专利名称：簇体激光的制作方法
技术领域：
本发明涉及簇体技术(Cluster technology)、激光技术(Laser technology)、光学技术(Light technology)、电学技术(Electronic technology)和半导体技 术(Semiconductor technology)。簇体激光(ClusterLaser)依据《漂动学》和《簇体学》理论。簇体激光技术将 在物理、化学、生物、能源、材料、信息、网络、机电、微电子、医药、工业、农业、
科教、军事等各个领域得到广泛应用。
背景技术：
量子力学是一个关于物质结构和微观粒子的理论；至今是一个构成和 诠释人类对物质结构所有认识的理论。其中爱因斯坦(Einstein)光子理论、德布罗意(de Broglie)物质波理论、薛定格(Schr&linger)波动方程、狄拉克(Dirac)相对论波动方程、 量子力学基本原理、各种物理量的算符等，都是假设的。海森伯(Wiieisenberg) “测不 准原理”的解释是牵强附会的；它表明能量可以凭空产生。量子力学基本是依靠数不清的假设描述。它始终被概念的、实验的、物理的、 哲学的问题所纠缠不清。它假设双缝干涉实验“大量粒子不显示粒子性而少量粒子不显 示波动性”；“潜能(potengiality)是一种潜在可能性(potential)”。一个粒子会跟自己 发生所谓“量子纠缠”的现象。一道激光束被挤压分裂，最后同时创造出两个光子；即 使相隔无限远，仍互相干扰。整个量子力学是建立于薛定格波动方程中没有物理意义的 波函数上。它是“不存在物质客观实在，仅仅存在实验者观察产生的实在”的非决定性 的唯心论。波函数除了波恩(MaxBom) “统计解释”哥本哈根观点外，还有隐函数解释观 点、随机特性观点等。量子力学是能源、纳米材料(nanomaterial)、半导体、激光等技术应用的基础理论。纳米材料的定义在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围内，或由纳米基 本单元构成的材料。纳米材料既不同于长程有序的晶体，也不同于长程无序的非晶体。它是一种介 于固体和分子之间的第三态物质；是晶体、非晶体之外的“第三态固体材料”。扫描隧道显微镜(Scanning tunneling microscope，STM)是用来检测微观形貌
的。它具有极高空间分辨能力，平行方向的分辨率为0.04纳米，垂直方向的分辨率为 0.01纳米。STM原理是量子隧道效应。其主要构成有顶部直径约为50-100纳米的极 细探针(通常是金属钨制的针尖)、用于三维扫描的三个互相垂直的压电陶瓷(Ρχ、Ργ、 Pz)、以及用于扫描和电流反馈的控制器(Controller)等(
图1)。STM有两种工作模式恒电流模式和恒高度模式；是微观世界的加工工具，人工可按需要排布原子。利用STM的针尖(即针端原子)对样品原子或分子的吸引力来操 纵和移动原子或分子，使它们重新排布。激光是“辐射的受激发射光放大”(lightamplification by stimulated emission of radiation, Laser)的縮写。激光是量子力学、无线电电子学和固体物理学的综合产物，也是理论与技术紧密结合的成果。量子力学提出“受激辐射与原子之间的共振作用是激光器发光的物理基础”。 激光是原子、分子、离子中的电子处于受激状态，在外来因素诱发下，从高能量的激发 态向低能量状态跃迁时所得到的被增强的光。固体激光器中采用光泵浦方式，起受激辐射作用的激活离子的密度比气体工作 物质的粒子密度大得多。光学谐振腔是将作为基质的晶体或非晶体制成棒状，两端面抛光成光学平面， 并具有很好的平行度；同时在两端面镀上反射膜或采用另外的两个单独反射镜而构成 的。在理想情况下，谐振腔的两个反射面之一的反射率应当是1 ；为了让激光输出，另 一个反射面是部分反射的，但发射率也要相当高。谐振腔对光束方向具有选择性，使受 激辐射集中于特定的方向，激光光束很强的方向性就来源于此。特定方向的光束在粒子 数反转的工作物质(激活介质)中反复放大，又保证了激光的高亮度。谐振腔除了对光速的方向有选择作用外，还有选频作用。它使得激光器内可能 出现的振荡频率不是任意的，而是某些谱线宽度很窄的离散谱。由激光器输出的每一个 谐振频率，称为一个纵模。由于激光器中光能的损耗，对激活介质的增益有一个最低阀值的限 制。阀值条 件是继粒子数反转分布条件之后的又一个产生激光的必要条件。发明内容本发明任务是创立物质结构新理论--《漂动学》；揭示漂(float)的 物质形态和漂动(float)的物理意义；定义和阐明簇体激光(Cluster Laser)技术；揭示簇 体激光本质，开发与应用簇体激光技术。《漂动学》和《簇体学》是物质结构的新理论；将对簇体激光技术起重要指导 作用。簇体激光技术改变物质性质及其各方面应用，将在各行各业发挥重要作用。《漂 动学》是一套完整描述物质客观规律的理论。以下没有说明时，J(可为⑴)过，都为自然数。Σ是η从1 J项的求和符号。
黑体符号指矢量。定义任何具有质量(包括动质量)的物体和微观粒子，称为体粒。如光子、 电子等粒子和颗粒等。定义某个点上的一个物理量在某一数值附近随时间而作周期性的变化，称为 振荡(vibration)。定义某个点的物理量随着时间变化的振荡状态或者相位的速度，称为振荡速 度，简称振速。定义能互相感应的可叠加的在体粒周围一定范围漂浮的独立的没有质量的物 质形态，称为漂(float)。漂是一种看不见、摸不着、与体粒及其物理量发生作用的不同于实物的特殊物 质；没有动量和能量。定义某点上漂在零值附近的垂直于体粒运动方向的平面上振荡，称为漂振 荡。表示漂振荡的物理量，称为漂变量。其中一个方向的漂变量规定为正值，相反方向 为负值。它的绝对值和方向，称为漂值(矢量)。定义体粒周围存在漂振荡的定域空间，称为漂域。漂域的运动速度矢量，称为漂域速度，简称域速V。由物理状态边界条件确定漂域中漂动形态，域速可为零。没 有物理边界条件的漂域与自由体粒相伴随运动。定义漂域中任一点的最大漂值，称为该点漂振值(矢量)。某点漂振值的绝 对值，称为该点漂振幅。定义任一点的漂变量完成一次周期性振荡所需要的时间，称为漂振荡的周期 T。定义某个点的漂变量在单位时间完成周期性振荡的次数，称为漂振荡的频率 ν ；且 ν = 1/To定义漂振荡的角频率OmgularFrequency) ω,与频率ν或周期T关系为ω =
2 31 ν = 2 π /τ。定义漂振荡在开始(时间t = 0)时漂变量χ与漂振幅A之比的反余弦arccosOc/ Α)，称为初相θ。定义初相θ与漂振荡角频率乘以时间cot之和(θ+cot)，称漂振荡相位(或 相)，简称相位。定义某点的漂振荡按照相同相位和漂振幅的余弦和/或正弦变化，称为该点 漂简谐振荡，简称漂简谐。设某点的漂值为X，漂简谐随时间t的振荡方程可为χ = Asin( θ +cot)禾Π /或χ =Acos ( θ + ω t)上式漂振幅A与初相θ均为常数。，(θ+cot)为相位。假设两个相同角频率 的漂简谐漂值分别为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某点漂振荡可使其相邻点的漂，因互相感应而离开平衡位置进行相同相位和相 同漂振幅的漂振荡。
定义漂域内由于相邻的漂的互相感应而形成的各点漂振荡的集合，称为漂动 (float)。定义漂域中某一时刻漂振荡相位完全相同的各点所连成的曲面，称为漂面。 漂域中有任意多个漂面。定义漂域在运动中最前面的一个漂面，称为漂前或漂阵面。定义漂域中各个点的切线方向表示漂动传播方向的并且与各个点的漂振荡均 垂直的线段，称为漂线。漂线可以是直线段或曲线段；可以是封闭的或开放的。但它不是体粒运动的轨 迹。定义漂线上漂振值始终是零的点；称为漂节。漂线上相邻两个漂节之间的线 段，称为漂段。定义漂域运动方向与其漂变量的振荡方向互相垂直的漂动，称为横漂。漂动 是横漂，具有偏振效应。定义漂线上每点漂振值，也称为漂线上该点漂动值(矢量)。其中最大的漂 动值的绝对值，称为漂腹。
定义漂线上相邻的相位差为2 π的两点之间的距离λ并且其方向与漂线相同 的矢量，称为漂长入。定义漂线上的单位长度含有漂长的数量N并且方向与漂线相同的矢量，称为 漂数N;且|Ν| = 1/|入|。定义漂动的角漂数矢量k = 2 π N = (2 π / λ )Nq (N0为单位漂数矢量)定义一个完整的漂动通过漂线上某点所用时间，或一次周期性漂动所需要的 时间，称为漂动周期T。漂动周期等于漂振荡周期，与漂域经过的物质介质没有关系。漂长λ =振荡速 度X漂动周期Τ。定义漂变量在单位时间内周期性变化的次数，称为漂动频率。它与漂振荡频 率相同。 定义漂动的角频率ω为频率ν的2 Ji倍。即角频率ω = 2 π ν = 2 π /Τ。定义相对于参照物为漂域的漂动速度矢量，称为漂速U。它是漂域中状态或 相位的漂动速度。U= λ/Τ。从漂动物理意义得漂动定理漂域中任意漂面上每个点的漂振荡，都是产生相 同相位和漂振幅的漂振荡的子漂动源，其后任一时刻，它们发出的球面子漂动随着运动 漂域到达新空间中的包迹，就是新的漂前；漂动从同一个漂面上某些点产生的子漂振 荡，随着漂域运动(域速ν)或静止(ν = 0)和漂动(漂速U)到达空间另一点时，各个子 漂振荡遇到障碍物时会发生衍射；这些子漂振荡相遇时互相叠加会产生干涉现象。根据漂动定理，从域速ν和漂速U可以计算出漂面之前的给定点的漂振幅和相 位，可以推导出漂动的反射定律“漂动的入射角等于反射角”和折射定律“漂动的 入射角的正弦与折射角的正弦之比等于常数”。漂域中的频率ν和漂长λ的光子在真空域速为C，则在折射率为η介质中域速Vn = C/n、漂长λη= λ/η。若漂程相同，光子运动所用时间就一样，相位变化也相同。 相干漂动在不同介质相遇的干涉由漂程差决定。定义域速为ν的漂域中的漂动，在时间At内经过真空的几何路程L = ν · At,称为漂程。定义两个漂域中的漂动的漂程之差，称为漂程差。它与域速和漂速相关，也 与漂域通过的介质有关。定义因互相感应而形成漂腹与漂简谐的漂振值相同的同相位的正弦和/或余 弦的漂动，称为简谐漂动。在时刻t位置r的简谐漂动值y(r，t) = Α8 η(Φ + ω^ · r)和/或A C0S(cj5 + t-k · r)①漂腹A与Φ为常数；(Φ + ω -k · r)为漂动相位。若考虑漂动初 相Φ，同样可以推导出以下推论和公式。定义勻速运动的漂域中的漂动周期和漂动频率，分别称为该漂域的固有周期 和固有频率。漂动遇到障碍物时运动方向发生改变，能够绕过障碍物的边缘继续向前运动的 现象，称为漂动绕射(或漂动衍射)。其数学原理和方法，与机械波的衍射相类似。它 可解释光子、电子等体粒的所有衍射现象。
漂线上各点漂振荡的频率和漂长相同而相位差恒定的漂动，称为相干漂动。当 两列相干漂动相遇时，经过各点漂振值叠加形成强弱分布不变的漂动，这一现象称为漂 动干涉。其数学原理，与机械波干涉相同。漂动相遇的重叠区域里，每个点的漂振荡F12(或Ψ21)是各个漂振荡V1和Ψ2 在该点漂振值的矢量和。￥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上式后面两项可解释光子、电子、分子等体粒的双缝干涉实验，以及重叠漂域 中发生的一切干涉现象。多缝干涉实验伴随每个体粒的漂动通过多缝产生干涉；每个 的体粒受漂域作用只能选择其中一个缝通过。若干列漂动相遇时，各个漂动都将独立地保持自己的特性(频率、漂长、振荡 方向和漂线方向等)并继续运动。它们是交叉而过，互不干扰，称为漂动的独立性。它 表明任何漂动都是与其体粒紧密相关的。几列漂动在同一介质中运动时，都保持其原有的特性不变，相遇处的漂动值是各列漂动值的矢量和，称为漂动的叠加性。它表明任何漂动都可以用简谐漂动来合成。 即任何漂动都可分解为简谐漂动的组合。推论1:每个体粒的漂动产生衍射和干涉等现象；大量同类体粒系统的漂动呈 现衍射或者干涉图案。漂线的同一漂段上各点，漂振荡方向相同，但各点的漂振值不同；分别位于相 邻两个漂段上的各点，漂振荡方向相反，对应点的漂振幅相同。各种漂动都是漂线上各 个漂段的若干个简谐漂动的组合。漂域外各点漂振值始终为零；根据漂振值连续性；漂域边界上漂振值也始终为 零。故漂域边界是漂节。漂段上各点的漂振值达到最在值时，引起相邻点的漂感应最大，漂变化速度为 零。经过1/4周期后，该漂段各点的漂同时到达平衡位置，相邻漂感应为零，漂变化速 度最大。继续振荡，漂振值到达负最大值，相邻漂感应最大，漂变化速度为零。故漂振 荡状态始终在漂段上来回移动。在漂节位置漂振值始终为零。漂动的状态和相位，不能 通过漂节向相邻的漂段或外界传送。漂没有质量，故漂域和漂动没有能量和动量。推论2:漂域边界的点是漂节；漂动状态不能向相邻漂段或外界传送。漂动没 有质量、能量和动量。光子周围定域电磁漂动，称为电磁漂；从漂长大于IO3米的电磁漂动，到漂长小 于10_12米的Y射线。“电磁场向无限空间传播能量和动量”的麦克斯韦理论及其“位移电流、感生 电动势”假说都是错的。“光发射、吸收、运动都是粒子；光归结为光子”爱因斯坦光子理论和“光归 结为波”理论都是错的。“每个粒子都象光波一样无限传播，粒是一种波动；波函数没有物理意义”的 德布罗意理论是错的。“电子在一些实验是波，另一些实验是粒子。电子既是波又是粒子”波尔(Bohr)互补性原理是错的。推论3:开放漂上漂节数目是(n+1)个，漂线两端位于漂域边界上。封闭漂线 上漂节数目是η个。定义系统指一个体粒(如电子)或一群体粒(如原子、分子和离子等)互相作 用及其边界条件等。定义物理状态指体粒之间的互相作用、势场分布和系统状态等；也称为状态 函数(state Function)。一个系统中漂域和漂动的具体形态，取决于其中各个体粒的质量、动量、能 量、边界条件等物理状态。
体粒(如光子)有质量、能量和动量；漂动(如电磁漂)有漂腹、角频率和角漂 数。它们之间相关。推论4 每一种不同的漂域和漂动的形态都代表系统的一个物理状态；漂域和 漂动包含系统所有信息。定义开放漂线上漂节皆在漂域边界的漂动，或者封闭漂线上角频率最低的漂 动，称为基漂。从①式得在时间t位置r的简谐漂动的漂动值Ξ (r, t) = Ξ0οο8(ω ^ · r)和 / 或 Ξ 0sin (ω t_k · r)。定义若干个漂振幅分别为Scin的具有相同相位(k · r-ω )的互相垂直或 平行的漂简谐，在与同一条漂线构成的各自平面内形成漂腹分别为Scin和相位都为 (k · r-ω )的简谐漂动组合，称为正交漂动Ξ (r, t)。在同一条漂线上的J列垂直和/或平行的简谐漂动组合Ξ (r, t) =ΣΞη(Γ, t)= Σ Ξ Oncos (k · r_ ω t)禾口 / 或 Ξ 0nsin (k · r_ ω t)，就是正交漂动 Ξ (r，t)。其中 J 列漂动 的漂腹之和，称为合成漂腹Σ Ξ Cln(正数)。正交漂动的余弦和/或正弦，与2=^必、^_1^)实部和/或虚部一一对应。 漂动可用复变函数表示。正交漂动Ξ (r, t)采用与正弦、余弦等效的复变函数ζ (可以只对应其中的单独
实部或虚部)形式为
权利要求
1.簇体激光器一般由三部分组成①能实现粒子数反转分布的激活簇体、②用光或 其他激励能源对激活簇体的原子中电子输入能量的泵簇源、③能够造成单色光子连锁反 应使其数量激烈增加的光学谐振腔；簇体激光的光学谐振腔，就是在激活簇体的长轴两侧放置两块距离尺寸非常精确的 反射镜；其中一块为全反射镜，另一块为有一定透射率的光束分裂器或者半反射镜；这 两个反射镜面可以是平面，也可以是凹球面，或一平一凹； 在激活簇体短轴的离泵簇源较远的一边放一个反射镜，它能够将透过激活簇体的光 线返回激活簇体；这个反射镜一般与激活簇体平行，或者在激活簇体的该侧面涂上反射 膜，作为反射镜；在氙灯或其他光源的离激活簇体较远的一边放一个反射镜，它可以将 泵簇源不往激活簇体方向的光线，改变其方向，使泵簇源的光子能够大部分被激活簇体 吸收；簇体激光器的结构激活簇体(固体棒或者装有流体的透明管等)的直径从1厘米到 几个厘米不等；长度由十几厘米到几十厘米不等；激活簇体的两端面很光滑，平行度很 高；在两个端面镀上反射膜，或者采用另外的两个反射镜，就可以组成光学谐振腔；泵 簇源使用普通强光源，如氙灯或高压水银灯等，可以是连续发光的或脉冲式发光的；泵 簇源也可以采用发光二极管等其他光源；激励能源有光激励、电激励、电子束激励或碰撞电离激励；激活簇体一般采用光 泵抽运，泵簇源可以是连续发光的或脉冲发光的；光源可以是氙灯、高压水银灯、或者 二极管泵浦等；制备簇体激光所需要的簇体(包括序体和非序体)，只有在生长速度缓慢，周围有自 由空间，施加一定高压时，才能形成有规则的几何形状；由于纳粒不同，生成条件(熔 液的温度、压力、稠度和冷凝的速度等)不同，可形成各种各样的簇体(序体和非序 体)；这种技术应具备两个前提条件一个是应满足簇体(序体和非序体)形成的生长机 制；第二是应满足簇体(序体和非序体)形成的工艺参数；材料(包括有用的掺杂物质)经过长时间高温加热后，保持在非序凝点Tg(即非序 体呈现完全固态的温度，它不是常数)以上直至熔点Tm，并对即将凝固材料进行振动或 搅动；一方面依靠外部输入能量促使籽序或序核提前形成，另一方面促使籽序的数目增 加；用机械方法使装有高温加热后的过冷液体的坩埚振动或变速转动；在施加压力(范 围一般为102kPa 108kPa)条件下；熔液缓慢冷却时可形成优良序体；通常冷却条件下 可形成非序体；在重力场中序体生长会产生局部区域的杂质不均勻；可采用附加的强磁场条件下生 长序体；因为磁场会抑制熔液对流或避免杂质不均勻；另外在硅序体和砷化镓序体中采 用中子嬗变技术也可得到均勻的序体；簇体激光材料基本生成技术在熔炉中某种高纯度材料在含有拉序体设备的熔融坩 埚融化；在该材料的温度保持为其熔点(或稍微低一点)的状态时，在施加压力下，由拉 着该种序体的籽序(可为籽序条、籽序片或籽序块)的机械装置(例如夹持器)非常缓慢 地顺着逆时针方向旋转，将浸入该种材料的熔融液中的籽序在周围空间温度保持在熔点 至非序凝点之间并向上拉起；起先接触籽序上的熔融材料将按照该籽序的纳面和纳面角 以及纳胞的纳格形状等首先形成有规则、长程有序排列的序体；然后随着向上拉起而逐渐缓慢地形成序体锭；在纯净的序体中适当地掺入微量杂质，可制造各种不同用途、精密度高的簇体激光 器件；激光序体硅生长时，如果在熔融硅中掺入杂质硼(或磷)原子，就可以获得P型 (或N型)序体；激光序体硅锭可用金刚石刀切成序体硅片，切割决定4个序体硅片参 数表面方向(如<100>或<110>)、厚度(如0.5-0.7毫米)、倾斜度(从一端到另一端 的序体硅片厚度的差异)和弯曲度(从序体硅片的中心到边缘的弯曲程度)；切割后的序 体硅片经研磨、抛光等步骤，获得抛光序体硅片；以抛光序体硅片为衬底，在它的上面 就可以制造簇体激光中的激活簇体；激光退火是将激光束聚焦到任何需要退火的簇体区 域，甚至可以对任何纳米数量级的区域进行退火，能有效地去除纳粒的位错和簇体中的 堆垛层错；它可在空气中进行；簇体激光器按照激活簇体不同，分为固态簇体激光器、液态簇体激光器、气态簇体 激光器、半导簇体激光器、光纤簇体激光器等。
2.固态簇体激光器是由固态簇体作为激活簇体的激光器；对应于激活簇体是序体或 者非序体(一般为玻璃非序体)；分别称为序体激光器和玻簇激光器；其中起受激辐射 作用的激活簇体的离子(称为激活离子)，鑲嵌在序体或非序体的固态簇体基质中，其激 活离子的密度比气态簇体激活粒子的密度大得多；所有的固态簇体激光器的激活介质材 料，都是由激活簇体的离子掺杂在簇体基质材料中组成的，固态簇体激光由激活离子产生，簇体基质则给激活离子一个有利于产生激光的微观 环境；作为簇体基质的固态簇体(即序体或非序体)通常制成棒状，两端面抛光成光学 面，并具有很好的平行度；在两端面镀上反射膜(或采用另外的两个反射镜)，就构成光 学谐振腔；激活簇体的原子吸收入射光子的能量跃迁到高能态，其集中返回低能态时释 放激光；在激活簇体短轴的离泵簇源较远的一边放一个反射镜；在氙灯或其他光源的离激活 簇体较远的一边放一个反射镜，可使泵簇源的光子能够大部分被固态激活簇体吸收；固态簇体激光器的光学部件均由紧凑、牢固、可模块化的固体部件组成，可称为全 固态簇体激光器；它的抽运效率很高；泵簇源是氙灯或者高压水银灯；它也可以采用发 光二极管(LED)等其他光源；全固态簇体激光器是由晶体(或序体)制成的具有特定漂 长的大功率LD或LD阵列，来激发特定的激光序体产生特定漂长的激光；然后再使用非 线性光子变频，可获得三基色激光输出。
3.有机染料簇体溶液，可以作为激光器的激活簇体；液态簇体激光器是一种以液态 簇体分子作为激活纳粒的激光器；所有染料簇体激光器都是用光泵抽运的，主要要求光 泵输出的光子的漂域中漂动接近染料簇体的吸收峰；泵簇源是氙灯或者高压水银灯；它 也可以采用发光二极管等其他光源；谐振腔内不插入一个法布里-珀罗(F-P)标准具时，输出激光的线宽为0.05纳米， 插入标准具后，可获得线宽约为0.001纳米的单模激光；在激活簇体短轴的离泵簇源较远的一边放一个反射镜；在氙灯或其他光源的离激活 簇体较远的一边放一个反射镜，可使泵簇源的光子能够大部分被液态激活簇体吸收；液态簇体激光器的基本结构除有密封的染料池、谐振腔、泵簇源外，还有密封的染 料簇体溶液的循环以及过滤系统；通过改变簇体染料组成、压力和温度，染料池的长度，可使激光漂长在一定范围连续可调。
4.气态簇体激光器是以压缩的气态簇体或者金属蒸气簇体作为激活簇体的激光器； 泵簇源是氙灯或者高压水银灯等其他光源；它也可以采用发光二极管；将高压下的气态簇体或者混合气态簇体密封在透明管(如有机玻璃)内；管内的高气 压使得单质气体或混合气体被压缩成气态簇体，作为气态簇体激光器的激活簇体；激活 簇体可以是原子、分子或离子，如氦氖簇体激光器是以氦和氖原子气体作为激活簇体的 激光器，二氧化碳簇体激光器是以二氧化碳分子气体作为激活簇体的激光器；氩离子簇 体激光器是以氩离子气体作为激活簇体的激光器；透明管可以用水晶等材料制成；在透明管的两端贴有布儒斯特窗，也是用水晶片制 成；窗口平面的法线与透明管轴线间的夹角恰好等于水晶的布儒斯特角，约56° ；安装 布儒斯特窗口可以使输出的激光为偏振光；在激活簇体短轴的离泵簇源较远的一边放一个反射镜；在氙灯或其他光源的离激活 簇体较远的一边放一个反射镜，可使泵簇源的光子能够大部分被气态激活簇体吸收。
5.光纤簇体激光器是以光纤簇体本身作为激活簇体；其谐振腔由光纤簇体的两个端 面粘结腔片或镀上簇体薄膜构成的；它也可以直接在光纤簇体端面上刻写光纤布喇格光 栅作为光学谐振腔；它的腔体结构简单，而且光纤簇体柔软，可在最小曲率半径范围外 弯曲盘绕成任意形状；它选择发射漂长与光纤吸收特性相匹配的体积小巧的模块化的高 功率发光二极管LED作为泵簇源；光纤簇体的光栅是光纤簇体的纤芯中折射率周期性变 化的结构；它可构成全光纤簇体激光器；光纤簇体激光器可分为单层光纤簇体激光器和双层光纤簇体激光器；其中双层光纤 簇体是一种具有特殊结构的光纤簇体；它比单层光纤簇体增加了一个内包层(内包层形 状可以为矩形或圆形等)，内包层的横向尺寸和数值孔径均远大于纤芯；双层光纤簇体 激光器的纤芯中掺杂稀土元素(Yb，Nd，Er, Tm等)；由于内包层包绕在单模纤芯簇 体的外围，泵浦光在内包层中发射并多次穿越纤芯簇体而被掺杂离子所吸收，从而将泵 浦光高效地转换为单模簇体激光；内包层的尺寸一般都应大于100微米，使得经耦合透 镜聚焦后的焦斑为100微米左右的多模泵浦光可以有效地耦合进单模光纤簇体中，并且 内包层的数值孔径一般大于0.36，收集泵浦光的能力强，从而可以保证高能量的泵浦光 高效地耦合进入内包层；由于双包层光纤簇体的内包层的横截面尺寸和数值孔径都足够 大，通过泵簇源光束整形后，可以高效地耦合进入内包层，通过选择合适的内包层参数 和形状，实现高效、高功率激光输出，转换效率可以达到0.7以上；双包层光纤簇体激光器采用细长的掺杂光纤簇体本身作为激活簇体，表面积与体积 之比很大；至少是现有的固体激活介质的1000倍以上，故散热性能非常好；另外双包 层光纤簇体激光器的泵簇源的光子在内包层波导内传输，功率不扩散，有利于保持高功 率密度光泵；这对于上转换簇体激光是十分有利的；通过纤芯簇体中掺杂不同的稀土离 子，可以实现蓝光(掺Tm)、绿光(掺Er)和红光(掺Pr)的激光输出；泵簇源是氙灯或者高压水银灯等；它也可以采用半导体二极管；这种泵簇源发出的 相干光子从光纤簇体的一个端面进入，从另一个端面出来的就是很强的簇体激光。
6.半导簇体激光器使用半导簇体作为激活簇体；它是由半导簇体PN结所构成的；基 本上与半导体激光器相同；它必须满足激光产生的基本条件；为了实现PN结附近非平衡载流子的粒子数反转分布，首先要有合适的激活簇体和特殊结构；半导簇体激光器， 也称为簇体激光二极管；它的主要部分是簇体PN结，形状为长方形，长约250微米，宽 约100微米；簇体PN结未加电压时，N区电子的能级比P区空穴的能级低；不同半导簇 体激光器所输出的光子漂域的漂长不同；如砷化镓簇体激光器在室温下，输出光子的漂 域的漂长为0.9微米； 采用重掺杂的砷化镓(GaAs)PN结，用P+N+表示；可实现载流子反转分布；为了获 得强相干激光辐射，半导簇体激光器还需要光学谐振腔；砷化镓簇体激光器谐振腔可利 用与P+N+平面互相垂直的自然解理面(110面)构成法布里-珀罗(F-P)谐振腔；其中一 端的110解理面镀高反膜，另一端110解理面作为输出端；由于光学谐振腔的损耗，注入 电流必须足够大时才能使激光器增益大于损耗，实现激光振荡；半导簇体PN结通常包含有纳米级厚度的簇体有源层和有源层两边的具有反射功能的 簇体薄膜层构成的谐振腔；簇体有源层可以是N型，也可以是P型；当施加正向偏置电 压时，电子从N型薄膜层注入到簇体有源层；空穴从P型薄膜层注入到簇体有源层；由 于带隙差而产生的同质结或异质结势垒的存在，使注入到该有源层中的电子和空穴不能 扩散而被限制在簇体有源层中；半导簇体激光器通常采用镓(Ga)、砷(As)、铟(In)、磷(P)和铝(Al)等簇体材料 的化合物制成；它可分为同质结、异质结和量子阱的三种结构；半导簇体激光器还需要 光学谐振腔；半导簇体激光器包括许多种簇体和激励方式；其中镓砷半导簇体激光器的主体是一 粒镓砷单序体；6.1同质结簇体激光器是将P-GaAs序体和N-GaAs序体紧密结合在一起，形成一个 PN结以及自建电场；簇体激光二极管的光学谐振腔可利用与P+N+结平面互相垂直的序体 解理面(110面)构成法布里-珀罗谐振腔；一端的解理面(110)镀上高性能反射膜，另 一端的解理面(110)作为输出端；实现簇体激光的震荡和输出；6.2异质结是指在一种序体上生长出另一种序体，例如在镓砷序体上长一层镓铝 砷；异质结GaAs半导簇体激光器是在P-GaAs序体和N-GaAs序体上生成另一重掺杂 P+-AlxGa1^xAs或N+-AlxGai_xAs序体，形成半导簇体的单异质结GaAs簇体激光器或双异 质结GaAs簇体激光器；P+区厚度约10-2000纳米。
7.利用激光二极管作为泵簇源，代替氙灯或其他非半导体激光器所形成的簇体激光 器，就是半导泵源激光器；半导泵源激光器的结构激活簇体(固态簇体棒或装有流体的透明管)直径从1厘米 到几个厘米不等；长度由十几厘米到几十厘米不等；激活簇体的两端面很光滑，平行度 很高；在两个端面镀上反射膜，或者采用另外的两个反射镜，就可以组成光学谐振腔； 泵簇源使用半导体激光器；在半导体激光器的PN结的发光面的两边，其中一边为激光射 出，另一边也可以装有反射镜，使另一边激光被反射镜反射回到PN结，可以使激光的强 度增加，提高激光器的效率；激光二极管作为泵簇源有以下两种情况7.1激光二极管使用半导体材料作为激光的激活介质，主要部分是一个PN结，形状 为长方形，长约250微米，宽约100微米；当然它也可以根据需要，制成各种不同的形状 和尺寸；它的两个端面磨光并互相平行，构成光学谐振腔的两个反射镜；.7.1.1同质结半导体激光器是将P-GaAs晶体和N-GaAs晶体紧密结合在一起，形成一 个PN结以及自建电场；激光二极管谐振腔可利用与P+N+结平面互相垂直的序体解理面 (110面)构成法布里-珀罗谐振腔；一端的解理面(110)镀上高性能反射膜，另一端的 解理面(110)作为输出端；实现激光震荡和输出；.7.1.2异质结GaAs半导体激光器是在晶体P-GaAs和晶体N-GaAs上生成另一重掺杂 P+-AlxGa1^xAs或N+-AlxGai_xAs晶体，形成单异质结GaAs半导体激光器或双异质结GaAs 半导体激光器；异质结半导体激光器不是从P+N+结区辐射激光；而是从P+区辐射激光； P+区厚度约10-2000纳米；.7.2半导泵源激光器按照激活簇体不同，分为固态半导泵源激光器、液态半导泵源激 光器、气态半导泵源激光器、光纤半导泵源激光器等；这些激光器的激活簇体，与相应 的簇体激光器相同。
8.利用半导簇体激光器作为泵簇源，代替氙灯或其他非半导簇体激光器所形成的簇 体激光器，就是半导簇体泵源激光器；它通过改变半导簇体有源层的厚度或改变有源区“组分”，并通过温度控制，能够精确控制半导簇体激光器所输出光子的漂域的漂长， 实现泵簇源发射的光子与激活簇体所吸收光子的最高度的相匹配；若干个半导簇体泵源 激光器可组成半导簇体泵源激光器组，同时照射激活簇体；在半导簇体泵源激光器的泵 簇源PN结的一边作为发射激光的一个端面，而在PN结的另一边(发射激光的相对另一 个端面)，可以涂上一层薄膜作为反射镜，或者可以另外装上一个反射镜，使该面的激光 返回PN结，增加发射激光的强度，提高激光器的整体效率。
9.利用光纤簇体激光器作为泵簇源，代替氙灯或其他非光纤簇体激光器所形成的簇 体激光器，就是光纤泵源激光器；以双包层光纤簇体为基础的包层泵浦技术提高了光纤 泵源激光器的输出功率，光纤泵源激光器的转换效率可达50%以上，泵浦功率可达百瓦 以上；若干个光纤簇体激光器共同作为泵簇源，可联合组成光纤泵源激光器组光纤泵源 激光器按照激活簇体不同，分为固态光纤泵源激光器、液态光纤泵源激光器、气态光纤 泵源激光器、半导体光纤泵源激光器等；这些光纤泵源激光器的激活簇体分别为固态簇 体、液态簇体、气态簇体和半导体簇体等；这些光纤泵源激光器的激活簇体与相应的簇 体激光器相同。
10.利用气态簇体激光器作为泵簇源，代替氙灯或其他非气态簇体激光器所形成的 簇体激光器，就是气态簇体泵源激光器；气态簇体泵源激光器一般可以在室温下连续运 行，具有丰富的激光的漂域的漂长，分布在紫外线到远红外线的广阔波段内；气态簇体 泵源激光器的造价比固体激光器便宜；.10.1气态簇体泵源激光器按照激活簇体不同，分为固态气泵源激光器、液态气泵源 激光器、气态气泵源激光器、半导气泵源激光器等；这些激光器的激活簇体分别为固态 簇体、液态簇体、气态簇体和半导簇体等；.10.2利用气动激光器作为泵簇源，代替氙灯或其他非气动激光器所形成的簇体激光 器，就是气动泵源激光器；气动泵源激光器按照激活簇体不同，分为固态气动源激光器、液态气动源激光器、 气态气动源激光器、半导气动源激光器等；这些激光器的激活簇体分别为固态簇体、液 态簇体、气态簇体和半导簇体等。
全文摘要
本发明任务是创立物质结构新理论——《漂动学》；揭示漂(float)的物质形态和漂动(float)的物理意义；定义和阐明簇体激光(Cluster Laser)技术；揭示簇体激光本质，开发与应用簇体激光技术。簇体激光技术将在各行各业发挥重要作用。《漂动学》是一套完整描述物质客观规律的理论。簇体激光器一般由三部分组成①能实现粒子数反转分布的激活簇体、②用光或其他激励能源对激活簇体的原子中电子输入能量的泵簇源、③能够造成单色光子连锁反应使其数量激烈增加的光学谐振腔。其中可以造成粒子数反转分布的激活簇体是它的核心。泵簇源主要是给激活簇体原子施加一定的能量。光学谐振腔具有使光子来回振荡和选频的作用。簇体激光能够使光子能量非常强烈地集中在特定的漂长上。
文档编号H01S3/20GK102025093SQ20101052822
公开日2011年4月20日 申请日期2010年11月2日 优先权日2010年11月2日
发明者刘智和 申请人:刘文祥