專利名稱：簇體激光的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及簇體技術(shù)(Cluster technology)、激光技術(shù)(Laser technology)、光學技術(shù)(Light technology)、電學技術(shù)(Electronic technology)和半導體技 術(shù)(Semiconductor technology)。簇體激光(ClusterLaser)依據(jù)《漂動學》和《簇體學》理論。簇體激光技術(shù)將 在物理、化學、生物、能源、材料、信息、網(wǎng)絡、機電、微電子、醫(yī)藥、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、
科教、軍事等各個領域得到廣泛應用。
背景技術(shù)：
量子力學是一個關(guān)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)和微觀粒子的理論；至今是一個構(gòu)成和 詮釋人類對物質(zhì)結(jié)構(gòu)所有認識的理論。其中愛因斯坦(Einstein)光子理論、德布羅意(de Broglie)物質(zhì)波理論、薛定格(Schr&linger)波動方程、狄拉克(Dirac)相對論波動方程、 量子力學基本原理、各種物理量的算符等，都是假設的。海森伯(Wiieisenberg) “測不 準原理”的解釋是牽強附會的；它表明能量可以憑空產(chǎn)生。量子力學基本是依靠數(shù)不清的假設描述。它始終被概念的、實驗的、物理的、 哲學的問題所糾纏不清。它假設雙縫干涉實驗“大量粒子不顯示粒子性而少量粒子不顯 示波動性”；“潛能(potengiality)是一種潛在可能性(potential)”。一個粒子會跟自己 發(fā)生所謂“量子糾纏”的現(xiàn)象。一道激光束被擠壓分裂，最后同時創(chuàng)造出兩個光子；即 使相隔無限遠，仍互相干擾。整個量子力學是建立于薛定格波動方程中沒有物理意義的 波函數(shù)上。它是“不存在物質(zhì)客觀實在，僅僅存在實驗者觀察產(chǎn)生的實在”的非決定性 的唯心論。波函數(shù)除了波恩(MaxBom) “統(tǒng)計解釋”哥本哈根觀點外，還有隱函數(shù)解釋觀 點、隨機特性觀點等。量子力學是能源、納米材料(nanomaterial)、半導體、激光等技術(shù)應用的基礎理論。納米材料的定義在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍內(nèi)，或由納米基 本單元構(gòu)成的材料。納米材料既不同于長程有序的晶體，也不同于長程無序的非晶體。它是一種介 于固體和分子之間的第三態(tài)物質(zhì)；是晶體、非晶體之外的“第三態(tài)固體材料”。掃描隧道顯微鏡(Scanning tunneling microscope，STM)是用來檢測微觀形貌
的。它具有極高空間分辨能力，平行方向的分辨率為0.04納米，垂直方向的分辨率為 0.01納米。STM原理是量子隧道效應。其主要構(gòu)成有頂部直徑約為50-100納米的極 細探針(通常是金屬鎢制的針尖)、用于三維掃描的三個互相垂直的壓電陶瓷(Ρχ、Ργ、 Pz)、以及用于掃描和電流反饋的控制器(Controller)等(

圖1)。STM有兩種工作模式恒電流模式和恒高度模式；是微觀世界的加工工具，人工可按需要排布原子。利用STM的針尖(即針端原子)對樣品原子或分子的吸引力來操 縱和移動原子或分子，使它們重新排布。激光是“輻射的受激發(fā)射光放大”(lightamplification by stimulated emission of radiation, Laser)的縮寫。激光是量子力學、無線電電子學和固體物理學的綜合產(chǎn)物，也是理論與技術(shù)緊密結(jié)合的成果。量子力學提出“受激輻射與原子之間的共振作用是激光器發(fā)光的物理基礎”。 激光是原子、分子、離子中的電子處于受激狀態(tài)，在外來因素誘發(fā)下，從高能量的激發(fā) 態(tài)向低能量狀態(tài)躍遷時所得到的被增強的光。固體激光器中采用光泵浦方式，起受激輻射作用的激活離子的密度比氣體工作 物質(zhì)的粒子密度大得多。光學諧振腔是將作為基質(zhì)的晶體或非晶體制成棒狀，兩端面拋光成光學平面， 并具有很好的平行度；同時在兩端面鍍上反射膜或采用另外的兩個單獨反射鏡而構(gòu)成 的。在理想情況下，諧振腔的兩個反射面之一的反射率應當是1 ；為了讓激光輸出，另 一個反射面是部分反射的，但發(fā)射率也要相當高。諧振腔對光束方向具有選擇性，使受 激輻射集中于特定的方向，激光光束很強的方向性就來源于此。特定方向的光束在粒子 數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)(激活介質(zhì))中反復放大，又保證了激光的高亮度。諧振腔除了對光速的方向有選擇作用外，還有選頻作用。它使得激光器內(nèi)可能 出現(xiàn)的振蕩頻率不是任意的，而是某些譜線寬度很窄的離散譜。由激光器輸出的每一個 諧振頻率，稱為一個縱模。由于激光器中光能的損耗，對激活介質(zhì)的增益有一個最低閥值的限 制。閥值條 件是繼粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布條件之后的又一個產(chǎn)生激光的必要條件。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明任務是創(chuàng)立物質(zhì)結(jié)構(gòu)新理論--《漂動學》；揭示漂(float)的 物質(zhì)形態(tài)和漂動(float)的物理意義；定義和闡明簇體激光(Cluster Laser)技術(shù)；揭示簇 體激光本質(zhì)，開發(fā)與應用簇體激光技術(shù)?！镀瘎訉W》和《簇體學》是物質(zhì)結(jié)構(gòu)的新理論；將對簇體激光技術(shù)起重要指導 作用。簇體激光技術(shù)改變物質(zhì)性質(zhì)及其各方面應用，將在各行各業(yè)發(fā)揮重要作用?！镀?動學》是一套完整描述物質(zhì)客觀規(guī)律的理論。以下沒有說明時，J(可為⑴)過，都為自然數(shù)。Σ是η從1 J項的求和符號。
黑體符號指矢量。定義任何具有質(zhì)量(包括動質(zhì)量)的物體和微觀粒子，稱為體粒。如光子、 電子等粒子和顆粒等。定義某個點上的一個物理量在某一數(shù)值附近隨時間而作周期性的變化，稱為 振蕩(vibration)。定義某個點的物理量隨著時間變化的振蕩狀態(tài)或者相位的速度，稱為振蕩速 度，簡稱振速。定義能互相感應的可疊加的在體粒周圍一定范圍漂浮的獨立的沒有質(zhì)量的物 質(zhì)形態(tài)，稱為漂(float)。漂是一種看不見、摸不著、與體粒及其物理量發(fā)生作用的不同于實物的特殊物 質(zhì)；沒有動量和能量。定義某點上漂在零值附近的垂直于體粒運動方向的平面上振蕩，稱為漂振 蕩。表示漂振蕩的物理量，稱為漂變量。其中一個方向的漂變量規(guī)定為正值，相反方向 為負值。它的絕對值和方向，稱為漂值(矢量)。定義體粒周圍存在漂振蕩的定域空間，稱為漂域。漂域的運動速度矢量，稱為漂域速度，簡稱域速V。由物理狀態(tài)邊界條件確定漂域中漂動形態(tài)，域速可為零。沒 有物理邊界條件的漂域與自由體粒相伴隨運動。定義漂域中任一點的最大漂值，稱為該點漂振值(矢量)。某點漂振值的絕 對值，稱為該點漂振幅。定義任一點的漂變量完成一次周期性振蕩所需要的時間，稱為漂振蕩的周期 T。定義某個點的漂變量在單位時間完成周期性振蕩的次數(shù)，稱為漂振蕩的頻率 ν ；且 ν = 1/To定義漂振蕩的角頻率OmgularFrequency) ω,與頻率ν或周期T關(guān)系為ω =
2 31 ν = 2 π /τ。定義漂振蕩在開始(時間t = 0)時漂變量χ與漂振幅A之比的反余弦arccosOc/ Α)，稱為初相θ。定義初相θ與漂振蕩角頻率乘以時間cot之和(θ+cot)，稱漂振蕩相位(或 相)，簡稱相位。定義某點的漂振蕩按照相同相位和漂振幅的余弦和/或正弦變化，稱為該點 漂簡諧振蕩，簡稱漂簡諧。設某點的漂值為X，漂簡諧隨時間t的振蕩方程可為χ = Asin( θ +cot)禾Π /或χ =Acos ( θ + ω t)上式漂振幅A與初相θ均為常數(shù)。，(θ+cot)為相位。假設兩個相同角頻率 的漂簡諧漂值分別為X1 = A1COS ( θ ω t) ； X2 = A2COS ( θ 2+ ω t)；相位差 Δ θ = ( θ 2+ ω t) _ ( θ 汁 ω t) =θ 2- θ j某點漂振蕩可使其相鄰點的漂，因互相感應而離開平衡位置進行相同相位和相 同漂振幅的漂振蕩。
定義漂域內(nèi)由于相鄰的漂的互相感應而形成的各點漂振蕩的集合，稱為漂動 (float)。定義漂域中某一時刻漂振蕩相位完全相同的各點所連成的曲面，稱為漂面。 漂域中有任意多個漂面。定義漂域在運動中最前面的一個漂面，稱為漂前或漂陣面。定義漂域中各個點的切線方向表示漂動傳播方向的并且與各個點的漂振蕩均 垂直的線段，稱為漂線。漂線可以是直線段或曲線段；可以是封閉的或開放的。但它不是體粒運動的軌 跡。定義漂線上漂振值始終是零的點；稱為漂節(jié)。漂線上相鄰兩個漂節(jié)之間的線 段，稱為漂段。定義漂域運動方向與其漂變量的振蕩方向互相垂直的漂動，稱為橫漂。漂動 是橫漂，具有偏振效應。定義漂線上每點漂振值，也稱為漂線上該點漂動值(矢量)。其中最大的漂 動值的絕對值，稱為漂腹。
定義漂線上相鄰的相位差為2 π的兩點之間的距離λ并且其方向與漂線相同 的矢量，稱為漂長入。定義漂線上的單位長度含有漂長的數(shù)量N并且方向與漂線相同的矢量，稱為 漂數(shù)N;且|Ν| = 1/|入|。定義漂動的角漂數(shù)矢量k = 2 π N = (2 π / λ )Nq (N0為單位漂數(shù)矢量)定義一個完整的漂動通過漂線上某點所用時間，或一次周期性漂動所需要的 時間，稱為漂動周期T。漂動周期等于漂振蕩周期，與漂域經(jīng)過的物質(zhì)介質(zhì)沒有關(guān)系。漂長λ =振蕩速 度X漂動周期Τ。定義漂變量在單位時間內(nèi)周期性變化的次數(shù)，稱為漂動頻率。它與漂振蕩頻 率相同。 定義漂動的角頻率ω為頻率ν的2 Ji倍。即角頻率ω = 2 π ν = 2 π /Τ。定義相對于參照物為漂域的漂動速度矢量，稱為漂速U。它是漂域中狀態(tài)或 相位的漂動速度。U= λ/Τ。從漂動物理意義得漂動定理漂域中任意漂面上每個點的漂振蕩，都是產(chǎn)生相 同相位和漂振幅的漂振蕩的子漂動源，其后任一時刻，它們發(fā)出的球面子漂動隨著運動 漂域到達新空間中的包跡，就是新的漂前；漂動從同一個漂面上某些點產(chǎn)生的子漂振 蕩，隨著漂域運動(域速ν)或靜止(ν = 0)和漂動(漂速U)到達空間另一點時，各個子 漂振蕩遇到障礙物時會發(fā)生衍射；這些子漂振蕩相遇時互相疊加會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。根據(jù)漂動定理，從域速ν和漂速U可以計算出漂面之前的給定點的漂振幅和相 位，可以推導出漂動的反射定律“漂動的入射角等于反射角”和折射定律“漂動的 入射角的正弦與折射角的正弦之比等于常數(shù)”。漂域中的頻率ν和漂長λ的光子在真空域速為C，則在折射率為η介質(zhì)中域速Vn = C/n、漂長λη= λ/η。若漂程相同，光子運動所用時間就一樣，相位變化也相同。 相干漂動在不同介質(zhì)相遇的干涉由漂程差決定。定義域速為ν的漂域中的漂動，在時間At內(nèi)經(jīng)過真空的幾何路程L = ν · At,稱為漂程。定義兩個漂域中的漂動的漂程之差，稱為漂程差。它與域速和漂速相關(guān)，也 與漂域通過的介質(zhì)有關(guān)。定義因互相感應而形成漂腹與漂簡諧的漂振值相同的同相位的正弦和/或余 弦的漂動，稱為簡諧漂動。在時刻t位置r的簡諧漂動值y(r，t) = Α8 η(Φ + ω^ · r)和/或A C0S(cj5 + t-k · r)①漂腹A與Φ為常數(shù)；(Φ + ω -k · r)為漂動相位。若考慮漂動初 相Φ，同樣可以推導出以下推論和公式。定義勻速運動的漂域中的漂動周期和漂動頻率，分別稱為該漂域的固有周期 和固有頻率。漂動遇到障礙物時運動方向發(fā)生改變，能夠繞過障礙物的邊緣繼續(xù)向前運動的 現(xiàn)象，稱為漂動繞射(或漂動衍射)。其數(shù)學原理和方法，與機械波的衍射相類似。它 可解釋光子、電子等體粒的所有衍射現(xiàn)象。
漂線上各點漂振蕩的頻率和漂長相同而相位差恒定的漂動，稱為相干漂動。當 兩列相干漂動相遇時，經(jīng)過各點漂振值疊加形成強弱分布不變的漂動，這一現(xiàn)象稱為漂 動干涉。其數(shù)學原理，與機械波干涉相同。漂動相遇的重疊區(qū)域里，每個點的漂振蕩F12(或Ψ21)是各個漂振蕩V1和Ψ2 在該點漂振值的矢量和。￥12(r, t) = W21 (r, t) = F1 (r, t) + ￥2(r, t) , |ψ12|2 = | Ψ!+Ψ2|2 = |ψι|2+|ν2|2+ψ*ι · Ψ2+Ψ*2 · V1上式后面兩項可解釋光子、電子、分子等體粒的雙縫干涉實驗，以及重疊漂域 中發(fā)生的一切干涉現(xiàn)象。多縫干涉實驗伴隨每個體粒的漂動通過多縫產(chǎn)生干涉；每個 的體粒受漂域作用只能選擇其中一個縫通過。若干列漂動相遇時，各個漂動都將獨立地保持自己的特性(頻率、漂長、振蕩 方向和漂線方向等)并繼續(xù)運動。它們是交叉而過，互不干擾，稱為漂動的獨立性。它 表明任何漂動都是與其體粒緊密相關(guān)的。幾列漂動在同一介質(zhì)中運動時，都保持其原有的特性不變，相遇處的漂動值是各列漂動值的矢量和，稱為漂動的疊加性。它表明任何漂動都可以用簡諧漂動來合成。 即任何漂動都可分解為簡諧漂動的組合。推論1:每個體粒的漂動產(chǎn)生衍射和干涉等現(xiàn)象；大量同類體粒系統(tǒng)的漂動呈 現(xiàn)衍射或者干涉圖案。漂線的同一漂段上各點，漂振蕩方向相同，但各點的漂振值不同；分別位于相 鄰兩個漂段上的各點，漂振蕩方向相反，對應點的漂振幅相同。各種漂動都是漂線上各 個漂段的若干個簡諧漂動的組合。漂域外各點漂振值始終為零；根據(jù)漂振值連續(xù)性；漂域邊界上漂振值也始終為 零。故漂域邊界是漂節(jié)。漂段上各點的漂振值達到最在值時，引起相鄰點的漂感應最大，漂變化速度為 零。經(jīng)過1/4周期后，該漂段各點的漂同時到達平衡位置，相鄰漂感應為零，漂變化速 度最大。繼續(xù)振蕩，漂振值到達負最大值，相鄰漂感應最大，漂變化速度為零。故漂振 蕩狀態(tài)始終在漂段上來回移動。在漂節(jié)位置漂振值始終為零。漂動的狀態(tài)和相位，不能 通過漂節(jié)向相鄰的漂段或外界傳送。漂沒有質(zhì)量，故漂域和漂動沒有能量和動量。推論2:漂域邊界的點是漂節(jié)；漂動狀態(tài)不能向相鄰漂段或外界傳送。漂動沒 有質(zhì)量、能量和動量。光子周圍定域電磁漂動，稱為電磁漂；從漂長大于IO3米的電磁漂動，到漂長小 于10_12米的Y射線?！半姶艌鱿驘o限空間傳播能量和動量”的麥克斯韋理論及其“位移電流、感生 電動勢”假說都是錯的?！肮獍l(fā)射、吸收、運動都是粒子；光歸結(jié)為光子”愛因斯坦光子理論和“光歸 結(jié)為波”理論都是錯的?！懊總€粒子都象光波一樣無限傳播，粒是一種波動；波函數(shù)沒有物理意義”的 德布羅意理論是錯的。“電子在一些實驗是波，另一些實驗是粒子。電子既是波又是粒子”波爾(Bohr)互補性原理是錯的。推論3:開放漂上漂節(jié)數(shù)目是(n+1)個，漂線兩端位于漂域邊界上。封閉漂線 上漂節(jié)數(shù)目是η個。定義系統(tǒng)指一個體粒(如電子)或一群體粒(如原子、分子和離子等)互相作 用及其邊界條件等。定義物理狀態(tài)指體粒之間的互相作用、勢場分布和系統(tǒng)狀態(tài)等；也稱為狀態(tài) 函數(shù)(state Function)。一個系統(tǒng)中漂域和漂動的具體形態(tài)，取決于其中各個體粒的質(zhì)量、動量、能 量、邊界條件等物理狀態(tài)。
體粒(如光子)有質(zhì)量、能量和動量；漂動(如電磁漂)有漂腹、角頻率和角漂 數(shù)。它們之間相關(guān)。推論4 每一種不同的漂域和漂動的形態(tài)都代表系統(tǒng)的一個物理狀態(tài)；漂域和 漂動包含系統(tǒng)所有信息。定義開放漂線上漂節(jié)皆在漂域邊界的漂動，或者封閉漂線上角頻率最低的漂 動，稱為基漂。從①式得在時間t位置r的簡諧漂動的漂動值Ξ (r, t) = Ξ0οο8(ω ^ · r)和 / 或 Ξ 0sin (ω t_k · r)。定義若干個漂振幅分別為Scin的具有相同相位(k · r-ω )的互相垂直或 平行的漂簡諧，在與同一條漂線構(gòu)成的各自平面內(nèi)形成漂腹分別為Scin和相位都為 (k · r-ω )的簡諧漂動組合，稱為正交漂動Ξ (r, t)。在同一條漂線上的J列垂直和/或平行的簡諧漂動組合Ξ (r, t) =ΣΞη(Γ, t)= Σ Ξ Oncos (k · r_ ω t)禾口 / 或 Ξ 0nsin (k · r_ ω t)，就是正交漂動 Ξ (r，t)。其中 J 列漂動 的漂腹之和，稱為合成漂腹Σ Ξ Cln(正數(shù))。正交漂動的余弦和/或正弦，與2=^必、^_1^)實部和/或虛部一一對應。 漂動可用復變函數(shù)表示。正交漂動Ξ (r, t)采用與正弦、余弦等效的復變函數(shù)ζ (可以只對應其中的單獨
實部或虛部)形式為
權(quán)利要求
1.簇體激光器一般由三部分組成①能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的激活簇體、②用光或 其他激勵能源對激活簇體的原子中電子輸入能量的泵簇源、③能夠造成單色光子連鎖反 應使其數(shù)量激烈增加的光學諧振腔；簇體激光的光學諧振腔，就是在激活簇體的長軸兩側(cè)放置兩塊距離尺寸非常精確的 反射鏡；其中一塊為全反射鏡，另一塊為有一定透射率的光束分裂器或者半反射鏡；這 兩個反射鏡面可以是平面，也可以是凹球面，或一平一凹； 在激活簇體短軸的離泵簇源較遠的一邊放一個反射鏡，它能夠?qū)⑼高^激活簇體的光 線返回激活簇體；這個反射鏡一般與激活簇體平行，或者在激活簇體的該側(cè)面涂上反射 膜，作為反射鏡；在氙燈或其他光源的離激活簇體較遠的一邊放一個反射鏡，它可以將 泵簇源不往激活簇體方向的光線，改變其方向，使泵簇源的光子能夠大部分被激活簇體 吸收；簇體激光器的結(jié)構(gòu)激活簇體(固體棒或者裝有流體的透明管等)的直徑從1厘米到 幾個厘米不等；長度由十幾厘米到幾十厘米不等；激活簇體的兩端面很光滑，平行度很 高；在兩個端面鍍上反射膜，或者采用另外的兩個反射鏡，就可以組成光學諧振腔；泵 簇源使用普通強光源，如氙燈或高壓水銀燈等，可以是連續(xù)發(fā)光的或脈沖式發(fā)光的；泵 簇源也可以采用發(fā)光二極管等其他光源；激勵能源有光激勵、電激勵、電子束激勵或碰撞電離激勵；激活簇體一般采用光 泵抽運，泵簇源可以是連續(xù)發(fā)光的或脈沖發(fā)光的；光源可以是氙燈、高壓水銀燈、或者 二極管泵浦等；制備簇體激光所需要的簇體(包括序體和非序體)，只有在生長速度緩慢，周圍有自 由空間，施加一定高壓時，才能形成有規(guī)則的幾何形狀；由于納粒不同，生成條件(熔 液的溫度、壓力、稠度和冷凝的速度等)不同，可形成各種各樣的簇體(序體和非序 體)；這種技術(shù)應具備兩個前提條件一個是應滿足簇體(序體和非序體)形成的生長機 制；第二是應滿足簇體(序體和非序體)形成的工藝參數(shù)；材料(包括有用的摻雜物質(zhì))經(jīng)過長時間高溫加熱后，保持在非序凝點Tg(即非序 體呈現(xiàn)完全固態(tài)的溫度，它不是常數(shù))以上直至熔點Tm，并對即將凝固材料進行振動或 攪動；一方面依靠外部輸入能量促使籽序或序核提前形成，另一方面促使籽序的數(shù)目增 加；用機械方法使裝有高溫加熱后的過冷液體的坩堝振動或變速轉(zhuǎn)動；在施加壓力(范 圍一般為102kPa 108kPa)條件下；熔液緩慢冷卻時可形成優(yōu)良序體；通常冷卻條件下 可形成非序體；在重力場中序體生長會產(chǎn)生局部區(qū)域的雜質(zhì)不均勻；可采用附加的強磁場條件下生 長序體；因為磁場會抑制熔液對流或避免雜質(zhì)不均勻；另外在硅序體和砷化鎵序體中采 用中子嬗變技術(shù)也可得到均勻的序體；簇體激光材料基本生成技術(shù)在熔爐中某種高純度材料在含有拉序體設備的熔融坩 堝融化；在該材料的溫度保持為其熔點(或稍微低一點)的狀態(tài)時，在施加壓力下，由拉 著該種序體的籽序(可為籽序條、籽序片或籽序塊)的機械裝置(例如夾持器)非常緩慢 地順著逆時針方向旋轉(zhuǎn)，將浸入該種材料的熔融液中的籽序在周圍空間溫度保持在熔點 至非序凝點之間并向上拉起；起先接觸籽序上的熔融材料將按照該籽序的納面和納面角 以及納胞的納格形狀等首先形成有規(guī)則、長程有序排列的序體；然后隨著向上拉起而逐漸緩慢地形成序體錠；在純凈的序體中適當?shù)負饺胛⒘侩s質(zhì)，可制造各種不同用途、精密度高的簇體激光 器件；激光序體硅生長時，如果在熔融硅中摻入雜質(zhì)硼(或磷)原子，就可以獲得P型 (或N型)序體；激光序體硅錠可用金剛石刀切成序體硅片，切割決定4個序體硅片參 數(shù)表面方向(如<100>或<110>)、厚度(如0.5-0.7毫米)、傾斜度(從一端到另一端 的序體硅片厚度的差異)和彎曲度(從序體硅片的中心到邊緣的彎曲程度)；切割后的序 體硅片經(jīng)研磨、拋光等步驟，獲得拋光序體硅片；以拋光序體硅片為襯底，在它的上面 就可以制造簇體激光中的激活簇體；激光退火是將激光束聚焦到任何需要退火的簇體區(qū) 域，甚至可以對任何納米數(shù)量級的區(qū)域進行退火，能有效地去除納粒的位錯和簇體中的 堆垛層錯；它可在空氣中進行；簇體激光器按照激活簇體不同，分為固態(tài)簇體激光器、液態(tài)簇體激光器、氣態(tài)簇體 激光器、半導簇體激光器、光纖簇體激光器等。
2.固態(tài)簇體激光器是由固態(tài)簇體作為激活簇體的激光器；對應于激活簇體是序體或 者非序體(一般為玻璃非序體)；分別稱為序體激光器和玻簇激光器；其中起受激輻射 作用的激活簇體的離子(稱為激活離子)，鑲嵌在序體或非序體的固態(tài)簇體基質(zhì)中，其激 活離子的密度比氣態(tài)簇體激活粒子的密度大得多；所有的固態(tài)簇體激光器的激活介質(zhì)材 料，都是由激活簇體的離子摻雜在簇體基質(zhì)材料中組成的，固態(tài)簇體激光由激活離子產(chǎn)生，簇體基質(zhì)則給激活離子一個有利于產(chǎn)生激光的微觀 環(huán)境；作為簇體基質(zhì)的固態(tài)簇體(即序體或非序體)通常制成棒狀，兩端面拋光成光學 面，并具有很好的平行度；在兩端面鍍上反射膜(或采用另外的兩個反射鏡)，就構(gòu)成光 學諧振腔；激活簇體的原子吸收入射光子的能量躍遷到高能態(tài)，其集中返回低能態(tài)時釋 放激光；在激活簇體短軸的離泵簇源較遠的一邊放一個反射鏡；在氙燈或其他光源的離激活 簇體較遠的一邊放一個反射鏡，可使泵簇源的光子能夠大部分被固態(tài)激活簇體吸收；固態(tài)簇體激光器的光學部件均由緊湊、牢固、可模塊化的固體部件組成，可稱為全 固態(tài)簇體激光器；它的抽運效率很高；泵簇源是氙燈或者高壓水銀燈；它也可以采用發(fā) 光二極管(LED)等其他光源；全固態(tài)簇體激光器是由晶體(或序體)制成的具有特定漂 長的大功率LD或LD陣列，來激發(fā)特定的激光序體產(chǎn)生特定漂長的激光；然后再使用非 線性光子變頻，可獲得三基色激光輸出。
3.有機染料簇體溶液，可以作為激光器的激活簇體；液態(tài)簇體激光器是一種以液態(tài) 簇體分子作為激活納粒的激光器；所有染料簇體激光器都是用光泵抽運的，主要要求光 泵輸出的光子的漂域中漂動接近染料簇體的吸收峰；泵簇源是氙燈或者高壓水銀燈；它 也可以采用發(fā)光二極管等其他光源；諧振腔內(nèi)不插入一個法布里-珀羅(F-P)標準具時，輸出激光的線寬為0.05納米， 插入標準具后，可獲得線寬約為0.001納米的單模激光；在激活簇體短軸的離泵簇源較遠的一邊放一個反射鏡；在氙燈或其他光源的離激活 簇體較遠的一邊放一個反射鏡，可使泵簇源的光子能夠大部分被液態(tài)激活簇體吸收；液態(tài)簇體激光器的基本結(jié)構(gòu)除有密封的染料池、諧振腔、泵簇源外，還有密封的染 料簇體溶液的循環(huán)以及過濾系統(tǒng)；通過改變簇體染料組成、壓力和溫度，染料池的長度，可使激光漂長在一定范圍連續(xù)可調(diào)。
4.氣態(tài)簇體激光器是以壓縮的氣態(tài)簇體或者金屬蒸氣簇體作為激活簇體的激光器； 泵簇源是氙燈或者高壓水銀燈等其他光源；它也可以采用發(fā)光二極管；將高壓下的氣態(tài)簇體或者混合氣態(tài)簇體密封在透明管(如有機玻璃)內(nèi)；管內(nèi)的高氣 壓使得單質(zhì)氣體或混合氣體被壓縮成氣態(tài)簇體，作為氣態(tài)簇體激光器的激活簇體；激活 簇體可以是原子、分子或離子，如氦氖簇體激光器是以氦和氖原子氣體作為激活簇體的 激光器，二氧化碳簇體激光器是以二氧化碳分子氣體作為激活簇體的激光器；氬離子簇 體激光器是以氬離子氣體作為激活簇體的激光器；透明管可以用水晶等材料制成；在透明管的兩端貼有布儒斯特窗，也是用水晶片制 成；窗口平面的法線與透明管軸線間的夾角恰好等于水晶的布儒斯特角，約56° ；安裝 布儒斯特窗口可以使輸出的激光為偏振光；在激活簇體短軸的離泵簇源較遠的一邊放一個反射鏡；在氙燈或其他光源的離激活 簇體較遠的一邊放一個反射鏡，可使泵簇源的光子能夠大部分被氣態(tài)激活簇體吸收。
5.光纖簇體激光器是以光纖簇體本身作為激活簇體；其諧振腔由光纖簇體的兩個端 面粘結(jié)腔片或鍍上簇體薄膜構(gòu)成的；它也可以直接在光纖簇體端面上刻寫光纖布喇格光 柵作為光學諧振腔；它的腔體結(jié)構(gòu)簡單，而且光纖簇體柔軟，可在最小曲率半徑范圍外 彎曲盤繞成任意形狀；它選擇發(fā)射漂長與光纖吸收特性相匹配的體積小巧的模塊化的高 功率發(fā)光二極管LED作為泵簇源；光纖簇體的光柵是光纖簇體的纖芯中折射率周期性變 化的結(jié)構(gòu)；它可構(gòu)成全光纖簇體激光器；光纖簇體激光器可分為單層光纖簇體激光器和雙層光纖簇體激光器；其中雙層光纖 簇體是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的光纖簇體；它比單層光纖簇體增加了一個內(nèi)包層(內(nèi)包層形 狀可以為矩形或圓形等)，內(nèi)包層的橫向尺寸和數(shù)值孔徑均遠大于纖芯；雙層光纖簇體 激光器的纖芯中摻雜稀土元素(Yb，Nd，Er, Tm等)；由于內(nèi)包層包繞在單模纖芯簇 體的外圍，泵浦光在內(nèi)包層中發(fā)射并多次穿越纖芯簇體而被摻雜離子所吸收，從而將泵 浦光高效地轉(zhuǎn)換為單模簇體激光；內(nèi)包層的尺寸一般都應大于100微米，使得經(jīng)耦合透 鏡聚焦后的焦斑為100微米左右的多模泵浦光可以有效地耦合進單模光纖簇體中，并且 內(nèi)包層的數(shù)值孔徑一般大于0.36，收集泵浦光的能力強，從而可以保證高能量的泵浦光 高效地耦合進入內(nèi)包層；由于雙包層光纖簇體的內(nèi)包層的橫截面尺寸和數(shù)值孔徑都足夠 大，通過泵簇源光束整形后，可以高效地耦合進入內(nèi)包層，通過選擇合適的內(nèi)包層參數(shù) 和形狀，實現(xiàn)高效、高功率激光輸出，轉(zhuǎn)換效率可以達到0.7以上；雙包層光纖簇體激光器采用細長的摻雜光纖簇體本身作為激活簇體，表面積與體積 之比很大；至少是現(xiàn)有的固體激活介質(zhì)的1000倍以上，故散熱性能非常好；另外雙包 層光纖簇體激光器的泵簇源的光子在內(nèi)包層波導內(nèi)傳輸，功率不擴散，有利于保持高功 率密度光泵；這對于上轉(zhuǎn)換簇體激光是十分有利的；通過纖芯簇體中摻雜不同的稀土離 子，可以實現(xiàn)藍光(摻Tm)、綠光(摻Er)和紅光(摻Pr)的激光輸出；泵簇源是氙燈或者高壓水銀燈等；它也可以采用半導體二極管；這種泵簇源發(fā)出的 相干光子從光纖簇體的一個端面進入，從另一個端面出來的就是很強的簇體激光。
6.半導簇體激光器使用半導簇體作為激活簇體；它是由半導簇體PN結(jié)所構(gòu)成的；基 本上與半導體激光器相同；它必須滿足激光產(chǎn)生的基本條件；為了實現(xiàn)PN結(jié)附近非平衡載流子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，首先要有合適的激活簇體和特殊結(jié)構(gòu)；半導簇體激光器， 也稱為簇體激光二極管；它的主要部分是簇體PN結(jié)，形狀為長方形，長約250微米，寬 約100微米；簇體PN結(jié)未加電壓時，N區(qū)電子的能級比P區(qū)空穴的能級低；不同半導簇 體激光器所輸出的光子漂域的漂長不同；如砷化鎵簇體激光器在室溫下，輸出光子的漂 域的漂長為0.9微米； 采用重摻雜的砷化鎵(GaAs)PN結(jié)，用P+N+表示；可實現(xiàn)載流子反轉(zhuǎn)分布；為了獲 得強相干激光輻射，半導簇體激光器還需要光學諧振腔；砷化鎵簇體激光器諧振腔可利 用與P+N+平面互相垂直的自然解理面(110面)構(gòu)成法布里-珀羅(F-P)諧振腔；其中一 端的110解理面鍍高反膜，另一端110解理面作為輸出端；由于光學諧振腔的損耗，注入 電流必須足夠大時才能使激光器增益大于損耗，實現(xiàn)激光振蕩；半導簇體PN結(jié)通常包含有納米級厚度的簇體有源層和有源層兩邊的具有反射功能的 簇體薄膜層構(gòu)成的諧振腔；簇體有源層可以是N型，也可以是P型；當施加正向偏置電 壓時，電子從N型薄膜層注入到簇體有源層；空穴從P型薄膜層注入到簇體有源層；由 于帶隙差而產(chǎn)生的同質(zhì)結(jié)或異質(zhì)結(jié)勢壘的存在，使注入到該有源層中的電子和空穴不能 擴散而被限制在簇體有源層中；半導簇體激光器通常采用鎵(Ga)、砷(As)、銦(In)、磷(P)和鋁(Al)等簇體材料 的化合物制成；它可分為同質(zhì)結(jié)、異質(zhì)結(jié)和量子阱的三種結(jié)構(gòu)；半導簇體激光器還需要 光學諧振腔；半導簇體激光器包括許多種簇體和激勵方式；其中鎵砷半導簇體激光器的主體是一 粒鎵砷單序體；6.1同質(zhì)結(jié)簇體激光器是將P-GaAs序體和N-GaAs序體緊密結(jié)合在一起，形成一個 PN結(jié)以及自建電場；簇體激光二極管的光學諧振腔可利用與P+N+結(jié)平面互相垂直的序體 解理面(110面)構(gòu)成法布里-珀羅諧振腔；一端的解理面(110)鍍上高性能反射膜，另 一端的解理面(110)作為輸出端；實現(xiàn)簇體激光的震蕩和輸出；6.2異質(zhì)結(jié)是指在一種序體上生長出另一種序體，例如在鎵砷序體上長一層鎵鋁 砷；異質(zhì)結(jié)GaAs半導簇體激光器是在P-GaAs序體和N-GaAs序體上生成另一重摻雜 P+-AlxGa1^xAs或N+-AlxGai_xAs序體，形成半導簇體的單異質(zhì)結(jié)GaAs簇體激光器或雙異 質(zhì)結(jié)GaAs簇體激光器；P+區(qū)厚度約10-2000納米。
7.利用激光二極管作為泵簇源，代替氙燈或其他非半導體激光器所形成的簇體激光 器，就是半導泵源激光器；半導泵源激光器的結(jié)構(gòu)激活簇體(固態(tài)簇體棒或裝有流體的透明管)直徑從1厘米 到幾個厘米不等；長度由十幾厘米到幾十厘米不等；激活簇體的兩端面很光滑，平行度 很高；在兩個端面鍍上反射膜，或者采用另外的兩個反射鏡，就可以組成光學諧振腔； 泵簇源使用半導體激光器；在半導體激光器的PN結(jié)的發(fā)光面的兩邊，其中一邊為激光射 出，另一邊也可以裝有反射鏡，使另一邊激光被反射鏡反射回到PN結(jié)，可以使激光的強 度增加，提高激光器的效率；激光二極管作為泵簇源有以下兩種情況7.1激光二極管使用半導體材料作為激光的激活介質(zhì)，主要部分是一個PN結(jié)，形狀 為長方形，長約250微米，寬約100微米；當然它也可以根據(jù)需要，制成各種不同的形狀 和尺寸；它的兩個端面磨光并互相平行，構(gòu)成光學諧振腔的兩個反射鏡；.7.1.1同質(zhì)結(jié)半導體激光器是將P-GaAs晶體和N-GaAs晶體緊密結(jié)合在一起，形成一 個PN結(jié)以及自建電場；激光二極管諧振腔可利用與P+N+結(jié)平面互相垂直的序體解理面 (110面)構(gòu)成法布里-珀羅諧振腔；一端的解理面(110)鍍上高性能反射膜，另一端的 解理面(110)作為輸出端；實現(xiàn)激光震蕩和輸出；.7.1.2異質(zhì)結(jié)GaAs半導體激光器是在晶體P-GaAs和晶體N-GaAs上生成另一重摻雜 P+-AlxGa1^xAs或N+-AlxGai_xAs晶體，形成單異質(zhì)結(jié)GaAs半導體激光器或雙異質(zhì)結(jié)GaAs 半導體激光器；異質(zhì)結(jié)半導體激光器不是從P+N+結(jié)區(qū)輻射激光；而是從P+區(qū)輻射激光； P+區(qū)厚度約10-2000納米；.7.2半導泵源激光器按照激活簇體不同，分為固態(tài)半導泵源激光器、液態(tài)半導泵源激 光器、氣態(tài)半導泵源激光器、光纖半導泵源激光器等；這些激光器的激活簇體，與相應 的簇體激光器相同。
8.利用半導簇體激光器作為泵簇源，代替氙燈或其他非半導簇體激光器所形成的簇 體激光器，就是半導簇體泵源激光器；它通過改變半導簇體有源層的厚度或改變有源區(qū)“組分”，并通過溫度控制，能夠精確控制半導簇體激光器所輸出光子的漂域的漂長， 實現(xiàn)泵簇源發(fā)射的光子與激活簇體所吸收光子的最高度的相匹配；若干個半導簇體泵源 激光器可組成半導簇體泵源激光器組，同時照射激活簇體；在半導簇體泵源激光器的泵 簇源PN結(jié)的一邊作為發(fā)射激光的一個端面，而在PN結(jié)的另一邊(發(fā)射激光的相對另一 個端面)，可以涂上一層薄膜作為反射鏡，或者可以另外裝上一個反射鏡，使該面的激光 返回PN結(jié)，增加發(fā)射激光的強度，提高激光器的整體效率。
9.利用光纖簇體激光器作為泵簇源，代替氙燈或其他非光纖簇體激光器所形成的簇 體激光器，就是光纖泵源激光器；以雙包層光纖簇體為基礎的包層泵浦技術(shù)提高了光纖 泵源激光器的輸出功率，光纖泵源激光器的轉(zhuǎn)換效率可達50%以上，泵浦功率可達百瓦 以上；若干個光纖簇體激光器共同作為泵簇源，可聯(lián)合組成光纖泵源激光器組光纖泵源 激光器按照激活簇體不同，分為固態(tài)光纖泵源激光器、液態(tài)光纖泵源激光器、氣態(tài)光纖 泵源激光器、半導體光纖泵源激光器等；這些光纖泵源激光器的激活簇體分別為固態(tài)簇 體、液態(tài)簇體、氣態(tài)簇體和半導體簇體等；這些光纖泵源激光器的激活簇體與相應的簇 體激光器相同。
10.利用氣態(tài)簇體激光器作為泵簇源，代替氙燈或其他非氣態(tài)簇體激光器所形成的 簇體激光器，就是氣態(tài)簇體泵源激光器；氣態(tài)簇體泵源激光器一般可以在室溫下連續(xù)運 行，具有豐富的激光的漂域的漂長，分布在紫外線到遠紅外線的廣闊波段內(nèi)；氣態(tài)簇體 泵源激光器的造價比固體激光器便宜；.10.1氣態(tài)簇體泵源激光器按照激活簇體不同，分為固態(tài)氣泵源激光器、液態(tài)氣泵源 激光器、氣態(tài)氣泵源激光器、半導氣泵源激光器等；這些激光器的激活簇體分別為固態(tài) 簇體、液態(tài)簇體、氣態(tài)簇體和半導簇體等；.10.2利用氣動激光器作為泵簇源，代替氙燈或其他非氣動激光器所形成的簇體激光 器，就是氣動泵源激光器；氣動泵源激光器按照激活簇體不同，分為固態(tài)氣動源激光器、液態(tài)氣動源激光器、 氣態(tài)氣動源激光器、半導氣動源激光器等；這些激光器的激活簇體分別為固態(tài)簇體、液 態(tài)簇體、氣態(tài)簇體和半導簇體等。
全文摘要
本發(fā)明任務是創(chuàng)立物質(zhì)結(jié)構(gòu)新理論——《漂動學》；揭示漂(float)的物質(zhì)形態(tài)和漂動(float)的物理意義；定義和闡明簇體激光(Cluster Laser)技術(shù)；揭示簇體激光本質(zhì)，開發(fā)與應用簇體激光技術(shù)。簇體激光技術(shù)將在各行各業(yè)發(fā)揮重要作用?！镀瘎訉W》是一套完整描述物質(zhì)客觀規(guī)律的理論。簇體激光器一般由三部分組成①能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的激活簇體、②用光或其他激勵能源對激活簇體的原子中電子輸入能量的泵簇源、③能夠造成單色光子連鎖反應使其數(shù)量激烈增加的光學諧振腔。其中可以造成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的激活簇體是它的核心。泵簇源主要是給激活簇體原子施加一定的能量。光學諧振腔具有使光子來回振蕩和選頻的作用。簇體激光能夠使光子能量非常強烈地集中在特定的漂長上。
文檔編號H01S3/20GK102025093SQ20101052822
公開日2011年4月20日 申請日期2010年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月2日
發(fā)明者劉智和 申請人:劉文祥