《光电子材料激光及光纤》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光电子材料激光及光纤（45页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、光电子材料一、激光器的诞生19世纪的科学家们进行了关于电磁波的卓越的研究1905年爱因斯坦提出了光量子和光电效应 的概念，揭示了辐射的波粒二象性 1916年爱因斯坦提出了受激辐射的概念1900年普朗克引入的能量量子的概念 基础性、探索 性研究激光器的诞生激光走向新技术的开发和工程应用阶段1954年研制成第一台微波激射器 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；贾万等人研制成氦氖激光器。我国的第一台激光器于1961年在长春光机 所创制成功 激光技术原理：利用受激辐射放大电磁波，可在紫外线、可见光、 红外谱区
2、 极窄的频段内产生高强度相干辐射。 激光的特性使之在光学应用领域带来了革命性的变化：方向性单色性相干性高亮度接近单频干涉性好发射方向的空间内能量高度集中四十多年来，激光器的品种迅速增加：固体激光器半导体激光器固体激光器（半导体激光泵浦）化学激光器（HF/DF激光、氧碘化学激光器、CO2激光、燃料激光、氦氖激光）激光的种类自由电子激光器x射线激光器准分子激光器金属蒸气激光器等。 铜蒸气激光激光器的输出水平不断提高：中、小功率器件 高功率、高能量激光器； 脉冲体制从连续波、准连续波到各种短脉冲、超短脉冲的激光。u连续的高能激光单次输出能量已达百万焦耳以上；u超短脉冲：纳秒 皮秒 费秒 阿秒脉冲功率
3、密度则可高达1020瓦/cm2以上。 p输出激光的频率覆盖着越来越广的范围：长至亚毫米（太赫兹）短至x射线激光也在探索中，分立的激光谱线达几千条；激光器组成：工作物质(基质和激活离子)、激发源(泵浦)、共振腔。工作物质：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。共振腔作用：通过工作物质对激光提供反馈，以激发更多的光发射。大多数半导体激光器是利用在GaAs的p-型层和n-型层之间的结区(极窄，约l
4、m)，通过电荷注入等激励方式，激发非严衡载流子实现粒子数反转，从而产生受激发射。工作物质激光器最重要的部分是工作物质，包括使原子高低能态分布反转的激活离子和基质。用过渡金属离子（如Cr3+）激活的三能级激光晶体，如Cr3+：Al3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6B） 质 液体激光器材料 稀土螯合物（如Eu(TTA)
5、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、Pb1XSnXTe）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 固态基质材料可粗略分为晶态固体和玻璃两大类。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：晶态基质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
6、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) 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，对确定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。
7、高强度激光器：晶体有较高的热导率（泵浦源辐照 后晶体产生的热必须用冷却剂使之在激光棒表面迅速 耗散）。电荷补偿技术对物理性能有不利影响，如在 CaWO4中采用一价离子会使晶体的热膨胀系数增加，强度和热导率降低（显然三价离子为宜）。（4）光学性质：理想晶体应对泵浦波长有较强吸收，对激射波长吸收很弱。（5）纯度：生长激光晶体所用氧化物纯度为56 个“9”，总杂质含量不得超过110ppm 。激光材料制取方法1 激光晶体制取方法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撒下熔融，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(
8、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。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。Nd，采用铱坩埚在含l3O2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l10 20cm3)，在金属加工方面可与CO2激光器竞争。作为可买
9、到的商品NdYAG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75m m的非掺 YAG晶锭。由于生长时间慢(0.5mm/h)，生长1015cm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 NdYAG板条激光器。此外，钕含量比YAG高6倍的Nd：LMAO(Nd ：La1XMgAl11O19)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1054m。 C 热交换器(HEM)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
10、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(指分凝系数小于1的元素)。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65mm的Co： MgF2晶体和 320mm、重50Kg的蓝宝石晶体。 表： 典型的固态激光材料系统及工作原理基质掺杂 剂敏化剂 激光波长 （m)工作性能效率 (%)工作温 度(K)泵浦源红宝石Cr3+0.6943输出数J
11、/Pulse0.7300Y3Al5O12Nd3+1.0641输出达数百W（连续）或100J/Pulse0.4300氙闪光灯玻璃（硼酸盐、 硅酸盐、磷酸盐 等）Nd3+Mn2+, UO22+1.05 1.08YAlO3Nd3+Cr1.064225mJ/Pulse, Q开关20ns, 10pps100W( 连续)1300连续波氪灯CaLa4(SiO4)3ONd3+1.061500mJ/Pulse, Q开关30ns, 30Pulse/s6mm75mm棒1300氙闪光灯Y3Al5O12Ho3+Er Tm2.1棒规格3mm50mm，20W (连续)477典化钨YLiF4Ho3+Er Tm2.064mJQ
12、开关150mJ长脉冲（2 s ） 3mm50mm棒0.5300氙闪光灯YLiF4Er3+0.85500mJ/Pulse, 长脉冲, 5mm30mm棒, 阈值（10100）J 0.03300氙闪光灯YAlO3Er3+1.666mm50mm棒, 阈值52J300氙闪光灯玻璃Er3+Yb1.544mm76mm棒输出0.86J（普通）输出0.18J（Q开关）0.1300氙闪光灯YAlO3Tm3+Cr2.355mm50mm棒, 阈值110J300氙闪光灯YLiF4Nd3+1.0535mm50mm棒, 阈值8J, 输出200mJ, 脉冲宽度100 s 07300氙闪光灯La2Be2O5Nd3+1.0705
13、mm50mm棒, 输出9W（连续）0.33300碘钨灯表： 波长可调激光晶体及工作性能激活离子基质晶体激光波长（m)温度（K）工作方式泵浦源Ti3+Al2O3 BeAl2O40.6801.178 0.7800.820300 300脉冲，连续 脉冲激光器，灯 激光器V3+CsCaF3 MgF21.2401.330 1.0501.30080 200连续氪激光器Cr3+BeAl2O4 Be3Al2Si6O12 KZnF3ZnWO4 Y3Ga5O12 Gd3Ga5O12 Gd3Sc2Al3O12 Y3Sc2Ga3O12 Gd3Sc2Ga3O12 La3Lu2Ga3O120.7000.830 0.751
14、0.759 0.7580.875 0.7850.865 0.9801.090 0.740 0.760 0.7650.801 0.730 0.7450.820 0.82030080 300 77 300 300 300 300 300 300脉冲，连续 脉冲脉冲 连续 连续 连续 连续 连续 连续灯 灯氪激光器 激光器 激光器 激光器 激光器 激光器 激光器Co3+MgF2 KMgF3 KZnF3 ZnF21.6302.45 1.621.900 1.6502.070 2.16580225 80 80200 77连续连续Nd:YAG激光器氩激光器Ni2+MgO CaY2Mg2Ge3O12KMgF3
15、 MgF2 MnF21.3101.410 1.460 1.591 1.6101.740 1.9201.94077 80 77300 80200 7785脉冲，连续连续 脉冲，连续Nd:YAG激光器半导体激光材料的制取方法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(0.71.0m) 材料以(Ga, Al)AsGaAs为主；长波长(1.101.6 m)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。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125mm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D型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
