光电子材料-3-第三章-光电子材料基础

第三章光电子材料基础半导体光学性质激光原理激光材料激光应用及新特点概述光电子技术是由光学和电子技术相结合形成的一门高新技术，它伴随光通信和信息科学的发展而发展。光电子材料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等。光电子技术从上世纪60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、CCD的问世，再到80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，短短几十年得到了迅速的发展。1半导体光学性质半导体与光的作用包括反射、吸收和透过，而吸收特性主要取决于半导体的能带结构。半导体吸收光谱半导体光吸收过程自由载流子吸收：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：价带到导带的跃迁激子：指一种中性的非传导电的束缚状的电子激发态1半导体光学性质半导体的激发与复合半导体的激发光吸收、电子注入、电子束注入半导体的复合直接复合与间接复合体内复合与表面复合半导体中载流子复合机制三种释放能量方式发射光子发射声子载流子之间的能量交换1半导体光学性质2激光原理2.1激光器的产生及历史1916年爱因斯坦提出了受激辐射的概念1954年美国物理学家汤斯研制成第一台微波激射器

（1.25cm）1958年美国的汤斯和苏联的巴索夫及普罗霍洛夫等人提出了激光的概念和理论设计

1960年美国的梅曼研制成功第一台红宝石激光器。我国的第一台激光器于1961年在长春光机所研制成功

1960-5-17，TedMaiman发明第一台激光器2.1激光器的产生及历史第一台红宝石激光器的拆卸图2.1激光器的产生及历史1960年12月，美国科学家贾万等人制造了第一台气体激光器——氦氖激光器。1962年，发明了半导体激光器。1966年，研制成了可在一定范围内连续调节波长的有机染料激光器。1965年，第一台大功率激光器——二氧化碳激光器诞生。1967年，第一台Ｘ射线激光器研制成功。2.1激光器的产生及历史我国的第一台激光器于1961年在长春光机所研制成功

我国激光技术发展历史

1957年，王大珩等在长春建立了我国第一所光学专业研究所——中国科学院（长春）光学精密仪器机械研究所（简称“光机所”）。

表一：我国各类激光器的“第一台”

He-Ne激光器

1963年7月

邓锡铭等

掺钕玻璃激光器

1963年6月

干福熹等

GaAs同质结半导体激光器

1963年12月

王守武等

脉冲Ar+激光器

1964年10月

万重怡等

CO2分子激光器

1965年9月

王润文等

CH3I化学激光器

1966年3月

邓锡铭等

YAG激光器

1966年7月

屈乾华等E2E1h2.2.1自发辐射受激辐射和受激吸收自发辐射

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2.2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射，频率、振动方向、相位都不固定，不是相干光。受激吸收

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。低能级E1高能级E2光子2.2.1自发辐射受激辐射和受激吸收

当原子中的电子处于高能级时，若外来光子的频率恰好满足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。E2E1全同光子h受激辐射2.2.1自发辐射受激辐射和受激吸收实验表明，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。

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。光放大2.2.1自发辐射受激辐射和受激吸收LASER：受激辐射光放大LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation2.2.1自发辐射受激辐射和受激吸收2.2.2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。粒子数分布满足玻耳兹曼统计分布：若E2>E

1，则两能级上的原子数目之比数量级估计：T～103K；kT～1.38×10-20J～0.086eV;E2-E1～1eV;但要产生激光必须使原子激发，且N2>N1,称粒子数反转。2.2.2粒子数正常分布和粒子数反转粒子数反转：激光产生的必要条件！如何实现？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2.2.2粒子数正常分布和粒子数反转原子处在激发态时间很短10-8s，但还有一些亚稳态，可以停留10-3s,在亚稳态上粒子数不断积累，实现粒子数反转，达到光放大的目的。工作物质内部结构铬离子、钕离子、氖原子、二氧化碳分子、氩离子2.2.2粒子数正常分布和粒子数反转1231234三能级系统四能级系统红宝石：Cr3+YAG：Nd3+2.2.2粒子数正常分布和粒子数反转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。2.2.2粒子数正常分布和粒子数反转对固体型的工作物质常常应用强光照射的办法，即光激励。这类工作物质应用的有掺铬的刚玉、掺钕玻璃、掺钕石榴石等。对气体型的工作物质，常应用放电的方法，促进特定储存气体物质按照一定的规律经放电而激励，常用的工作气体物质有分子气体（CO2气体）及原子气体（He-Ne原子气体）工作物质为半导体的物质，采用注入大电流方法激励放光，常见的有砷化镓，这类物质注入大电流的方法被叫做注入式激励法。2.2.2粒子数正常分布和粒子数反转此外，还可应用化学反应方法（化学激励法）、超音速热膨胀法（热激励），电子束甚至用核反应中生成的粒子进行轰击（电子束泵浦、核泵浦）等方法，都能实现粒子数反转分布。从能量角度看，泵浦过程就是外界提供能量给粒子体系的过程。激光器中激光能量的来源，是由激励装置从其他形式的能量（诸如光、电、化学、热能等）转换而来。2.2.2粒子数正常分布和粒子数反转2.2.3激光的形成光学谐振腔

其作用是产生和维持光振荡。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光振荡。从部分透反射镜透射出的光很强，这就是输出的激光。激光的方向性、单色性很好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，谐振腔又起选频的作用----单色性好。2.2.3激光的形成根据上面的分析，产生激光有三个主要元素：（1）激活介质能经受激发射而使入射光强放大；（2）能使激活介质产生粒子数反转的泵浦装置；（3）放置激活介质的谐振腔，产生和维持光

振荡，从而实现光放大并实施发射频率的选择。2.2.3激光的形成激光产生的阈值条件2.2.3激光的形成在谐振腔内还存在着许多损耗因素，如反射镜吸收、透射和衍射，以及工作物质不均匀造成的光线折射和散射等。如果各种损耗的结果抵消了谐振腔的光放大过程，就不可能有激光输出。2.2.3激光的形成阈值条件：R1R2e2a(V)L≥1。式中R1和R2分别为谐振腔两块反射镜的反射率，a（V）为工作物质的增益系数，L为两个反射镜的间距。阈值条件表明，光在谐振腔中经过1次往返，即经过两次反射后，光强都要改变R1R2e2a(V)L倍，如果R1R2e2a(V)L小于1，就意味着往返一次后光强减弱，经过多次反射后会越来越弱，因而不可能建立激光振荡。2.2.3激光的形成只有当粒子反转数达到一定的数值时，光的增益系数才足够大。因此，实现光振荡并输出激光，除了具备合适的工作物质和稳定的光学谐振腔外，还必须减少损耗，加快泵浦抽运速率，从而使粒子反转数达到产生激光的阈值条件。2.3激光器组成工作物质(基质和激活离子)激励源(泵浦)光学谐振腔激励源激光束工作物质全反射镜部分反射镜光学谐振腔：通过工作物质对激光提供反馈，以激发更多的光发射。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、化学激励、核能激励)等激发源激发工作物质实现激射。2.3激光器组成

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离子气体（氩离子、氪离子）工分子气体（CO2、CO、N2分子）作准分子气体（XeF、KrF）

物有机荧光染料（如罗丹明B）质

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）激光器辅助材料窗口、透镜材料（如GaAs、ZnSe）抗反射涂层（ZrO2、SiO2

、TiO2、MgF2等）其它2.3激光器组成

固体工作物质可粗略分为晶体和玻璃两大类。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％。

2.3激光器组成(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发的泵浦能的抗热冲击能力，对一些运转方式如连续运转或高功率、高重复率脉冲运转颇为关键。对于这些运转方式，利用热膨胀系数低、强度高、热导率高的晶体更合适。这些性质的相对数值大体上与化合物的熔点有关，因此使用高熔点化合物更有利。2.3激光器组成（4）光学性质：理想晶体应对泵浦波长有较强吸收，对激发波长吸收很弱。（5）纯度：生长激光晶体所用氧化物纯度为5~6个“9”，总杂质含量不得超过1－10ppm

。2.3激光器组成2.4激光的特性方向性单色性相干性能量高度集中+2.4激光的特性激光束的方向性与激光器的工作物质种类和光学谐振腔的形式等有关。气体激光器的工作物质均匀性好，谐振腔长，因而光束方向性最强，发散角在10-3-10-4弧度，其中氦氖激光数发散角最小。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弧度范围内。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。方向性好2.4激光的特性激光的单色性好，一些气体激光器，如氦氖激光，谱线宽度极窄，不到10-8nm。这比普通光源中单色性最好的氪灯的谱线窄数万倍。激光的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。单色性好2.4激光的特性所谓光的相干性，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，氦氖激光的相干长度可达数百米。相干性高2.4激光的特性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原故。例如一台输出仅lmW的氦氖激光器发出的光也比太阳表面光亮度高出100倍。功率密度大2.4激光的特性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以获得更高的峰值功率。用调Q或锁模技术可使激光器在毫微秒(ns)或微微秒(ps)的极短时间内释放原来用数毫秒释放的能量，从而可获得兆瓦级峰值功率，这是普通光源无法实现的。通常的激光器，一般都呈现为多个纵模同时振荡输出。用锁模技术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。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。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。2.4激光的特性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界和超快过程的研究提供了重要手段。2.4激光的特性2.5激光器的种类激光器的分类激励方式工作物质工作方式输出波长谐振腔结构工作物质：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；工作方式：连续激光器、脉冲激光器、超短脉冲激光器、可调谐激光器；激光波长：红外光激光器、可见光激光器、紫外光激光器、毫米波激光器、X射线激光器；激励方式：电激励激光器、光泵浦激光器、热能激励激光器、化学激光器；谐振腔结构：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；2.5激光器的种类3激光材料

常用的激光材料激光材料的制备方法3.1.常用激光材料激光工作物质分为固体、液体和气体激光工作物质。它们构成的激光器中固体激光器是最重要的一种，它不但激活离子密度大，振荡频带宽并能产生谱线窄的光脉冲，而且具有良好的机械性能和稳定的化学性能。固体激光工作物质又分为晶体和玻璃两种。(1)激光晶体材料大多数激光晶体是含有激活离子的荧光晶体，按晶体的组成分类，它们可分为掺杂型激光晶体和自激活激光晶体两类。然而，前者占了现有激光晶体的绝大部分。掺杂型激光晶体由激活离子+基质晶体两部分组成。一、激活离子主要有：过渡族金属离子三价稀土离子二价稀土离子锕系离子常用的主要为前两类。近来，已开始进一步研究其他金属离子作为激活离子的可能性。3.1.常用激光材料掺杂型激光晶体二、基质晶体是指那些阳离子与激活离子半径、电负性接近、价态尽可能相同、物理化学性能稳定和能方便地生长出光学均匀性好的大尺寸晶体，主要有氧化物和复合氧化物、含氧金属酸化物、氟化物和复合氟化物三大类。3.1.常用激光材料自激活晶体当激活离子成为基质的一种组分时，就形成了所谓的自激活晶体。一般说提高效率的途径之一是提高激活离子浓度。但是激活离子浓度增加到一定程度时，会产生浓度猝灭效应。考虑能级间能量的电偶极交叉弛豫，高浓度自激活激光晶体的基本物理要求是，不存在通过共振交叉弛豫使亚稳能级退激发的通道和激活离子间具有较大的间距。3.1.常用激光材料主要的自激活晶体材料晶体空间群最邻近的阳离子数波长/μm寿命/μs寿命比最大浓度/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(2)

激光玻璃尽管玻璃中激活离子的发光性能不如在晶体中好，但激光玻璃储能大，基质玻璃的性质可按要求在很大范围内变化，制造工艺成熟，容易获得光学均匀的、从直径为几微米的光纤到长达几微米的玻璃棒和几十厘米的玻璃板，以及价格便宜等特点，使激光玻璃在高功率光系统、纤维激光器和光放大器，以及其他重复频率不高的中小激光器中得到了广泛的应用，与激光晶体一起构成了固体激光材料的两大类，并得到了迅速的发展。

3.1.常用激光材料激光玻璃中的激活离子和基质激活离子：由于配位场的作用，使基质玻璃中极大部分3d过渡金属离子实现激光的可能性较少，而稀土离子由于5s和5p外层电子对4f电子的屏蔽作用，使它在玻璃中仍保持与自由离子相似的光谱特性，容易获得较窄的荧光，因此在激光玻璃中激活离子是以Nd3+离子为代表的三价稀土离子。基质：作为基质玻璃，最早的激光输出是在掺钕钡冕玻璃中实现的。表3.1-2列出了若干掺钕玻璃的荧光性质，在此基础上，并根据各种激光器对激光玻璃物理化学性质的要求以及制造工艺的可行性，研制出许多品种钕激光玻璃。3.1.常用激光材料若干掺钕玻璃的荧光性质基质玻璃荧光中心波长/μm荧光线宽/cm-1受激发射截面/10-21cm2辐射跃迁几率/s-1荧光分支比

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硅酸盐1.058~1.062340~4001.0~3.01100~30000.45~0.51.48~1.75磷酸盐1.052~1.057250~3502.0~4.52000~35000.48~0.551.49~1.65硼酸盐1.060~1.065290~4202.0~3.02200~35000.48~0.601.52~1.70碲酸盐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3.2激光材料制取方法3.2.1激光晶体制取方法3.2.2半导体激光材料的制取方法2023/2/3

A焰熔法(维尔纳叶法)

氢氧燃烧产生的高温使料粉通过火焰加热熔融，熔滴落在籽晶上，使籽晶杆下降进入炉子的较冷部分随即结晶。该法设备简单、不用坩埚，适于生长熔点大于1800℃(可达2500℃)的晶体如红宝石、钇铝石榴石(Y3A15O12)和Y2O3等基质晶体，缺点是晶体内应力大、位错密度高及存在化学不均匀性。3.2.1激光晶体制取方法B直拉法

适于生长共熔化合物单晶，易自动化，能生长非常大的完美单晶，如CaWO4、CaMoO4、红宝石、碱土金属卤化物及石榴石晶体等。近年来出现的钆钪镓石榴石Gd3Sc2Ga3O12(简称GSGG)就是用直拉法生长的。采用铱坩埚在含l~3％O2的氮气氛中生长(感应加热)，已生长出直径130mm、长100mm的晶坨，晶体尺寸大、质量高、适于制造高平均输出(1KW)的板条激光器（规格l×10×20cm3)，在金属加工方面可与CO2激光器竞争。3.2.1激光晶体制取方法

作为可买到的商品Nd∶YAG一般都采用直拉法生长，已制出最大直径约10mm、长达150mm的激光棒。还制出直径75mm的非掺YAG晶锭。由于生长时间慢(0.5mm/h)，生长10~15cm长的晶棒，耗时数周，造成高的生产成本。目前正在研制400一1000W的Nd∶YAG板条激光器。此外，钕含量比YAG高6倍的Nd：LMAO(Nd：La1－XMgAl11O19)也是用直拉法生长的。这种晶体解决了钕含量低使输出功率受限制的问题，已实现高功率输出，近年内可望制成千瓦级小型固体激光器，其激射波长为1．054µm。3.2.1激光晶体制取方法

该法将籽晶置于坩埚底部的中心位置，熔料装到籽晶的上方、坩埚位于热交换器的上部，用石墨电阻炉生长激光晶体。对于给定的物料，炉温决定液体内的温度梯度，热交换器的温度决定固体内的温度梯度。固液界面因浸没在熔体表面以下，不受机械和温度扰动的影响，故可实现均匀生长，最大限度地降低生长条纹，获得均匀的掺杂分布。该法适于生长Cr：A12O3(红宝石)、Nd：YAG、Co：MgF2和Ti：A12O3(蓝宝石)，能获得大尺寸优质晶体，如Φ65mm的Co：MgF2晶体和Φ320mm、重50Kg的蓝宝石晶体。C热交换器(HEM)法3.2.1激光晶体制取方法2023/2/361

半导体激光器主要用于光学器件、激光唱盘、激光印刷机和光纤通信等领域。目前研制的半导体激光材料体系，短波长(0.7~1.0µm)材料以(Ga,Al)As／GaAs为主；长波长(1.10~1.6µm)材料以(In,Ga)(As,P)／InP为主。因此GaAs，InP衬底材料及((Ga,Al)As，(In,Ga)(As,P)外延膜质量至关重要。3.2.2半导体激光材料的制取方法2023/2/362衬底用GaAs单晶的生长，目前用高压液体覆盖直拉(LEC)法已获得Φ125mm的高纯单晶。在生长过程中，通过采取理想的热环境，尽可能使固－液界面保持低的温度梯度，保持表面凹向熔体以及进行等电子掺杂等措施，显著降低了位错密度。用水平布里支曼(HB)法已获得宽80mm、长100mm的GaAs晶体，位错密度比LEC晶体低，更适合作衬底材料。生长InP远比GaAs困难，通常用LEC法生长，已能生长直径达75mm、重1.2kg的无孪生InP单晶。3.2.2半导体激光材料的制取方法外延膜的生长除常用的液相外延外，分子束外延(MBE)和金属有机化学气相沉积(MOCVD)等新的薄膜生长方法发展很快。目前生长GaAs和(Ga,Al)As量子阱结构(0.6~0.8µm)以用MBE和MOCVD为宜，对波长1.2~1.6µm的(In,Ga)(As,P)/InP体系，以用氢化物输运气相外延为宜。分子束外延是一种在晶体基片上生长高质量的晶体薄膜的新技术。在超高真空条件下，由装有各种所需组分的炉子加热而产生的蒸气，经小孔准直后形成的分子束或原子束，直接喷射到适当温度的单晶基片上，同时控制分子束对衬底扫描，就可使分子或原子按晶体排列一层层地“长”在基片上形成薄膜。该技术的优点是：使用的衬底温度低，膜层生长速率慢，束流强度易于精确控制，膜层组分和掺杂浓度可随源的变化而迅速调整。外延生长法3.2.2半导体激光材料的制取方法3.1气体激光器气体激光器是以气体或蒸气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X射线波段和毫米波波段。气体激光器具有输出光束质量高、转换效率高、结构简单、造价低廉等优点。被广泛应用于工农业、国防、医学及其他科研领域等。气体激光器激励方式光激励热激励化学能激励电激励气体放电电子束激励气体激光器最主要的激励方式3.1气体激光器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。气体放电分为直流或交流连续放电、射频放电和脉冲放电等。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能后，产生粒子数反转。光激励的气体激光器主要工作于远红外和亚毫米波段的激光器。3.1气体激光器热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化学激光器，其最大特点是将化学能直接转换成激光，原则上不需外加电源或光源最为激励源。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较高能级上的粒子得以积累，从而实现粒子数反转。3.1气体激光器气体激光器

——原子激光器，离子激光器，分子激光器，准分子激光器。原子激光器：以氦—氖激光器为代表，这种激光器大都是连续工作方式，输出功率在100mW以下，多用于检测和干涉计量。离子激光器：以氩离子激光器为代表，这种激光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，医学及全息学等方面。3.1气体激光器分子激光器：以CO2激光器为代表，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，还用于测距，通信。准分子激光器：特点—发光都在紫外波段。

用途—用于微细加工，光刻及医学。

原理—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。3.1气体激光器He-Ne激光器：最早问世的气体激光器，主要波段在可见光区或近红外区，具有输出光束质量好、输出功率和频率稳定度高、结构简单紧凑等特点，寿命可达数万小时。气体原子激光器输出谱线：632.8nm，1.15μm，3.39μm，以632.8nm为最常见。功率在mW级，最大1W光束质量好，发散角可小于1mrad单色性好，带宽可小于20Hz稳定性高3.1气体激光器Ne原子的3S2P、3S3P和2S2P能级之间获得100多条谱线，其中最强的三条谱线：632.8nm，3.39μm和1.15μm，分别对应于能级3S22P4、3S23P4和2S22P4之间的跃迁。He-Ne原子能级结构3.1气体激光器He-Ne激光器属典型的四能级系统，Ne原子激光上能级的激发主要有两个过程：a.电子碰撞直接激发Ne（1S0）+eNe（3S、2S）+eb.He-Ne能量共振转移过程He（1S0）+eHe*（21S0、23S1）+eHe*（21S0、23S1）+Ne（1S0）He（1S0）+Ne*（2S2、3S2）±ΔE∞过程b激发Ne的速率是过程a激发速率的60~80倍3.1气体激光器He-Ne激光器结构形式和实物图He-Ne激光器结构3.1气体激光器组成放电管电极光学谐振腔毛细管：放电工作增益区贮气管：增加工作气体总量采用冷阴极形式，通常为铝或者铝合金；阳极为钨针。一般采用直流放电激励。放电长度为1m激光器，起辉电压8000V，工作电流几毫安至几百毫安。由一对高反射率的多层介质膜反射镜组成，一般采用平凹腔形式。输出平面镜透过率1~2%，凹面全反镜的反射率接近100%。3.1气体激光器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。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。3.1气体激光器Cu原子能级结构Cu原子有两条主要激光跃迁线：510.6nm（绿）

2P3/2

2D5/2578.2nm（黄）

2P1/2

2D3/2Cu原子能级结构和激光跃迁3.1气体激光器分子气体激光器波长9－11μm，最常见10.6μm效率高光束质量好功率范围大（几瓦～数十万瓦）运行方式多样结构多样CO2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，脉冲功率达1012W，能量转换效率达20~25%。3.1气体激光器CO2分子是线性对称排列的三原子分子，有一条对称轴以及垂直于对称轴的对称平面。具有三种基本振动方式：对称振动（ν1）形变振动（ν2）反对称振动（ν3）CO2分子的振动能级可用振动量子数来表示。3.1气体激光器CO2分子能级结构10.6μm000110009.6μm000102003.1气体激光器CO2激光器类型封离型纵向激励CO2激光器高功率轴快流CO2激光器高功率横流CO2激光器横向激励高气压CO2激光器波导CO2激光器3.1气体激光器CO2激光器运行方式3.1气体激光器高功率分子激光器工作物质：准分子气体高重复率可调谐量子效率高波长短，紫外到可见区主要的准分子激光器准分子激光器3.1气体激光器准分子激光器能级结构跃迁过程：束缚态-自由态泵浦要求：大面积均匀放电快速泵浦激励泵浦方式：电子束泵浦脉冲放电泵浦3.1气体激光器电子束激励准分子激光器结构图3.1气体激光器Ar+激光器气体离子激光器主要波长488nm，514.5nm常见功率几十瓦，最高500W能量转换效率低气体离子激光器是以气态离子在不同激发态之间的激光跃迁工作的一种激光器，主要分惰性气体离子激光器、分子气体离子激光器和金属蒸气离子激光器。特点是输出波段遍布紫外到近红外，是目前可见光波段连续输出功率最高的激光器；阈值电流密度相当高，可达几百安培。3.1气体激光器Ar+激光器工作原理Ar+能级的粒子数反转主要靠气体放电中电子与Ar、Ar+之间的碰撞激发过程。Ar+激光器工作特性阈值电流强度磁场对输出效率的影响：可以减少离子对放电管壁的轰击，提高输出功率和效率输出谱线：488.0nm和514.5nm波长（nm）488.0514.5476.5496.5501.7472.7阈值电流（A）4.578912142023/2/3883.2固体激光器

固体激光器是以固体为工作物质的激光器。目前，实现激光振荡的固体工作物质达数百种，输出激光谱线达数千条，连续运转输出功率达数千瓦，脉冲激光能量达几十万焦耳，峰值功率高达拍瓦（1015W）。广泛应用于工农业、军事技术、医学、分子生物学和科学研究等。2023/2/389固体激光器基本结构激光工作物质泵浦源谐振腔聚光腔冷却与滤光2023/2/390固体激光器工作物质工作物质包括激活离子和基质材料2023/2/391主要的基质晶体金属氧化物晶体：刚玉、钇铝石榴石（YAG,Y3Al5O12）、铝酸钇（YAP,YAlO3）、钒酸钇（YVO4）、五磷酸钕（NPP）、五磷酸镧钕（NLPP）氟化物晶体：氟化钙、氟化钡、氟化钇锂、氟磷酸钙（FAP）高浓度自激活晶体：如NdP5O14中Nd3+的浓度在50℃可达到4×1021cm-3，比YAG:Nd3+最高掺杂（~1.2%）高30倍。这类晶体的激活成分本身就是基质的组成，故称作自激活晶体，是发展微型激光器最有应用前景的材料色心晶体：碱金属卤化物，如LiF:Nd3+、LiF:Na+2023/2/3922023/2/393红宝石激光器

最早的激光系统是红宝石激光器（Rubylaser），由Maiman1960年发明，并且至今仍然是一个重要的激光系统。红宝石激光器以刚玉为基质晶体，掺入0.05%wt的Cr3+作激活离子。刚玉化学式为Al2O3，α-Al2O3为红宝石激光晶体，掺杂的Cr3+取代α-Al2O3晶格中的Al3+离子。2023/2/394

用氙灯的强可见光照射到红宝石晶体上，Cr3+离子的d电子从基态4A2激发到较高的激发态4F1、4F2能级。这些能级上的电子通过非辐射过程很快回到稍低一些的能级2E。2E激发态能级的寿命非常长，约为5×10-3秒。这意味着有足够的时间可以将这种激发状况普遍化，实现粒子数反转。从能级2E回到基态就产生激光。在这一转变过程，晶体相中许多离子互相激励，便产生了强的波长为693nm的相干红光脉冲。红宝石激光器能级结构2023/2/395反射镜闪烁灯红宝石开关激光束红宝石激光器的构造红宝石激光器的主体是一根长数百厘米、直径1-2厘米的红宝石晶体棒，周围环绕着闪烁灯，还可以在两侧也装上灯，使得它从各方向都受到有效的辐照。棒的一个侧端装有一个镜子，使得发出光又返回棒中。另一侧端装有Q阀。其实这是一个可旋转的镜子，既可以允许激光束从系统中射出，又可以将光束返回棒中，只是当光束强度达到最佳要求时才被发射出来。这样，由于激光束在棒中往返通过，形成了更多的激活中心，就使初始相干辐射脉冲强度变大。红宝石激光器的构造2023/2/396红宝石激光器输出特性右侧反射镜反射率约为50%时最佳：阈值较低，腔内光能密度较大，耦合效率较高，激光输出最强。2023/2/397红宝石激光器工作特性2023/2/398Nd3+：YAG激光器掺钕钇铝石榴石晶体（Nd3+：YAG）是以无色透明的钇铝石榴石晶体（化学式Y3Al5O12，记作YAG）为基质，掺入Nd3+为激活离子，Nd3+部分取代YAG中的Y3+，掺钕的重量比为0.725%，掺钕后，晶体是淡紫色。2023/2/399Nd3+：YAG激光器能级结构4F3/2

4I9/20.914μm4F3/2

4I11/21.06μm4F3/2

4I13/2

1.35μm2023/2/3100Nd3+：YAG激光器输出特性连续工作Nd3+：YAG激光器输出特性2023/2/3101Nd3+：YAG激光器工作特性连续工作Nd3+：YAG激光器工作特性2023/2/3102固体激光器泵浦系统固体激光工作物质中的粒子数反转分布都是由光泵激励来实现的。泵浦系统包括泵浦光源和聚光腔两大部分，泵浦光源必须具有较高的辐射功率密度和效率，并且与工作物质的吸收带相匹配。聚光腔又称泵浦腔，其作用是将泵浦光源的辐射能量传输到激光工作物质上去。2023/2/3103泵浦光源惰性气体放电灯

脉冲氙灯：Xe气气压高，短时间大电流放电

连续氪弧灯：具有稳定的、显著线状光谱特性的光辐射，发光效率高（Nd3+：YAG）金属蒸气放电灯白炽灯发光二极管激光太阳能泵浦2023/2/3104脉冲氙灯的发射光谱图连续氪弧灯的发射光谱图2023/2/3105聚光腔为将泵浦光源的辐射能量有效传输到激光工作物质上去，采用多种不同的投射系统，聚光腔大致分为侧面泵浦、端面泵浦和面泵浦三种。

侧面泵浦2023/2/3106

端面泵浦2023/2/3107

面泵浦优点：泵浦光均匀性好，散热效果好，热畸变较小。适用于大功率固体激光器。2023/2/3108固体激光器的构型典型光泵浦固体激光器的工作物质都采用圆柱形状。为改善输出激光特性和适应特殊场合要求，还有一些特殊构型，如板条状激光器、盘片状激光器和光纤激光器等。2023/2/3109

板条状激光器锯齿形光路板条状激光器锯齿形光路增加了光束的增益长度，提供了激活介质的利用率和激光器的效率，增大了激光器的输出功率。2023/2/3110光纤激光器光纤激光器原理图2023/2/3111光纤激光器特点

光纤芯径很小，光纤内易形成高的泵浦光功率密度；光纤可以做成很长，因此可获得很高的总增益；谐振腔镜可直接镀在光纤端面，可设计紧凑的激光器构型可获得相当宽的调谐范围和极好的单色性。光纤激光器类型

晶体光纤激光器：红宝石单晶光纤激光器和Nd3+：YAG单晶光纤激光器；

非线性光学型光纤激光器：受激拉曼散射和受激布里渊散射；

稀土类掺杂光纤激光器：基质：玻璃，激活离子：稀土离子

塑料光纤激光器：基质：塑料光纤，激活离子：激光染料。2023/2/31123.3液体激光器

染料激光器：有机染料溶液为工作物质

无机液体激光器：无机液体为工作物质液体可在很大的体积内做到完全均匀，从而可以提高激光辐射的能量；如果让液体在容器内循环流动，就能够改善激光器的散热特性；液体具有固定的光学性能，并且是各向同性的；工作过的液体很容易用新鲜液体进行替换，而且价格便宜；最重要的特点是激光辐射的频率在比较宽的波长范围内连续可调。2023/2/3113染料激光器以某种有机染料溶解于一定溶剂中作为激活介质的激光器波长可调谐，调谐范围宽（0.34~1.2μm）每个脉冲激光能量可达数十焦耳，峰值功率达几百兆瓦，能量转换效率高达50%结构简单价格便宜稳定性差2023/2/3114染料分子的结构与激光有关的染料都含有单键和双键构成的碳原子链（共轭双键）。染料分子的荧光波长主要取决于碳原子链的长度，链长则荧光波长也长，但链过长，就会变得不稳定而容易断裂。若丹明-6G和香豆素2的分子结构式2023/2/3115染料分子的能级单态激发单态激发三重态染料为大分子结构，振、转动能级耦合及染料分子与溶剂分子的碰撞使能级展宽为宽的能带。2023/2/3116染料的吸收和发射过程振动原子的距离分子的振动能量染料分子的激光过程是一个四能级系统，并且其发射的荧光波长较之吸收波长，有斯托克斯频移。泵浦：光激发，通常为激光激发，将染料分子激发到S1能级。激励方式：横向和纵向2023/2/3117激光的猝灭由于S1S0的发射能量与T1T2的吸收能量接近，所以，如果有大量染料分子积累在T1态上，发出的激光就会被T1态吸收，称这种现象为激光猝灭。消除激光猝灭方法：使溶液富含氧，T1态能量通过氧迅速释放返回基态S0。染料激光器的调谐发展染料激光器的主要目的就是要实现激光波长的调谐。波长能在几十纳米范围连续可调，这是染料激光的特点或优点。调谐方法:光栅衍射法或色散频谱上狭缝移动法。2023/2/3118常用染料的波长范围染料波长范围/nm对三联苯322~365四甲基伞形酮47391~567香豆素47440~506香豆素48447~569若丹明6G540~640若丹明B580~655过氯酸盐644~709尼尔兰692~783花青22760~8122023/2/3119无机液体激光器无机液体激光器产生激光的机理类似于玻璃激光器，在掺钕的无机液体激光器中，激活离子也是Nd3+，不同之处是其基质是无机液体，因此，它的激光性能与钕玻璃激光器基本一致。

Nd3+:POCl3+SnCl4+P2O3Cl4无机液体激光器

发光效率达2%，流动性好，毒性和腐蚀性较小

Nd3+：SeOCl3+SnCl4无机液体激光器

阈值低，能量转换效率高，但毒性和腐蚀性较大，粘度高，流动性差2023/2/3120无机液体激光器结构及特性无机液体激光器的结构优点：易于获得大功率大能量输出；掺钕浓度高；易制备体积大、光学质量高的工作物质；制作简单，成本低。缺点：热膨胀系数大，因此不能高频率工作，具有毒性和腐蚀性。2023/2/31213.4半导体激光器半导体激光器是指以半导体材料为工作物质的一类激光器。主要特点：超小型、重量轻，激活面积约为0.5×0.5mm2；效率高、微分量子效率大于50%，能量转换效率大于

30%；发射激光波长范围宽，通常谱宽在0.5~30μm之间；使用寿命长，可达百万小时以上；准连续输出功率达300W，脉冲输出功率达1000W以上。2023/2/3122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2、费米能级指导带底与价带顶之间的能量差，通常用符号Eg表示。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2023/2/3123半导体激光器中粒子数反转重掺杂接触前重掺杂能级图PEFpNEFnPN接触后平衡态重掺杂p-n结能带图EcEvEF由于费米能级随掺杂浓度而变化，所以使用重掺杂使P型半导体的费米能级进入价带，而使N型半导体的费米能级进入导带，这样在p-n结耗尽层中就形成等价的四能级结构。2023/2/3124EcEvEFpEFnp+n+V+V-当重掺杂半导体，给p-n结施加足够的正向偏置电压后，满足eV>Eg，在结区导带上的电子与价带上的空穴复合，发射激光。2023/2/3125电注入式半导体激光器：一般是由GaAs（砷化镓）、InAs（砷化铟）、InSb（锑化铟）等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射。光泵式半导体激光器：一般用N型或P型半导体单晶（如GaAs、InAs、InSb等）做工作物质，以其他激光器发出的激光作光泵激励。高能电子束激励式半导体激光器：一般也是用N型或者P型半导体单晶（如PbS、CdS等）做工作物质，通过由外部注入高能电子束进行激励。在半导体激光器件中，目前性能较好，应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器。半导体激光器的激励方式2023/2/3126半导体激光器的结构和谐振腔半导体激光器的谐振腔直接利用垂直于P－N结平面的半导体两个严格相互平行的解理面（110面）组成谐振腔。反射率通常在30-50%，所以损耗较大，但半导体的转换效率很高，达50-80%，所以足以维持足够的增益。此外，通过镀二氧化硅膜，还可提高端面的反射率，获得更高的增益。2023/2/3127常见半导体激光器（一）、同质结半导体激光器同质半导体激光器以GaAs激光器为代表，通过掺入不同比例的Al形成三元化合物AlxGa1-xAs改变禁带宽度，可获得不同波长的输出。缺点：阈值电流正比于温度的立方，所以只能在低温（液氮）下连续工作，室温下只能脉冲工作，寿命较短。2023/2/3128（二）、单异质结半导体激光器由不同半导体材料组成的p-n结称为异质结。异质结又分为同型异质结（p+-p,n+-n）和异型异质结(p-n)。1、异质p-n结的形成异质p-n结的形成过程与同质p-n结的形成类似，仍然涉及电子、空穴的扩散和内建电场的反作用，最后两种作用达到平衡，形成稳定的电子、空穴分布。接触前异质能级图接触后平衡态异质p-n结能带图EFPEcEvNPEFpEvpEcpNEFnEcnEvnEcEV2023/2/3129施加正偏置电压后非平衡态异质p+-n结能带图。EcEvEFnP+NV+V-EFp2、正偏置异质p+-n结的粒子反转与增益2023/2/31303、单异质p-n结激光器实际的单异质p-n结激光器做成三层结构，即p+-p(n)-n或p-p(n)-n+型。要求中间层的折射率最大，形成波导结构，使激光发射约束在中间层中，提高激光转换效率。中间层厚度较薄，提高激光发射效率。常见的单异质p-n结激光器为GaAs-GaAs-AlxGa1-xAs或AlyGa1-yAs-AlyGa1-yAs-AlxGa1-xAs结构，掺杂形成p+-p-n(p-p(n)-n+)型单异质结激光器，其能带结构类似p+-n型的能带图，除了耗尽层厚度大一点外。谐振腔两端面与结平面垂直，激光在中间层中振荡、发射。单异质结激光器比同质结激光器具有更高的效率，低的阈值电流。2023/2/3131（三）、双异质p-n结激光器双异质结激光器仍为电注入结区，由电子和空穴复合而产生。由于结区是由不同的半导体材料结合而成，使得电子和空穴不再往深处扩散，而在结的交界面反射（因折射率的差异）。于是电子积蓄在狭窄区域内，使电子浓度增高，减小扩散吸收损耗，从而提高了光的增益，降低了阈值电流，有利于实现室温下连续运转。多层结构双异质结构示意图2023/2/3132（四）、量子阱激光器同质结激活区厚度为1μm阈值电流大于30000A/cm2

异质结激活区厚度为0.1～0.4μm单异质结约为8000A/cm2；双异质结约为1600A/cm2

当双异质结厚度进一步减小到1～10nm时，激活区宽度已经与电子的量子波长相当甚至更小，激活区内电子的运动受到强烈约束，导致电子和空穴在导带底和价带顶的能量出现不连续分布，这种陷阱称为量子阱。用量子阱结构制成的半导体激光器称为量子阱激光器。优点：阈值电流更低（200A/cm2），谱线宽度窄，调制速率高，光束质量好2023/2/3133（五）、分布反馈（DFB）激光器一种侧壁被做成周期性光栅波导结构的半导体激光器。根据周期性波导的耦合原理，只要光栅周期是波导中1/2光波长的整数倍，该周期性光栅就会使导波光反馈。因此不需要解理端面来实现光反馈。优点：阈值电流密度小，频率特性好，可获得单模单频输出，有利于制造集成光路。2023/2/31343.5激光材料制取方法3.5.1激光晶体制取方法3.5.2半导体激光材料的制取方法2023/2/3135

A焰熔法(维尔纳叶法)

氢氧燃烧产生的高温使料粉通过火焰加热熔融，熔滴落在籽晶上，使籽晶杆下降进入炉子的较冷部分随即结晶。该法设备简单、不用坩埚，适于生长熔点大于1800℃(可达2500℃)的晶体如红宝石、钇铝石榴石(Y3A15O12)和Y2O3等基质晶体，缺点是晶体内应力大、位错密度高及存在化学不均匀性。3.5.1激光晶体制取方法2023/2/3136B直拉法