科技成果——掺钛蓝宝石激光晶体
飞秒激光加工技术ppt
同时飞秒量级脉冲有着非常高的瞬时功率,产生的光 电场强度比原子内部库仑场高数倍,材料内部原有的 束缚力已不足以遏止高密度离子、电子的迅速膨胀, 最终使作用区域内的材料以等离子体向外喷发的形 式得到去除,实现了激光对材料的非热熔性加工.
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2、加工特点
1）可加工材料广泛
当脉冲持续时间足够短、峰值足够高时,飞秒激光可 以实现对任何材料的精细加工、修复和处理,而与材 料的种类和特性无关。
飞秒激光加工技术
机研133张国召
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主要内容
1、什么是飞秒激光 2、如何产生飞秒激光 3、飞秒激光加工机理 4、飞秒加工的应用
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一、什么是飞秒激光
1、激光 组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分
布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光 子的激发，会从高能级跳到（跃迁）到低能级上， 这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，这就 叫做“受激辐射的光放大”，简称激光。
大约相当于8飞秒。
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3、飞秒激光 飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光，持续时间
非常短，只有几个飞秒。 我们知道光一秒钟可穿越30万千米，但它在100飞秒
的时间内，只能通过人的头发直径那么短的距离。 所以飞秒激光的脉冲也非常短，目前已经达到了4fs 以内（可见光-近红外波段）。
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连续激光
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脉冲激光
其一是由有机染料为介质的飞秒染料激光器。
不同染料可以输出不同波长的飞秒激光脉冲，它覆盖了 从紫外到近红外波段，但最有效的还是集中在红光波段。 随着固体、半导体、光纤飞秒激光器的崛起，飞秒染料 激光器在红外和紫外波段已经失去了竞争能力，但在可 见波段，特别是在红光区域仍被广泛的应用在时间分辨 光谱，半导体载流子快速弛豫过程和化学反应动力学过 程的研究中。
蓝宝石与YAG的区别
蓝宝石与YAG的区别
YAG
蓝宝石
一、蓝宝石和YAG（钇铝石榴石）主要性能指标对比
蓝宝石：
纯度：α-AL2O3〉99.999%
硬度：莫式9级
比热：78.25J/MOL.℃ 125.41J/M\ MOL.℃4
熔点：2040℃
透过波段(80%):350-5500HM
折射率：1.83NPN 0.26MKM
用途:
耐高温红外窗口,氮化镓(GαN) 外延片衬底基片
YAG（钇铝石榴石）:
硬度：莫式8.5级
熔点：1970℃
热导率:14W/M/K
透过波段(80%):350-5500HM
折射率：1.83NPN
用途:
耐高温红外窗口,投影管发光屏基片等。
二、用于激光器的蓝宝石与YAG的区别
用于激光器的蓝宝石一般是掺钛蓝宝石，它跟YAG晶体激光器的最大的差别或者说是最大的优点在于，蓝宝石激光器激光输出波长是可以调节的（680-1100nm），因此，它可以广泛的满足对波长需要不同的各种材料，在实验室里被广泛采用。
一般来说它需要用倍频的YAG激光来激发它才能够发光。
而相比之下，YAG最大的优点是便宜，而且性能相对稳定，在工业加工当中被广泛的采用。
它发出的光为1064nm，可以被很多金属吸收，倍频后又可以被石英、玻璃吸收，所以，在激光标记，打孔，内雕方面被广泛的使用。
所以，他们各有各的优点，应用范围不一样。
如果硬要比的话很难比较出谁更好些。
原创：联合晶体、solojackie等人。
蓝宝石材料
蓝宝石材料<REC><申请号>=CN98226909.9<名称>=人造蓝宝石表面内拱度磨削机床<申请（专利权）人>=张元胜<发明（设计）人>=张元胜<申请日>=1998.05.28<地址>=518034广东省深圳市商报路天健工业区8栋4楼悦目光学公司<摘要>=本实用新型涉及石料或类似材料的磨削设备，尤其是进行曲面磨削的设备。
它由电机和传动件带动砂轮沿着与主轴同轴的圆桶内侧既作往返直线运动又作转动；同时，圆桶内粘贴被磨削物(如人造蓝宝石表面)，使砂轮在运动时对其内拱面产生磨削。
该设备对砂轮的弧度不需作严格限定，其加工精度不受砂轮弧度的限制，而由测量精度决定，可达到0.05mm；亦无需频繁更换砂轮，还可实现一次多片加工。
<REC><申请号>=CN89105430.8<名称>=人造蓝宝石气体放电器件的封装端<申请（专利权）人>=卢义生<发明（设计）人>=卢义生;俞鹤庆<申请日>=1989.05.09<地址>=江苏省南京市五所村310-2-710室<摘要>=本发明提出的是一种气体放电器件采用人造蓝宝石管、塞、环的封装结构——人造蓝宝石气体放电器件的封装端。
管、塞、环系采用同一晶向(C轴)生长的人造蓝宝石材料，它可有效地提高放电器件的寿命和性能。
实现人造蓝宝石气体放电器件的研究进入广泛应用的实用阶段。
它可用于各系列的高压金属蒸气放电灯和普通高压钠灯和高显色性高压钠灯以及钾铷激光光泵等。
<REC><申请号>=CN200510003405.1<名称>=蓝宝石基无掩膜横向外延生长高质量的Ⅲ族氮化物薄膜<申请（专利权）人>=深圳大学;<发明（设计）人>=彭冬生;冯玉春;牛憨笨;王文欣<申请日>=2005.12.29<地址>=518060广东省深圳市南山区南海大道2336号<摘要>=一种蓝宝石衬底上无掩膜横向外延生长高质量的III族氮化物薄膜的新技术，该技术采用化学腐蚀的方法腐蚀蓝宝石衬底，以形成一定图案的蓝宝石衬底1，提供横向外延基底，缓冲层2为低温GaN薄膜，3为横向外延生长的高温GaN薄膜。
激光原理第九章
2．半导体激光二极管激励 用波长与激光工作物质吸收波长相匹配的激光作激励光源将大大提高激光器效率。
Nd：YAG宽约30nm的810nm泵浦吸收带中含合多条吸收谱线，809nm的半导体激光二极管输出光泵 浦可以准确地对准此吸收带中带宽约2nm的809nm吸收谱线。半导体激光二极管激励的固体激光器的总 效率为7％—20％。
CO2激光器的谐振腔大多采用平凹腔，由于其增益高．也可采用非稳腔以增加其模体积。
高反射镜可用金属制成，也可在玻璃表面镀以金膜，输出端可采用小孔耦合方式或由可透 过红外光的Ge、GaAs等材料制成输出窗。
1、纵向慢流CO2激光器 气体从放电管一端流入，另一端抽走，气流、电流和光轴方向一致。气流目的是排除CO2与电子碰
一、光泵激励 光激励又可分为气体放电灯激励和半导体激光器激励两种方式。 1、气体放电灯激励
以气体放电灯为激励光源是广为采用的激励方式，脉冲激光器采用脉冲氖灯，连续激光器 采用氖灯或碘钨灯。
气体放电灯激励的能量转换环节多，其辐射光谱很宽、只有一部分能量分布在激光工作物质的有效 吸收带内，通常L约为15％，激光器的效率较低，常用的Nd：YAG激光器的效率约为1％—3％
有小型化、全固态、长寿命及热效应小等优点。单个半导体激光器功率已越过1w，半导体激光器列阵 功率达数百瓦。
工作物质的泵浦吸收谱线和已有大功率半导体激光器发射波长匹配是构成半导体激光器泵浦的固 体激光器的必要条件。适于构成此类激光器的固体工作物质有Nd：YAG，Nd：YVO4，Nd：YLF， Tm、Ho：YAG。为了使波长准确匹配，对半导体激光器的温度加以控制。
钕玻璃的荧光寿命长，易于积累高能级粒子。容易制成光学均匀性优良的大尺寸材料，可用 于大能量大功率激光器。
输出能量已达上万焦耳。荧光线宽较宽，适于制成锁模器件，钕玻璃锁模激光器可产生脉 宽小于1ps的超短光脉冲。钕玻璃的热导率低，振荡阈值又较高，因此不宜用于连续和高重 复率运转。
新型掺杂稀土离子的可调谐激光晶体特性及应用
。
同样是 在 ２ ０ ０ ７年 ，４ ｍ 的 Ｇａ ４ ６ｎ Ｎ激 光 器 泵 浦新 型 晶体 Ｐ ： ｒＫＹ。 ， 谐 振 腔没 有 达 到 光 学 最 Ｆ。 在
优化 的时候最 高 得到 ３ ９ｍｗ 的连续 输 出 ， 阈值 是 １ ５ｍｗ＿ 。 ２ ４ ］
２ Ｎ ： 掺 杂 的激 光 晶体 ｄ３ ＋
Ｓｅ ｐ． ２ ０ ０ ８
文 章 编 号 ： ０ ６ ０ ７ ２ ０ ） ３—０ ５ ０ １ ０ —１ ３ （ ０ ８ ０ ０ ３— ７
新型掺杂稀土离子的可调谐激光晶体特性及应用
贾 玉 磊 ，张 凯云 ，焦Байду номын сангаас志 勇
（ 国石 油 大 学（ 东） 物 理科 学与技 术 学院 ，山东 青 岛 ２ ６ ５ ） 中 华 ６ ５ ５
中 图分 类 号 ： ４ ＴＮ ２ ４ 文献标 识码 ： Ａ
２ ０世 纪 ８ ０年代 初 ， ． ． ｕｔｎ发 明 了 固态 掺钛 蓝宝 石激 光器 ， 标志 着可 调谐 激光 器 技术 进 入 了一 Ｐ Ｆ Ｍｏ ｌ ｏ 它
个 新 的发展 阶段 ， 向固体 化和 全 固化发 展 的新 阶段 。可调 谐激 光 晶体 ， 由晶体基 质 和激 活离 子组 成 。激光 它 晶体 的激光性 能 与 晶体 基 质 、 活 离子 的特性 关 系极 大 。 目前 已知 的激 光 晶 体 ， 激 大致 可 以分 为 氟化 物 晶体 、 含 氧酸 盐 晶体和 氧化 物 晶体三 大类 。激 活离 子可 分为 过 渡金 属 离 子 、 稀土 离 子 及锕 系离 子 。 目前 已 知 的约 ３ ０种 激光 晶体 中 ， ２ ０种 是 掺 人稀 土作 为 激 活 离 子 的 。可 见 稀 土 在 发 展激 光 晶 体 材 料 中 的 重 要作 用 。 ２ 约 ９ 三价 和 四价稀 土 离子 （ 。 Ｒｅ 和 Ｒｅ 的 ４＊ ５ 。 ） ｆ＊ ｄ能级 问跃 迁具 有 众 多优 势 ， 以广 泛应 用 于可 调谐 固体 激 光 － 可 器 。首先 ， 级 问的跃 迁遵 循 选 择 规 则 Ａ１ １ 故 而 可 以希 望 它 们 具 有 大 的吸 收 和发 射 截 面 。其 次 ， 些 能 — ， 某 Ｒ 抖和 ＲＥ 离子 ４ ５ 一 ４ｎ Ｅ 计 ｆ ｄ ｆ跃迁 的发 射谱 在深 紫外 到 可见 光范 围 内 ， 掺杂 这些 离子 的 晶体 可 以作 为紫 外 到可见波段激光器 的增益介质 。这种 激光器在生物学 ， 医学 ， 显示技术 ， 数据存储 ， 印刷业 ， 科学研究 ， 娱乐业 等。
飞秒激光器
飞秒激光是过去20年间由激光科学发展起来的最强有力的新工具之一。
飞秒脉冲时域宽度是如此的短，目前已经达到了4fs以内。
1飞秒（fs）,即10-15s ,仅仅是1千万亿分之一秒，如果将10fs作为几何平均来衡量宇宙，其寿命仅不过1min而已；飞秒脉冲又是如此之强，采用多级啁啾脉冲放大（CPA）技术获得的最大脉冲峰值功率可达到百太瓦（TW，即1012W）甚至拍瓦（PW，即1015W）量级，其聚焦强度比将太阳辐射到地球上的全部光聚焦成针尖般大小后的能量密度还要高。
飞秒激光完全是人类创造的奇迹。
近二十年来，从染料激光器到克尔透镜锁模的钛宝石飞秒激光器，以及后来的二极管泵浦的全固态飞秒激光器和飞秒光纤激光器，虽然说脉冲宽度和能量的记录在不断刷新，但最大进展莫过于获得超飞秒脉冲变得轻而易举了。
桑迪亚国家实验室的R.Trebino说:“过去1 0年中,（超快）技术已有显著改善, 钛蓝宝石激光器和现在的光纤激光器正在使这种(飞秒) 激光器的运转变得简洁和稳定。
这种激光器现在人们已可买到, 而10年前, 你却必须自己建立。
”比如，著名的飞秒激光系统生产商美国Clark-MXR公司将产生高功率飞秒脉冲的所有部件全部集成到一个箱子里，采用掺铒光纤飞秒激光器作为种子源，加上无需调整（NO Tweak）的特殊设计，形成了世界上独一无二，超稳定、超紧凑的CPA2000系列钛宝石啁啾脉冲放大系统。
这种商品化的系统不需要飞秒专家来操作，完全可以广泛应用于科研和工业上的许多领域里。
根据飞秒激光超短和超强的特点，大体上可以将应用研究领域分成超快瞬态现象的研究和超强现象的研究。
它们都是随着激光脉冲宽度的缩短和脉冲能量的增加而不断的得以深入和发展。
飞秒脉冲激光的最直接应用是人们利用它作为光源, 形成多种时间分辨光谱技术和泵浦/探测技术。
它的发展直接带动物理、化学、生物、材料与信息科学的研究进入微观超快过程领域, 并开创了一些全新的研究领域, 如飞秒化学、量子控制化学、半导体相干光谱等。
激光器及其应用介绍
原子温度降低到了与绝对
零度只相差百万分之一度 的程度。
的方法，使冷却温度进一
步降低。因此获得1997年 诺贝尔物理奖。
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1961年8月，中国第一台红宝石激光器问世。中 国科学院长春光学精密机械研究所研制成功。
1987年6月，1012W的大功率脉冲激光系统——神 光装臵，在中国科学院上海光学精密机械研究所 研制成功。
1960年7月，世界第一台红宝石固态激光器问世，
标志了激光技术的诞生。
美国加利福尼亚州休斯航空公司实验室的研究员梅
曼演示的。 波长为694.3nm的激光
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7至此，一门新的科学技来自术——量子电子学中的激光 技术以科学史上罕见的高速 度向前发展！
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1961年
⑴ 2月（A.Javan）研制成了
He—Ne混合气体激光器。
⑵ 有人提出了Q调制技术，
并制成第一台调Q激光器。
⑶ 制成了钕玻璃脉冲激光器。
为什么要调Q？
1962年，美国三个研究小组几乎同时分别发布砷化镓 （GaAs）半导体激光器运转的报道。
仅1961—1962年间世界各国发表 的激光方面的论文达200篇以上。
从历史来看，任何科学发明或科学发现，都不外是两条 道路：一是自然界业已存在，当人们自觉或不自觉地发现以 后再产生理论，并加以证明和利用，如万有引力、氧气、电 磁等，这种情况称为“科学发现”；二是自然界（至少地球 上的自然界）并不存在的事物，但人们先从理论上推导、预 测，然后再通过努力加以证明和实现，如相对论、核衰变、 核聚变等，这种情况称为“科学发明”。而后者则更有科学 理论性和挑战性，激光的诞生过程就是属于后者。
超快激光技术及其应用
超快激光技术及其应用超快激光是激光中的一种，是脉冲波在fs量级上的激光。
飞秒（fs）是极短的时间单位，即1015 s ,仅仅是1千万亿分之一秒，如果将10fs作为几何平均来衡量宇宙，其寿命仅不过1min而已。
在如此短的时间内产生的脉冲波，我们可以预料到一定有着许多有趣的性质，内为我们的科学实验带来许多帮助。
激光，顾名思义是“激发出来的光”，产生的物理基础是原子的受激辐射，这个过程是由爱因斯坦最早在1916年在理论上发现的。
受激辐射概念刚提出时没有收到应有的重视，虽然1924年就有一位德国的科学家在实验上简介地证实了受激辐射的存在。
但真正导致热门重新发掘受激辐射概念所隐含的巨大潜力是在二次世界大战之后，当人们企图将想干滇西波段从长波扩展到微波乃至光波是，发现只有借助于分子、原子这样的围观体系才能实现短波长的相干电磁波放大，爱因斯坦的受激辐射正是实现这种想干放大的物理机制。
要产生激光，需要解决两个矛盾。
首先是受激辐射与受激吸收的矛盾。
根据玻尔兹曼分布，热平衡的原子体系中总有低能级上的原子数多于高能级上的原子数，当光与体系发生相互作用时，由于吸收比受激发辐射显著，结果是将导致光信号的衰减。
因此，产生激光的一个基本条件就是要实现体系中粒子数的反转。
已处于粒子数反转的戒指叫做激活介质货增益介质，它具有对光信号的放大能力。
为使粒子数反转，需一外界能源以适当的方式对原子体系产生作用（泵浦），此能源被称为泵浦源。
产生激光所要解决的另外一个矛盾就是受激辐射与自发辐射的矛盾。
在原子体系中，这两种过程同时存在，相互竞争。
为产生激光，需使受激辐射处于优势地位。
为此，需选择合适结构的光腔（或足够长的激活介质），在轴线方向的自发辐射通过反复增益获得较高的光场能量密度，从而得以受激辐射为主的输出。
激光与普通光源又极大的不同，它具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性等特征。
在加工、存储、医疗、通信、雷达、科研、国防等领域有着极为广泛的应用。
激光原理及应用课件—陈鹤鸣第8章 典型激光器
频率稳定，易获得连续的激光输出。
激光器装置：激光管（放电管），电极，光谐振腔 光谐振腔：内腔式，外腔式
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激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
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8.2.2 He-Ne激光器 1.基本结构
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侧面激励： 采用大功率半导体激光器列阵作泵浦光源，
激光输出功率大
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激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
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8.1.2 红宝石激光器
1. 发光机理 (1)激光工作物质
基质： Al2O3 晶体 掺杂： Cr2O3
（质量比约为0.05 ％）
(2)激光的产生
激光波 长：
694.3nm
4 A2 泵浦
输出功率大，体积小，效率高，适合实现调Q、锁模等技术
8.1.1 固体激光器的基本结构和抽运方式
1. 闪光灯泵浦
脉冲激光器：脉冲氙灯 连续激光器：氪灯，碘钨灯
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激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
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2. 半导体激光二极管泵浦 端面激励： 装置简单，泵浦光束与谐振腔模匹配良好，
阈值功率低，斜效率高
染料分子的能级图
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§8.4 新型激光器
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激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
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8.4.1 准分子激光器
准分子： Excimer 一种在激发态能够暂时结合成不稳定分子，而 在基态又迅速离解成原子的缔合物，因而也称 “受激准分子”。
准分子的能级结构
脉冲输出能量达百焦耳量级，脉冲峰值功率达
第7章+晶体的点阵结构与X射线衍射法
果而言，均匀性是针对不同部位同一方向的测量结果而言；
（2）异向性并不意味着晶体的几何度量和物理性质在任何两个 方向上都有差别，事实上，至少在以对称性相联系的方向 上没有差别； （3）并非晶体的任何性质都表现为各向异性，当晶体的对称性 很高时，某些物理性质(如电导率等)会转变成各向同性； （4）各向异性的物质必定结构有序，但结构有序的物质未必都
是晶体。有长达1m、上吨重的水晶，也有以克拉（=0.2g)
计的钻石;有晶莹剔透、光彩夺目的红、蓝、黄、绿宝石， 也有金属、沙土等不像是晶体的物质；有日常生活中用 的食盐、奎宁和青霉素，也有尖端科学技术中才会遇到 的锗酸铋、铌酸锂、磷酸氧钛钾…… 动物的骨骼、毛发
中也有结晶组织。脱离了营养介质的病毒会形成结晶，
7.4.4 14种空间点阵型式
7.4.5 点阵点、直线点阵、平面点阵的指标
7.4.6 7.4.7 空间群 晶体对称性各种概念的相互关系
7.5 X射线衍射法
7.5.1 晶体对X射线的相干散射
7.5.2 衍射方向与晶胞参数
7.5.3 衍射强度与晶胞中原子的分布
7.5.4 多晶粉末衍射 7.6 实际晶体中的缺陷 7.6.1 固有点缺陷 7.6.2 杂质点缺陷
现代科技中的晶体：超导材料
20世纪80年代发现的以YBa2Cu3O7-x 为代表的氧化物超导体震动了科学界， 使人们对高温超导体的前景充满希望。
穿 山 透 地 不 辞 劳
金刚石在现代钻探业中已
成为真正的“钻石”。装在碳
化钨卡头中的金刚石钻头使钻
进速度快了3倍，且使用寿命更
长。据美国20世纪80年代末估 计，采用这种钻头后每年将节 约几亿美元。
量最低、均匀性最好等优点在国际市场竞争中击
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科技成果——掺钛蓝宝石激光晶体
掺钛蓝宝石激光晶体是一种重要的科技成果，具有广泛的应用领域。
本文将详细介绍掺钛蓝宝石激光晶体的结构、性质和应用。
一、掺钛蓝宝石激光晶体的结构
掺钛蓝宝石激光晶体是将少量的钛元素掺入蓝宝石晶体中制成的。
蓝
宝石晶体是一种六方晶系的单晶，其晶格结构比较完美，无色透明。
而钛
元素的加入使得晶体产生了蓝色的荧光特性。
二、掺钛蓝宝石激光晶体的性质
1.蓝光发射：掺钛蓝宝石激光晶体在外界激励下会产生蓝光的发射，
具有较高的光电转换效率。
2.高激光效能：掺钛蓝宝石激光晶体的激光效能非常高，能够迅速将
吸收的光能转化为激光输出。
3.高饱和功率：掺钛蓝宝石激光晶体具有较高的饱和功率，能够在较
高功率下保持高效率的激光输出。
4.长寿命：掺钛蓝宝石激光晶体具有较长的使用寿命，能够长期稳定
地工作。
三、掺钛蓝宝石激光晶体的应用
1.工业：掺钛蓝宝石激光晶体被广泛应用于工业领域，如材料处理、
切割、打标、焊接等。
其高效的激光输出能够对不同材料进行精确的加工，提高生产效率。
2.医疗：掺钛蓝宝石激光晶体被用于医疗领域的激光手术仪器。
通过
精确控制激光输出的功率和波长，可以实现对病变组织的高精度切割和焊接，减少手术的创伤和出血。
3.生物科学：掺钛蓝宝石激光晶体在生物科学领域具有重要的应用价值。
它可以通过光谱特性的改变来研究生物分子的结构和动力学，为生物
学研究提供重要的工具。
4.信息技术：掺钛蓝宝石激光晶体在信息技术领域也有广泛的应用。
它可以作为激光器的活性介质，用于红外激光通信、光纤通信等领域，提
供高效、稳定的激光源。
5.科研：掺钛蓝宝石激光晶体还被广泛应用于科学研究领域，如物理、化学、光学等。
它可以用于激光实验、光谱分析、材料研究等方面，为科
学家提供了一种高效、稳定的光源。
总体来说，掺钛蓝宝石激光晶体作为一种重要的科技成果，在工业、
医疗、生物科学、信息技术和科研领域都有广泛的应用。
其高效的激光输出、稳定的性能、长寿命等优点使其成为一种高性能的激光晶体材料。
随
着科技的不断发展，掺钛蓝宝石激光晶体还将继续发挥重要作用，并为各
个领域的进一步发展做出贡献。