子的中红外激光光谱.pdf

硕士学位论欠 m s 1f - r s1 i l i i s i s 摘要 龠f i i fc | | i 瞄或分j i 离t q r 化学、低滞a 等离r 纠i 、天体物理学以及诈：多4 1 j 天领域 - ”q - f t 珩匝要的角色，i 川1 - i ：k ) l j j 以水人们一亢火泣对含硫化合物的光晰形f 究。小义 斥f j j t j 速度调制巾红外可调i 旨半导体激光吸收光谱技术研究了s o + 、c s 十和c s 2 + 等含 硫分了离予的振动转动光瞒，一卜要内容彳j ： 1 ) 首次探测至0 了s o 。分子离r 的红外吸收光谱。s o + 离子t hs 0 2 和氦7e 的混合 7 e 体通过高址音频辫光放i uj ：! l ：。在1 2 3 7 13 1 6c m 一波数范围内得剑了x 2 丌念坫 频带的4 2 条| f 及收潜线。探测到的谱线迮h i j 玎人i 得的微波谱数j ；i l 一起朋2 几态的彳 效哈密顿量进行拟合，得到了殳加精确的基念分r 常数和首次被确定的完整f 门第一 振动激发态分子常数。基频带的带头为1 2 9 1 5 2 9 9 ( 2 7 ) c i t i 。 2 ) 阿次探测剑了c s 。和c s 2 + 离j 了的红外吸收光谱。c s + 和c s 2 4 离r i j tc s 2 和氦 7i 的混合气体通过廓胍。刊明龋；光放 也产q - 。在13 0 4 1 3 6 6c m l 的范内，埘j ： ( 1 0 ) 、( 2 1 ) 、( 3 2 ) 、( 4 3 ) 和( 5 4 ) 借的2 8 条c s + 鹃线被探测剑。吱验所倒谱 线的频率与预测的谱线频：簪棚符秣 很好。同时，本义还在1 2 0 0 1 2 1 0c n l 。f 内范 内刈c s 2 + 离f 进行了探洲，得剑了其2 5 条v ，带吸收谱线。实验所得的c s 2 + 谱线川2 兀 念的有效哈密顿量进行拟合，得到了新的v ，振动激发态分子常数。c s z + 分f 离子v 3 j 带的带头为1 2 0 6 9 1 7 6 2 ( 3 2 1c m 。 关键词：激光| 妓收光谱；振转光嘴；速皮调制技术；含硫分了离， 硕士学位论丈 m sj l r s7 l j j ：sj s a b s t r a c t t h es p e c t r o s c o p i cs t u d i e so fs u l f u rc o n t a i n i n gr a d i c a l sa n dm o l e c u l a ri o n sa r eo f g r c a l i n t e r e s tb e c a u s et h e y p l a yk e yr o l e s i n c h e m i s t r y ，l o w t e m p e r a t u r ep l a s m a ， a s t r o p h y s i c sa n dm a n yo t h e rr e l e v a n tf i e l d s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h er o v i b r a t i o n a ls p e c t r a o fs 0 + c s + a n dc s 2 1m o l e c u l a ri o n sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e du s i n gv e l o c i t ym o d u l a t i o n m i d i n f r a r e dt u n a b l ed i o d e1 a s e ra b s o r p t o ns p e c t r o s c o p y t h em a i nr e s u l t si n c l u d e ： i ) t h ei n f r a r e da b s o r p t i o ns p e c t r u mo fs o w a sf i r s td e t e c t e d t h es o + i o n sw e r e g e n e r a t e di nt h ea u d i of r e q u e n c yh i g h v o l t a g eg l o wd i s c h a r g eo ft h eg a sm i x t u r e so fs 0 2 a n dl l e l i u m f o r t y t w oa b s o r p t i o ns p e c t r u mo ft h el u n d a m e n t a lb a n do fx 2 兀s t a t ew a s r e c o r d e di nt h er e g i o no t 1 2 3 7 1 3 】6e m aw e i g h t e dl e a s t s q u a r e sa n a l y s i sc o m b i n e d o u ri n f r a r e dd a t aw i t ht h em i c r o w a v ed a t ar e p o r t e dp r e v i o u s l yw a sc a r r i e do u tu s i n ga s t a n d a r de f f e c t i v eh a m i l l o n i a nf o r ! ns t a t e as e to f i m p r o v e dm o l e c u l a rc o n s t a n t sf o r t h eg r o u n ds t a t ew a sd c r i 、，e d a n dm o l e c u l a rc o n s t a n t so l t h ev = ll e v e lf o rt h es o + x s t a t ew e r eo b t a i n e df o rt h ej i r s tt i m e t h eb a n do r i g i no ft h ef u n d a m e n t a lb a n do fs o + w a sd e t e r m i n e dt ob c 】2 91 5 2 9 9 ( 2 7 ) c m 2 ) t h ei n f i a r e da b s o r p t i o ns p e c t r ao fc s + a n dc s 2 11 0 0 n sw e r er e c o r d e df o rt h ef i r s t t i m e t h ec s + a n dc s 2 + i o n sw e r eg e n e r a t e di nt h ea u d i of r e q u e n c yh i g h v o l t a g eg l o w d i s c h a r g eo ft h eg a sm i x t u r e so fc s 2a n dh e l i u m f w e n t y e i g h tl i n e so fc s + w e r e o b s e r v e da n da s s i g n e dt ot h e ( i 一0 ) ，( 2 一1 ) ，( 3 2 ) ，( 4 - 3 ) a n d ( 5 - 4 ) b a n d si nt h e r a n g eb e t w e e nl3 0 4c m “a n d13 6 6c m t h eo b s e r v e dt r a n s i t i o nf r e q u e n c i e sw e r ei n g o o da g r e e m e n tw i t ht h ec a l c u l a t e dv a l u e s f u r t h e r m o r e t w e n t y f i v el i n e so fc s 2 + w e r e d e t e c t e di nt h er e g i o no f12 0 0 l210c m a n da s s i g n e dt ot h eub a n d t h eo b s e r v e d t r a n s i t i o n so fc s 2 + w e r ea n a l y z e dw i t ht h es t a n d a r de f f e c t i v e1t a m i l t o n i a nf o r2 丌s t a t e n e wm o l e c u l a rc o n s t a n t sf o rt h e v 1v i b r a t i o n a l l y e x c i t e ds t a t ew e r ed e r i v e d t h e v 3 ( 1 卜o ) b a n do r i g i nw a s d e t e r m i n e dt ob e12 0 6 917 6 2 ( 3 2 ) c m 一 k e y w o r d s ：l a s e ra b s o r p t i o ns p e c t r o s c o p y ；r o v i b r a t i o n a ls p e c t r u m ；v e l o c i t ym o d u l a t i o n t e c h n i q u e ；s u l f u rc o n t a i n i n gm o l e c u l a ri o n s ： 硼士学位论文 m a s t e r s - f j i - sj s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创。t - + - 声明 本人郧+ , - i i 声刚：所一! 交的警化论文，足小人n ! 导帅 斤导卜，独、z 进行研究f ：作所墩得的研 究成果。除文中l 经标l j j i j i j 的内容外，小论文4 i 包含任何其他个人或集体已经发表或撰。，；过 的研究成果。对本文的研究做贡献的个人和集体，均l 二红文中以l ! f j 确方式标明。本卢i p j 的法 律 。l 果本人承于【i 。 作者签名：日期：年 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论义作辑完个了解学校彳j 火保f 7 f 、使川。化论文的舭定，【! i j ：学校彳丁权 保学 j ：门l j 4 家千j 关部门或机构送变论文的复i ：| jf ，l ：和, t k 一厂版，允许沦文被a 阅和f i 剜。小人授权华i | 1 y , ij 范人z 一一j 。以将小学f t 论义的个邢或部分内容编入彳f 天数拟：库进 j ：检索，可以采川影 1 j 、缩印或扣铋等复制r 段保存和、7 | ：编小学位论文。l 叫感+ f - q ， 帅范人学l l j 以 】小州力式台：彳i i + i j 媒体上发表、f 播学位论义的全部或部分内容。 作者签名： l - j 期：年月 日 导师签名： 日期：年月 日 本人已经认真阅读“c a i 。i s 高校学f i ：论文企文数抓库发布章氍”，i 叫意将本人的学位论文 提交“c a i 。i s 离校学位论文全文数据库”c i 全义发如，3 1 ：a l 按“章程”中的规定享受柏关权荫。 趔壶论塞埕窑丘澄压；旦：匕生；旦二二玺；旦三笙蕉血! 作者签名： 日期：年月 日 导师签名： 日期：年月 日 硕士学位论之 m a si _ l i l si i lj i sj s 第一章引言 1 1 分子离子光谱的研究背景 分、。f 光潜学是一fj 以实验为基础的科学，是光谱学的个分支学科。各种物质 分：f n 勺光谱的j 批乍以及光分。r 之问的棚! f 作厂h 足它的j ：要研究对象。 埘分厂光谱的研究是扫；刈原，光谱研究的么础一h 发胜起来的，而和：上l ! = 纪初删 所创。：的掺r 力。z 为它提供了l 降灾的理论桀础。到了，i ：| | = 纪6 0 年代，激光器的 现为分r 光辞 。乏n 勺研究提供了曲! 仃力的支持。随斩新型激光器的不断出现与发展， 各种连续i ，j 调的激光器儿乎覆盖了从坌i ：外到紫外的整个波段范1 日，为分：r 光谱研究 提供了良好f 门光源耩 i ；| ；。1 i 稳定的瞬态分：f 也逐渐成为了分了光谱学n 勺研究对缘， j n 川从上 ii i 初研究分了的r 乜i r 结构和振动结构进步发展剑了研究它的转动纳卡；! ； 午超柑细结构。 分r 离r 足| ，i 然界t l 一广泛仃仡的物质形态，它1 r - j ：, ：生f ：存行j 于r l 然外艾实验。 i 的等离j i 体系、化学反心过程、燃烧过祀蚪- ，以及丝阢“讪怫j 魁际物质i 1 。刈、j 二扔! - 了分了物胖学、等离，体物理学、天体物理学、化学反应动力学、环境科学等诩：多 领域味说，对分了离了进行研究j 彳r 十分重要的意义。通过对典光谱的研究，我们 可以得剑分f 的能级结构、能级， 命、电子组念、分二f 的几何形状、化学键的性质、 反应动j ? 学等多方i f l i 有关物质刍i = ；：f 内知谚 。 分。r 离r f 向光瞒前先足存人丈观测i 发现的，1 9 0 8 钮p l u v i n e l 和b a l d c t 在刈1 m o r e h o u s e 彗星的特尾进行观察时发现了c o + 的发射谱。随后，n 2 + i2 1 、c 0 1 1 3 1 、0 2 + 1 4 i 等许多分了离予的光谱被陆续观测到。在实验室中，光解、热解以及各利，放电方法 都用来产生分了离子。 在激光器出现以日订，研究分子离子光谱的主要手段是发射谱。首次获得的分子 离子谱线是1 9 2 2 年w i e n l 5 i 用辉光放电方法研究的n 2 + 分子离了。而在此波段内，吸 收谱的方法则显得捉襟见肘，只有h 2 + 的吸收谱得到了研究【6 1 。 1 9 5 1 年，在k a n t r o w i t z l 7 , s l 等人实现了高强度的超声分子束技术以后，该技术被 广泛应用于自由基、范德瓦尔斯分子、分子离予和团簇的研究。超声分子束与后来 出现的激光技术桐结合，使得包_ 括n o + 、n 2 h + f 9 1 、h 3 + 、h n 2 + 、h 3 0 + 【10 1 、h o c o + 、 h o c s + 、h 2 d o + 、h d 2 0 + l 坦i 、n 2 + f 1 3 , 1 4 l 、n 4 + 1 1 5 1 在内的众多分子离子被研究。 同样在1 9 5 1 年，w h i t t l e 等人f i6 1 最先使用的基质隔离( m a t r i xi s o l a t i o n ) 方法在研 肟、 ： 硕士学位论文 m a s t e k sj l l l e s l s 究l j 基、复合物时显得卓有成效。而 j 从d e m i l l i g a n 和m e j a c o x 丁：j 二：纪 7 0 年代初将该技术应用于分予离子的探测以来，j a c o xd , f l 已经利用该技1 之成功研 究了超过6 ( ) 种i t ：离。厂和近4 0 种负离r 。 征卜：纪6 0 年代矽j 激光器发明之后，各利一刁i 类型、覆，矗1 i i4 波段的激光器 川继观。激光器与| 二述实验技术槲结合使光滑探测技术得到了进一步的发肥。7 ( ) 年代初，s a k u r a i 等人i i 利川激光诱导荧) 匕( l a s e ri n d u c e df l u o r e s c e n c e ，简称l l f ) 光 讲技术成功地观察到b a o 的a 专x 1 跃迂。19 7 5 年e n g c l k i n g 1 8 j 等人月】该技术结 合川。测染料激光器探测剑了n 2 + 的b 2 ：一2 ：激光诱导荧光谱，这是第个川激 光器形f 究的分：，离j f 。此后，c o + i9 1 、c 0 2 + 1 2 0 i 等分子离r 也棚继破刚样的方法矽f 究。 激光磁i 匕振( l a s e rm a g n e t i cr c s o n a n c e ，简称l m r ) 技术足i ：世纪6 0 年代发胜 起来的。一种商分辨率、高灵敏度的激光光谱技术。】9 6 8 年，e v e n s o n i - 2 l i 等人通过渊 整磁场使0 2 分予蘩念3 ：从n = 3 ，= 4 ，m = 一4 剑n = 5 ，j = 5 ，m = 一4 的芷天 迂频牢0h c n 的频率为8 9 0 7 5 9 1 1 z 的谱线产，j i 振，! i i ! j 川1 了这实验技术和探测 顺磁分j i 的，岛分爿f 率、高父微度j 匕嘴的li 人潜力。随后，该技术得剑了进步的段 - i i i 发腻盼：引。l9 7 9 年s a y k a l l y 和e v e n s o n l 2 6 1 埘h b r t 1 e 进j “f 流放i u ，川光荣远 红外激光磁j 毛振技术探测了i i b r + 的纯转动光谱。之后，包括h c i + 1 2 7 , 2 8 1 、h f m l9 1 、 o h + 1 3 0 i 、i _ i ，o 。1 3 1 i 、s h u 3 2 1 、d c i + 1 3 引、h b r + 1 3 4 i 、d b r + 1 3 5o 在内的诩：多分子离了也棚继 被研究，研究范也从远红外波段扩展剑中红外波段。 1 9 7 6 年w i n g l 3 6 l 等人利用伙迷离子喷注的方法使l i d + 离f 束与c o 激光器的激 光束发 i - 1 1 ij j ：作，f 】，探测到了h d 。的振转光谱，这是阿次在r i 哩j ：外波段被研究的分 一j 二离tj ，。4 i i i d 的办法也被运川奎0d 3 + 1 3 7 i 、h 2 d + 1 3 i8 和1 i e 21 3 9 a o l 等分子离f 的探测。快 速离子喷汜技术的发展依赖。j 二f 【l 衍变换、光解离、预解离、电离、自分离等i i i j 接探 测方法。l 刽此c a r r i n g t o n 等人1 4 1 】片次将光解离以及预解离方法结合c o c 0 2 激光器 或者微波辐射应川于快速离：r 喷注，j f j 质谱仪探测碎片离子。其光谱包含了接近解 离极限的能级之问的振转跃迁和电了跃迁。c a r r i n g t o n l 4 2 j 小组用此方法研究了h 2 + 、 d 2 + 、h d + 、h 3 + 等分子离子。他们还用预解离方法研究了h e l l + 【4 3 4 4 i 和h d + 1 4 5 j 的准束 缚念能级、用电离方法研究了h e 2 + 、h e a r + 、h e k r + 、h e n e + 、a r z 十、n e 2 + 、n e a r + 、 h e h 2 + 、h e n + 等众多分子离子。h e h + 和t i e d 。及其同位素也被m a t s u s h i m a 等人1 4 叫 进行了研究。n e u m a r k 等人用色心激光器结合自分离方法探测到了负离子n h 一的红 外光谱1 57 。n h 。1 5 8 i 和i t n o 1 5 9 | 的红外光谱也山m i l l e r 等人j i j f l 州的方法进行了探测。 山于乒有很高分辨率的微波谱1 5 0 l 在探测未知分子离了光潜方面具有明显的优 势，对微波瀚的研究也得到了不断的完善用i 发展。1 9 7 0 年b u h l 等人1 5 1 1 在宁宙卒i 丌j 硕士学位论文 m a s t e r s i h e s i s 中意外地发现了一条频牢为8 9 1 8 9m h z 的未知谱线，k l e m p e r e r l 5 2 1 猜想这足h c o + 的晰线。a 到1 9 7 5 年w o o d s 等人删在实验气纠- 探测剑h c 0 1 的微波谱后爿。最终证 实b u h i 发s 地t i q 谱线就是h c o + 。j 实：f f _ l i l 之阿，d i x o n 和w o o d s 州l l 纷川“流埚： 光放i u 力法探测到了c o + 的转动光谱，这足第个用微波浙f i ) f 究的分。s - 离了。j l t 乡 t - ， w o o d s 小纠i 还先后研究了l t n 2 + 1 5 5 1 、h c s + i 5 6 i 、t l o c + 1 5 7 i 、h 2 d 叫5 8 i 、s i f + 1 5 9 i 、p o + 、 x e h + 1 6 i1 1 等分予离子。进入8 0 年代以后，d el u c i a 小组l j f 】磁控辉光放l 乜对n o 0 2 l 、 a r i t l l 6 3 1 、o + i “嘲c f + 1 6 5 1 进行了探测。1 9 8 7 年，b o g e y 等人1 6 6 i 首次观察到了离子 聚俞物a r l l 3 + 的微波阱，j l ：j - j 还在毫米波和i f 旷毫米波段观察到了6 d 化素a r x 3 + 和 a r x 2 y + ( x ，y = h 或d ) 的转动光谱0 67 1 。利川微波光谱，新的分了离子如s o + 例、 a r f + 、f n ，+ 、f c 0 11 7 0 1 、s i b r + 1 7 1 l 等先后被发现。 1 9 8 3 f ，速度调制光谱技术( v e l o c i t ym o d u l a t i o ns p e c t r o s c o p y ，简称v m s ) i ，厶l 的现大大推进了对分子离子的研究。它是对分予离二f 的跃迁谱线进行柏选择。i + l i t i t h 探测的i 7 1 i ；疋敏度、高分辨率吸收光讨 技术，并一l l 已经被喻为光谱实验技术发展历史 l ，的一个! ! 烈碑。不i jj l 】该技术，已经行一l ：仃种分予离予被研究，j t 。i j 他折引人注i i 的负离子。第一个川速度凋制技术研究的负离j r 足1 9 8 5 年o w r u t s k y 等人4 j 对0 l i 一 的影f 乡。此厅，n h 2 1 7 5 1 、f i t f 一1 7 6 , 7 7 i 、s h1 7 s l 、n 31 7 9 1 、n c o 1 8 0 i 、n c s1 8 、c i i i c i 1 8 2 l 、 c 2 - 1 嬲i 、f d f 。m i 、5 i 2 - 1 8 s , 8 6 1 等负离了- i t ! z f l l 继成为4 i 州研究小组的研究埘缘。关j 二速度 调制光谱技术奉文将在第三章做i f 细介绍。 1 2 部分常见的中红外激光器 - j ：小义彬f 究的光谱范红- 心j 外波段，l 嘶将刈常川的，i ，坌i ：j l - 激光光源作 l j 坼的介绍。 1 2 1 半导体激光器简介 1 9 6 2 年，选用直接带隙半导体( d i r e c tb a n d g a ps e m i c o n d u c t o r ) g a a s 作为彳j 源 材料，用品体的自然解理面作为光学谐振腔的同质结( h o m o j u n c t i o n ) 半导体激光器而 世。1 9 6 7 年，采用液相外延( l i q u i dp h a s ee p i t a x y ，简称l p e ) 方法制成的单异质 结( s i n g l e h e t e r o j u n c t i o n ) 激光器是半导体激光器发展史卜的一个突破，它实现了 在室温下脉冲工作。三年后，双异质结( d o u b l e h e t e r o j u n c t i o n ) 半导体激光器的发 明又实现了另外一个突破，即在室温下连续工作。在这之后，各种不同结构、性能 优良的半导体激光器相继： 现，女1 1 9 ) 4 1 i , ( 1 i 拉格反射( d i s t r i b u t e db r a g gr e f l e c t o r ，简 称d b r ) 激光器、垂直腔表面发射激光器( v e r t i c a lc a v i t ys u r f a c ee m i t t i n gl a s e r ， 简称v c s e l ) 、隐埋异质结激光器( b u r i e d h e t e r o j u n c t i o nl a s e r ) 、解理耦合腔 ( c l e a v e d - c o u p l e dc a v i t y ) 激光器、分布反馈( d i s t r i b u t e df e e db a c k ，简称d f b ) 激光器、量子阱( q u a n t u mw e l l ，简称q w ) 激光器等。 半导体激光器的工作物质是具有直接带隙的i i v l 或l l i v 族二元化合物，以及 按照一定组分形成的三元、四歹己化合物半导体材料构成的p n 结。其工作物质有几 十种，常用材料有砷化镓( g a a s ) 、砷化铟( i n 舢) 、磷化铟( 1 i l p ) 、硒化铅( 1 b s e ) 、 碲化铅( p 蚺e ) 、硫化锌( z f l _ s ) 、硫化镉( c d s ) 、磷神化镓铟( 燃p ) 、铝镓弼t ( a l e 铀) 等。图1 1 中列出了各种半导体激光器材料及其产生的激光波长范围嘲l 。 ：三 嚣暑 甚 委 馨 n 老 墓磊 否雹 茎耋建l | | | 霎l 耋蓁l 耋霎 暑 垂 毒 芷 辂线性频枣交羧 掰g 。s f b d f g ，c p o 3 1 s “1o r i o n _ 夫干12 8 畹“ _ 一扣_ _ i - 磁材专；ii n c m j s f g n a s 伯8 0 1 8 8 0 腿 口口 y l 半毒田。m ( 1 i g 蝌i l l - v , 傅他镏襁盐黛串袋 , a 3 0 - - a o o n m t 9 0 0 - 4 7 0 0 n m ： 竺 暑 暑 波眨m m 图卜i 各种半导体激光器材料【盯i 在半导体中代表电子能量的是由一系列接近于连续的能级所组成的能带。如果 在p n 结上加正向的偏压，电子会从能量较低的价带( v a l e n c eb a n d ) 被激发到能量 较高的导带( c o n d u c t i o nb a n d ) 中去。如果处于粒子数反转状态的大量电子与空穴 发生复合，就会产生受激辐射。它的激光输出波长范围很广，因为电子不是在某些 单一能量的能级之间产生跃迁的，而是在各能带之问进行。半导体激光二极管的基 本结构如图1 2 所示。半导体激光器可以被广泛应用于激光打印、光盘记录存储、 光纤通信、光纤传感、激光医疗以及固体激光器泵浦等科研和工业领域。 4 硕士学位论足 m s 1 - e r s ，】- j l i ：sj s i 到1 2 、t - 8 体激光：极箭的基小 f ；构i 黼l 1 2 2 双异质结半导体激光器 边发射型的半导体激光器件可分为：砷 ，i i j 质结煅、p 片质结型和双片质结 型。对g a a s 类? 卜导体激光器来说，山川川种类的材料构成的p n 结称为川质结。 如果结的一边是g a a s ，而另一边是g a a i a s 则构成了异质结。j 有个异质结的、卜 导体激光器称为，t 异质结激光器，有两个异质结的则称为双片质纳激光器，如图1 3 所j ；。 川顺结异质结i - ij 币7 蚌l 五 肄质结 山山山山山 图1 3 ( a ) 同质结、( b ) 单异质绌和( c ) 舣异质结示意图降卅 同质结型激光器是在上个1 吐纪6 0 年代初! f f j 出现的。在f 乜流注入的激励下，电 子向p 区注入，一鼍八则不断地向ni x 汴入，：足存原来的p n 结耗尽l x i 内实现了钱 流t r 分斫j 的反车0 。棚刈。- j ：空穴的迁移速度术谚a ，i u ，r 的迂移速艘婴怏 艮多，它们l ： 彳j 源区内发- i - 辐射、复合，并在一定的条件f 产生激光。这种质结型激光器j i 能 以脉冲方式1 作。- _ i ：世纪6 0 年代后期f l ；现坼异质结激光器足j 士有1 i 同带隙的两 种半导体材料薄层( 如g a a s 或a i g a a s 等) 构成的，但l 足仍然必须在低温下工作。 1 9 7 0 年，g a a i a s g a a s 双异质结型激光器出现，其产生的激光波长为0 8 9 1 t m ， 可以在室温下连续工作的。其结构特点是注入的载流子被限制在一个薄层中，这个 不掺杂的、具有较窄能隙材料的薄层生长于p 型和n 型材料之问。所以只需要有较小 的注入r 乜流就可以实现载流了数的反转。在图1 4 中给h 了双异质结的结构及相关特 性。 ： 硕士学位论丈 m sr e r s 1 - 1 1 e s i s 屯玉五蔓j 噩 e ( b ) 譬 ! 巳 n 折 ( c ) 射 卑 p 光 ( d ) j j j 求f 图i - 4 舣片质结州激光器的( a ) 烈片屈i 乡 构；( b ) 能h 鸭i 构： ( c ) 折射二簪分前i ：( d ) 光功牢分川一9 0 1 】2 3 量子阱半导体激光器 量予阱是指i j 溥层交倚生k 方向的附加j 习j j j 势5 ) 4 1 i i i i 的势阱，它足w 为两种材 料f 门禁带宽度4 i 同i i i j 引起的。1 5 i i i 体巾的i f - 牙lx 旁f 阱- i i 的电了的。陀质完个不州，即 量子阱巾的电予表现出了量子尺寸效j 遁。第个半导体量予阱激光器( q w l ) 于 1 9 7 8 年出现，它火幅提高了半导体激光器的各利- 性能。 翟_ f - - i ：r 阱半导体激光器足以溥层的彤式变粹排列的、具订f i 川成分的炳刷，j 仁导 体材料构成的，它i 叮以将窄，- i f i ，t 隙- h z t 6 簿的自+ 源层火红宽带隙的半导体材料之问从而形 成势阱。当势阱的宽度小于材料中的 【lr 德斫j 罗意波k 时，就，叮以产生量j f 效心， 从而使连续的能； 分裂为了能级，进而从i 叮彳】利于载流子能够进行彳r 效的填充。 l j j 于处于各波段的低阂值、火功率的量：r 阱半导体激光器棚继研制成功，推动 了相关应用领域的发展。在1 9 8 4 年和1 9 8 8 年分别实现了v c s e l 在室温下的脉冲 和连续工作。而且，量子阱半导体激光器已成为了光纤通信系统中的理想光源。 9 8 0 n m 低阈值大功率l n a s g a a s 、a i g a a s i n g a a s 、i n g a a s g a a s 和a i g a l n p i n g a a s 应变量了阱激光器相继研制成功，可以为掺铒光纤放人器( e d f 人) 提供泵浦。i 酊 激光波长位于可见光波段的i n g a p a i g a l n p 红色应变量子阱激光器和l n g a n 蓝色多 量子阱激光器以及使用多量了阱材料的族氮化物3 f 导体( n i t r i d es e m i c o n d u c t o r ) 激光器的出现进一步扩展了半导体激光器的应用范围。 1 2 4 量子级联半导体激光器 量子级联激光器( q u a n t u mc a s c a d el a s e r ，简称q c l ) 在结构上是重复的多量 予阱，其有源区是山耦合量子阱的多级串接组成。它的粒予数反转产j l 在垂直于只 有纳米级厚度的半导体异质结薄层内的、i l i 于量子限制效应产牛的分离 乜子态之 间。其工作原理是i 乜子从注入区通过共振隧穿通过势垒，贯穿进入筇一个势阱的n = 3 激发态。其中的一部分电子通过受激辐射跃迁到n - - 2 激发态并释放出相应频率的光 子，另一部分电子则会通过其它的非辐射驰豫过程跃迁到n = 2 及n = 1 的慕态上。 处于n = 2 激发态上的电子通常会通过光学声予辅助共振而快速跃辽剑龌态，从而使 n = 3 及n - 2 的两个态之问实现粒子数反转。而n = 1 念巾的电子隧穿过一个数字递 变超品格进入下一个有源区，然后重复以卜过程从而形成级联。鞋f 级联结构和f u 子隧穿效应如图1 5 所示。 图i - 5 鼙j f 级联结构和电子隧穿效应例1 由量子限制效应所决定的耦合量子阱的子带问能量差决定了激光器的工作波 长，因而其波长与带隙没有直接的关系。所以，通过改变量子阱的厚度和问隔可以 实现对波长在较大的范围内进行调谐，出射激光可以覆盖中红外、远红外到太赫兹 波段。以i n p 和g a a s 为衬底的i i i v 族材料体系是量子级联激光器的主要研究对象。 目前已经研制出了基于i n a s a i s b 、i n a s a i a s 、g a a s a i g a a s 、i n g a a s i n a i a s 、 i n g a a s a i a s s b i n p 等材料体系的量子级联激光器，并已经实现了在室温下连续工 作。量子级联激光器可广泛应用于红外通信、远距离探测、污染物监测、工业处理 过程监控、光探测等众多商业和军事领域。目前，对量子级联激光器的研究已经在 大功率、高温连续和单模工作等方面取得了显著的进展。 7 _i-，l_tjt-_-_l_j_1jt_1_，j 】2 5 自由电子激光器 i i “i i ur 激光( f r e ee l e c l r o nl 圳c r鲋杯f e i ) 的j 小概念址1 9 3 0 印 k a 巾加和j l m d i r , 挺帕pj 足“j = | _ 1 9 7 l 小jm ：m m 爿f jj 越j j ；j i 苫 称州第次的f 川i i uj 7 激光破人霞聃l | l re l i a s 等人j 1 9 7 6 ：f 完成。2 正 r c m a r s h a l l 等人川较| ：! | i 的泉i i l i 场进 i 。了l ，3 u r n 波段的r l i | i i i lr 激光坡大实验，成 功地产q - 了数兆6 l 级的输：1 功牢。1 9 7 7 , 1 i 1 0 i t l l 州人学da ( i d e a c o n 等人研制成纰 台缸外r i i i t i u r 激光搬荡器。 ( i j i ur 激光器i - 业i h i ；j l i 分成：r 牛牛刈沦叽r 水溺m “4 能i 也f 速 器、j “，i - 川期性磁场的攒功器( 或被动器jl 肢f e 类* 的激光器挪小z 1 j 缺少 帕i 指振腔。它通过州埘| 仑i ur 求d ：扎! i ；脏i t 舯振荡，。乍激光。j h | 刈沧：i 【r 小n 山i i l f i l f 激光器中起种一作物质的作川，它i l l 曲能i 址f 加i 述器j “乍。攫动器j 。 i ：崩期性变化的磁场。l nr l ij 扯磁场- ir 受到湍伦丝力帕计：川l m 做删j l 】性的摆 础逛功，所以 ：册磁场的冉向l 秆，它川、1 卜个振渤们i i i 删饭j 。相+ 返个j = l ： 车c _ ! - l - l ur 会产，i - r l 丝* l 射i i 发射i u 磁波。i i 卜磷场埘i l fr 的f 1 ：川桃像迎l n l 术的入射光波。”，川咀j - 乍康| 1 午倾融刑烛叱 i 、l “小噬，艟担咐i l ij 用j 兜 场年f 们川位“i 小川。f b i br 螂被甜能：”j ；进胜川州j ：i 均划崔馊寸j ” 坩b i u f 失去能景，使褂述度变世，i ! | j j 。牛r i ：= 皂槲川，4 。1 1 i 乜r 求和光场小1 j 作川加强时，适当造毗1 乜r 能量f f 以对光场址 r 放人。黹搬脏i 。i 挫，山器叫端的 曲块光学反射镜组成，它婴j 仃较小的_ | ；i 耗井jl 仃较宽的通带，从l 以柚：较 宽的坡k 范围内i ：作。罔i 6 足口山i 乜予馓光j ”乍的睬州1 卅。 削1 6a 小i br 激光j 州l 的原理削i 2 1 通过改变电子的力述l 乜压、磁场强度e 卫发磁场极性变换的问j | f l 就可以对n m 也，激光器产生舯激光波长进行谢谐。输m 的激光波k 可以褴箍从艇米波剑 x 身j 线波段。1 。作札紫外、”r 见光及 1 ：9 1 - 波段的f l i h l i i _ 激光器均止“推导。r l 河 已做到p s ( 皮秒) 级的自由电子激光脉冲，峰值功率可达g w 数量级。它在光化 学、通信、材料处理和加： 、激光同位素分离、激光光谱学、生物医学、军事 等众多方面有广泛的应用。 】2 6 差频激光器 位于2 5 , - 一1 5 1 a m 中红外范围内的可调谐窄带激光光源对j j 二众多相关领域f f 勺研究 具有重要意义。为了得到同时具有宽调谐和窄带宽的激光，可以通过非线性光学晶 体的二阶非线性光学效应进行频率转换来获得。 频率转换过程是入射光进入晶体时，由于光i 乜场引起品体分子巾外层l 乜予的变 化，使其偏离平衡位置，从而形成感应电偶极矩。单位体积的感应电偶极矩的矢量 和定义为极化强度。极化强度可以分为线性极化诒i 度和非线性极化强度两个部分。 当入射光光强较大时，电子的位移较大，会出现高次谐波的成分，并因此会产生二 阶、三阶非线性效应。其中，二阶非线性过程足三种光波的相互作用过程，包括差 频、和频、倍频、光学参量产生等，如图1 7 所示。通常把这三种光波i 。频率最低 的光i 称为闲频光，频率较i 苗的光蝴称为泵浦光，频率居中的光t 0 2 称为信号光。 t o + t oj203-t029 f a 、j 涵一2 ( o ( c ) “3 ： ：0 3 1 州 二= = = 型o ) 2 _ 二一二二二一二- l i + t 0 2j 3 37 0 ) 1 士9 1 嘞：l 舅一，蝤一_ ：芝 幽1 7i ( a ) 倍频产生( b ) 和频产生( c ) 著频产生( d ) 光学参量产生唧1 甜j 位匹配( p h a s em a t c h i n g ) 是实现有效的：阶：眼线性效应的父键。实现年n 化l ! 垦 配可以利用各向异性晶体的双折射特性，使j 束光波具有不同的线偏振念，通过改 变光的入射角度以及品体的温度可以调节它们在晶体中的传播常数。1 9 6 2 年 j a 。a r m s t r o n g 等人提出了非线性光学中的准相位匹配( q u a s i p h a s e - m a t c h i n g ，简称 q p m ) ，即每经过一个相干长度的距离，利用周期性的超晶格来改变晶体中的非线 性光学系数的符号，从而使得产生的二次谐波之问的相位差能够形成相干叠加，使 二次谐波的强度得以相干增强。当满足适当的相位匹配条件时，各种混频过程有最 大增益，可以达到最大输出值。 差频激光器( d i f f e r e n c ef r e q u e n c yg e n e r a t i o n ，简称d f g ) 利用高功率的泵浦 光与低功率的信号光通过差频产生闲频光。目前已经有数量众多的晶体种类可以进 行频率转换，产生的激光覆盖了0 1 2 0 p m 的范围。差频过程中目前常见的非线性 晶体有l b o 、b b o 、k t a 、k t p 、a g g a s 2 、a g g a s e 2 、l i n b 0 3 、z n g a p 2 、p p l t 、 9 ： 硕士学位论文 m a si _ l ：1 s 。1t t e s i s p p i 。n 、p p k 7 f p 等。在图1 8r f l 给出了一些竹线性品体的透i 刿范h ；i 引仁线性系数绝 对值的关系。通过选h ) ( 4 i i i ；：】种类的r l t 体、改变- i 体濉度、转动f 1 1 1 1 体们度、改变信 ， 光和泉浦光的频j 簪等方法，l 叮以得剑 ! 宽的渊晰范。芹频激儿、石! 齐l i 卜- 人i 污染物盼 洲、光化学、分n 匕谱、激光红外刈- b i 4 ：l i i i i ：j f 讧索分离等钡域- i ，彳r 广泛j k t , l 1 】。 一” 。 l c d g e a s 2 1 i1 1 0 0 j z 淄n g e 。p 2 二二二二二二 lg a s e j