《畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-基于高導(dǎo)熱透明陶瓷的激光二極管LD器件封裝與光電特性研究》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-基于高導(dǎo)熱透明陶瓷的激光二極管LD器件封裝與光電特性研究（44頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、 畢業(yè)論文 論文題目 基于高導(dǎo)熱透明陶瓷的激光二極管LD器件封裝與光電特性研究 院系名稱 機(jī)械工程系   目錄 中文摘要: 1 英文摘要: 2 1 文獻(xiàn)綜述 3 1.1 LED與LD簡介 3 1.2 LED封裝技術(shù)與產(chǎn)生白光原理 6 1.3 激光二極管LD的研究進(jìn)展 7 1.4 白光LED熒光材料 11 1.5 LD熒光

2、轉(zhuǎn)換材料與透明陶瓷材料 12 1.6 YAG 透明陶瓷概論 16 1.7 Y2O3-Al2O3的二元系統(tǒng)相圖 18 1.8 本課題研究的目的及意義 19 2 實(shí)驗(yàn)部分 21 2.1 實(shí)驗(yàn)材料 21 2.2 實(shí)驗(yàn)器材 22 2.3 研究過程 23 3 結(jié)果與討論 24 3.1 YAG：Ce的光致發(fā)光性能 24 3.2 YAG：Ce的吸收性能 25 3.3 LD發(fā)射光譜與光電參數(shù) 27 3.4 白光LD器件的光學(xué)性能 28 3.5 白光LD器件的色度 33 3.6 白光LD器件的電學(xué)性能 35 4 研究結(jié)論與展望 36 4.1 主要工作 36 4.2 有待進(jìn)一步開

3、展的工作 37 致謝 38 [參考文獻(xiàn)] 39  基于高導(dǎo)熱透明陶瓷的激光二極管LD器件封裝與光電特性研究 摘要:激光二極管(LD)是繼發(fā)光二極管（LED）之后的下一代半導(dǎo)體照明與顯示器件。它具有效率高、體積小、質(zhì)量輕、代價低、連續(xù)輸出波長范圍寬和光脈沖輸出高等優(yōu)點(diǎn)。但是因?yàn)樗较蛐员容^強(qiáng)，所以其照射出的光是一個亮度極高的光斑。為了探索LD未來的應(yīng)用技術(shù)。本文采用具有高導(dǎo)熱的YAG：Ce透明陶瓷作為白光配光材料，研究了利用450nm藍(lán)色激光激發(fā)YAG：Ce黃色透明陶瓷產(chǎn)生白光的可能。研究結(jié)果表明：在發(fā)光性能方面隨著Ce濃度的提高，白光區(qū)域占光的總強(qiáng)度的百分比逐步提高

4、；在顯示指數(shù)方面，隨著Ce濃度的降低，顯色指數(shù)在逐漸升高；在色品圖方面，隨著Ce濃度的上升，色坐標(biāo)在逐步的向黃色的光方向移動，其中0.1 at.%的Ce:YAG透明陶瓷最接近理想白點(diǎn)；在透射率方面，隨著摻雜Ce濃度的提高，透射率在逐步下降；在光致發(fā)光光譜(PL)方面，Ce:YAG陶瓷中Ce3+的最佳替代濃度為x =0.3~0.5 at.％；在光效方面，隨著Ce濃度的降低，光效在逐步的升高。 關(guān)鍵詞：Ce:YAG；透明陶瓷；激光二極管；光學(xué)性能；電學(xué)性能； Abstract: The laser diode (LD) is the next gener

5、ation of semiconductor lighting and display devices following the light emitting diode (LED). Laser diodes have the advantages of high efficiency, small size, and light weight small size and light weight, low price, continuous output wavelength range and high optical pulse output. But because of its

6、 relatively strong direction, so the light is a light of a very high brightness spot. In order to explore the future application of LD technology. In this paper, YAG: Ce transparent ceramics with high thermal conductivity as white light distribution material was used to study the possibility of gene

7、rating white light by stimulating YAG: Ce yellow transparent ceramics with 450nm blue laser. Research indicates:With the increase of Ce concentration, the white light area gradually increases the percentage of the total intensity of light; In the display index, with the decrease of Ce concentration,

8、 the color rendering index gradually increased; In the aspect of chromaticity diagram, as the increase of Ce concentration, the color coordinates move in the direction of yellow light gradually, of which 0.1 at.% Ce: YAG transparent ceramics is close to the ideal white point; In terms of transmittan

9、ce, the transmittance decreases with the increase of doped Ce concentration. In the photoluminescence spectrum (PL), the best alternative concentration of Ce3+ in Ce: YAG ceramics is x = 0.3 ~ 0.5; In terms of luminous efficiency, as the Ce concentration decreases, the luminous efficiency increases

10、step by step. Key words: Ce: YAG；transparent ceramics；laser diode；optical properties；electrical properties； 1 文獻(xiàn)綜述 1.1 LED與LD簡介 1.1.1 發(fā)光二極管LED簡介 發(fā)光二極管通常也被人們稱作LED。是含著鎵、磷、氮、砷等元素的化合物制備而成的。其結(jié)構(gòu)如圖1.1所示，英文名是Light emitting diode，這種發(fā)光器件是以半導(dǎo)體為工作介質(zhì)的。LED的發(fā)光原理為半導(dǎo)體中的電子和空穴來產(chǎn)生復(fù)合，從而發(fā)出光子。和利用燈絲發(fā)光的

11、照明器件相對比，LED發(fā)光沒有發(fā)熱和容易燒毀的缺點(diǎn)。由于LED發(fā)光波長由發(fā)光材料的能隙決定，因此可以涵蓋從紫外到紅外的波長范圍。因?yàn)長ED無汞環(huán)保、節(jié)能省電、壽命長、體積小、驅(qū)動電壓低、響應(yīng)速度快、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)，LED被稱為第四代照明光源或者是綠色光源。因?yàn)長ED的各種優(yōu)點(diǎn)， LED已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種顯示、背光源、普通照明、汽車照明和環(huán)境裝飾等方面，尤其是在節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域，LED的應(yīng)用越來越受到重視[1]。 圖1.1發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)[2] LED的發(fā)光原理：LED可以直接把電能轉(zhuǎn)變成光能。LED的核心部位是一個以半導(dǎo)體材質(zhì)的晶片，晶片的一邊粘附在支架上，這是LED的負(fù)極，另一邊

12、黏結(jié)在電源的正極上，然后晶片的整體被環(huán)氧樹脂包裝封好。LED中的晶片由兩個部件組成，其一是P型的半導(dǎo)體材料，在該材料中空穴占主體地位，另一個是N型的半導(dǎo)體材料，在該材料中電子占據(jù)主體地位。當(dāng)這兩種半導(dǎo)體材料連接起來的時候，它們之間就形成一個“P-N結(jié)”。這時候電流通過導(dǎo)線并作用到這個晶片材料的時候，電子就會被從N區(qū)推向P區(qū)，在P區(qū)內(nèi)部電子跟空穴進(jìn)行復(fù)合，這個時候就會以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED的工作原理。而光的波長決定光的顏色，所以光的顏色是由P-N結(jié)的材料決定的[3]。 但是，LED有很多的缺陷，大多數(shù)LED燈中包含有銻、砷、鉛或其他的多種有毒的金屬元素。其中，部分LED燈的有毒元素

13、含量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了有關(guān)部門制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)； 因?yàn)長ED的單個發(fā)光面比較窄，因此通常情況下，大規(guī)模會集成在線路板上，這樣就形成一個比較大的發(fā)光源，這樣就產(chǎn)生了大量的熱量，而散熱不太好，有時會擊穿電路板。這些問題的出現(xiàn)為激光二極管的發(fā)展奠定了一定的基礎(chǔ)。 1.1.2 激光二極管LD簡介 半導(dǎo)體激光器又被稱作激光二極管如圖1.2，是激光器的一種。其實(shí)質(zhì)是使用半導(dǎo)體制成的二極管。 圖1.2 激光二極管 激光的發(fā)生須要同時滿足粒子數(shù)反轉(zhuǎn)、閾值和諧振三個條件[4]。如圖1.3，首先，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是指在半導(dǎo)體中電子從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶。為了獲取粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，通常應(yīng)用的PN結(jié)是由重?fù)诫s的P型和N型材

14、料所制備的。在外加電壓的作用下，在PN結(jié)區(qū)范圍內(nèi)就形成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，在高費(fèi)米能級以下的導(dǎo)帶中儲存著電子，而在低費(fèi)米能級以上的價帶中儲存著空穴。其次，激光的形成還需要消耗極小的諧振腔，諧振腔整體的組成部分是兩個相互平行的反射鏡，在兩個反射鏡之間，激活物質(zhì)所發(fā)出的受激輻射的光來回反射同時不停的引發(fā)新的受激輻射，從而使受激輻射不斷被增大。當(dāng)受激輻射增加的增益結(jié)果大于激光器內(nèi)的各種損耗時，也就是滿足了相對應(yīng)的閾值條件: P1P2exp(2G - 2A) ≥ 1 (P1、P2是兩個反射鏡的反射率， exp為常數(shù)，G是激活介質(zhì)的增益系數(shù)，A是介質(zhì)的損耗系數(shù)) 接著形成了穩(wěn)定的激光。最終，激光在諧振腔

15、內(nèi)進(jìn)行反復(fù)地反射，當(dāng)這些光束在輸出端的相位差的值恰好為Δф =2qπ q=1、2、3、4 時，才能在輸出端發(fā)生增強(qiáng)的干涉光源，從而最終輸出穩(wěn)定的激光。 圖1.3 激光二極管示意圖[5] 激光二極管的發(fā)展大概經(jīng)過了以下幾個歷史性的階段：激光二極管的研制得益于上世紀(jì)60年代發(fā)現(xiàn)的激光，由于激光的一系列優(yōu)異的性能，它的出現(xiàn)引起了科學(xué)家們的強(qiáng)烈關(guān)注；在1962年，科學(xué)家秋第一次在77K下完美的研制出具有工作脈沖的受激發(fā)射的同質(zhì)結(jié)GaAs 激光二極管；隨后在兩年的時間內(nèi)，將激光二極管的工作溫度逐步升高，直到提高到了室溫；在1969年，科學(xué)家制作出了在室溫下脈沖工作的單異質(zhì)結(jié)激光二極管；在1

16、970年，科學(xué)家制成了在室溫下非間斷工作的 Ga1-xAlxAs/GaAs雙異質(zhì)結(jié)(DH)激光二極管。隨后，激光二極管加速了發(fā)展的步伐。在1975年，科學(xué)家們將 Ga1-xAlxAs/GaAsDH 激光二極管的使用時間提升到了105小時以上。與此同時，以In1-xGaxAs1-yPy/InP 為激光材料的長波長DH激光二極管也取得了很大的發(fā)展[6]。 激光二極管的工作原理如下：晶體二極管本質(zhì)是一個PN結(jié)，其是由一個p型半導(dǎo)體和一個n型半導(dǎo)體相接觸而成的，耗盡區(qū)是在p-n結(jié)的界面兩側(cè)發(fā)生，從而形成自建電場。當(dāng)外界不施加電壓時， p-n結(jié)處于電平衡狀態(tài)，即p-n結(jié)界面兩側(cè)的載流子濃度差引起的擴(kuò)散

17、電流和自建電場引起的漂移電流相等；當(dāng)外界施加一個正向電壓時，外界電場增強(qiáng)而自建電場維持不變，這樣載流子的擴(kuò)散電流增長，從而引起了正向電流；當(dāng)外界施加一個反向電壓時，外界電場和自建電場進(jìn)一步增強(qiáng)，從而形成了反向飽和電流I0，I0在相應(yīng)的反向電壓范圍內(nèi)和反向偏置電壓值是沒有關(guān)聯(lián)的；當(dāng)外界施加的反向電壓高到一定程度時，p-n結(jié)的耗盡區(qū)中的電場強(qiáng)度達(dá)到了臨界值，這時就發(fā)生了二極管的擊穿現(xiàn)象。此時載流子倍增，形成了數(shù)量龐大的電子空穴對，造成數(shù)值很大的反向擊穿電流，二極管被擊穿[7]。 1.2 LED封裝技術(shù)與產(chǎn)生白光原理 LED的封裝主要可以分為引腳式封裝、表面貼片式封裝、功率型封裝、COB型封裝

18、等封裝方式，不同封裝對應(yīng)不同效果，但是目的都是為了很好地保護(hù)LED。引腳式封裝是利用引腳架作為各種封裝外型的的引腳，是最先研制并成功的封裝結(jié)構(gòu)，其技術(shù)成熟度高，品種全，數(shù)量多，也是最早投入市場使用的產(chǎn)品之一，其封裝的內(nèi)結(jié)構(gòu)和反射層也一直都在改善。LED燈在工作時會產(chǎn)生熱量，此時負(fù)極的引腳架就起著散熱的作用，90%的熱量都是通過它散發(fā)到PCB板，然后再進(jìn)一步散發(fā)到空氣中，實(shí)現(xiàn)LED的降溫。陶瓷做的底座，利用環(huán)氧樹脂封裝起來，引腳則可以彎曲成所需的形狀，由此形成的LED具有很好地工作溫度性能。表面貼片式封裝出來的LED如今也已被市場接納，從引腳式封裝到SMD的轉(zhuǎn)型合乎市場的趨勢，現(xiàn)已取得一定量的市

19、場份額。最初的SMD LED多采納改良過的帶塑料體的SOT-23型 ，用卷盤式的容器編帶進(jìn)行包裝。改良過后，SMD LED就屬于雙色或三色發(fā)光體系，現(xiàn)已發(fā)展成為熱點(diǎn)。主要是其解決了可控性、平整性、亮度等一系列的問題，去除了較重的碳鋼引腳架，利用更少的環(huán)氧樹脂用于填充顯示反射層，并采納更輕的PCB板。相比之前的引腳式封裝，SMD LED重量、尺寸減少一半，致使整個產(chǎn)品應(yīng)用趨于完美，非常適宜戶內(nèi)，而在半戶外的全彩顯示屏也取得很不錯的效果；隨著LED技術(shù)的成熟與發(fā)展，LED的芯片及封裝開始向大功率發(fā)展。為了產(chǎn)生比Φ5mmLED大10-20倍的光通量，就應(yīng)該通大電流，采用不會劣化的封裝材料和有效的散熱

20、以解決光衰問題。目前有一種功率型的LED- Norlux系列。Norlux系列功率LED是六角形的構(gòu)造，底座為鋁板（絕緣體作用），多芯片的組合。發(fā)光區(qū)在中心部位，鋁板做絕緣體的同時也是熱沉，經(jīng)過底座上制造的兩個接觸點(diǎn)，管芯的鍵合引線與正、負(fù)極相連。依據(jù)所需輸出光功率的大小來確定底座上排列管芯的數(shù)目，然后按照光學(xué)設(shè)計(jì)的形狀，使用折射率較高的材料進(jìn)行包封。這樣整個封裝就結(jié)束了，而且這種由常規(guī)管芯的高密度組合封裝起來的LED,具有保護(hù)性強(qiáng)、熱阻低和取光效率高。當(dāng)在大電流下輸出時，就可以得到大的輸出功率，也是應(yīng)用前景非常廣闊的LED固體光源之一[8]。 單芯片型搭配不同顏色的熒光粉來產(chǎn)生白光，根據(jù)搭

21、配的不同可以分為三類。1 藍(lán)光LED搭配黃色熒光粉；利用藍(lán)光LED發(fā)出的藍(lán)光激發(fā)黃色熒光粉，利用熒光粉產(chǎn)生的黃光與藍(lán)光混合，產(chǎn)生白光，并將其封裝成白光發(fā)光二極管，目前熒光粉主要使用Ce摻雜的釔鋁石榴石。這種制作方式比較簡單，成本低，是目前市場上的發(fā)展主流。但這種LED也有光譜中缺少紅色部分的缺點(diǎn)，所以演色性差，會使物體失去最真實(shí)的色彩。目前發(fā)展的硅酸鹽類黃色熒光粉來取代YAG也存在耐熱性差的缺點(diǎn)，使得LED隨著溫度的升高而造成色坐標(biāo)藍(lán)偏，從而使LED發(fā)出的白光逐漸偏藍(lán)；2 藍(lán)光LED搭配紅色和綠色熒光粉，利用藍(lán)光LED發(fā)出的藍(lán)光來激發(fā)紅色和綠色熒光粉可發(fā)出紅光和綠光，同時未被吸收的藍(lán)光和熒光粉

22、發(fā)出的紅光、綠光混合，進(jìn)而發(fā)出白光。因?yàn)榇朔N方式LED發(fā)出的白光中含有藍(lán)光、紅光和綠光成分，所以其演色指數(shù)較高，但是整體發(fā)光效率較低、成本高。3 紫外光LED搭配藍(lán)色、紅色和綠色三色熒光粉，利用紫外光同時激發(fā)混合后的三色熒光粉，發(fā)出的紅光、綠光和藍(lán)光三種顏色可以混合成為白光。這種方式的LED演色性高，可以達(dá)到90以上，并且單芯片型控制電路設(shè)計(jì)比較簡單。但是三種熒光粉的混合困難度比較高，導(dǎo)致成本上升[9]。 1.3 激光二極管LD的研究進(jìn)展 現(xiàn)今，激光二極管的前進(jìn)的步伐大致能夠分為兩個方向。一種是信息型激光器，它的功用是傳遞信息[10]。.另一種是功率型激光器，它是以提升光的功率為宗旨。在由

23、泵浦固體激光器等運(yùn)用的促使下，在20世紀(jì)90年代時，高功率的激光二極管取得了突破性的進(jìn)步，其中就以激光二極管的輸出功率的急劇提升為標(biāo)志。尤其是國外，現(xiàn)今他們千瓦級的高功率激光二極管發(fā)展到商品化的階段；同時，我國樣品器件輸出已達(dá)到600W的程度。.假如從激光二極管形成的波長的角度來看，首先是以紅外激光二極管得到了大批的應(yīng)用，然后是以670nm的紅光激光二極管得到了大批的運(yùn)用；隨后，波長為650nm,635nm的激光二極管逐步被研制了出來；接著藍(lán)綠光、藍(lán)光等激光二極管也接踵問世；目前，10mw量級的相關(guān)紫光及紫外光激光二極管也在加緊研制中。為了制備可以運(yùn)用于各畛域而發(fā)展起來的激光二極管除了上述的幾

24、種，還有可調(diào)諧的激光二極管，電子束激勵激光二極管，分布反饋激光器，分布布喇格反射式激光器和集成雙波導(dǎo)激光器。除此之外，還有大功率的無鋁激光器，中量子級聯(lián)激光二極管和紅外激光二極管等等，其中，可調(diào)諧激光二極管是經(jīng)過外界施加磁場、電場、溫度、壓力、摻雜盆等條件來調(diào)節(jié)激光發(fā)出光的波長，通過對以上外界條件的變動可以很方便地對輸出光束進(jìn)行管理。分布反饋（DF）式的半導(dǎo)體激光器的出現(xiàn)是因?yàn)楣饫w通訊和集成光學(xué)回路的進(jìn)步，它是在1991年初次被研制出來的，分布反饋式激光二極管的問世徹底的完成了單縱模運(yùn)作，具備十分光明的使用前景，它是一種無腔行波激光器，或衍射光柵形成光藕合用于提供激光振蕩，不再由以前的解理面組

25、成的諧振腔來提供反饋，這種無腔行波激光器優(yōu)點(diǎn)是容易獲得單模單頻輸出，容易與纖維光纜、調(diào)制器等耦合，尤其適合作集成光路的光源。 現(xiàn)今大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域所使用的半導(dǎo)體激光器都具有高的輸出功率，且這種需求不斷增大。提高半導(dǎo)體激光器的功率主要有兩種方式：通過改善激光器芯片的生長技術(shù)從而進(jìn)一步增加單發(fā)射腔激光器的輸出；通過增加半導(dǎo)體激光器器件的個數(shù)從而進(jìn)一步提高整體的輸出功率。為進(jìn)一步增加光源的輸出，現(xiàn)今出現(xiàn)了幾種類型的封裝技術(shù)，接下來本文介紹了多、單管模組，水平、垂直疊陣，面陣等幾類常見的封裝技術(shù)。單陣列：為增加激光器的輸出功率，可以把單發(fā)射腔排成一維的陣列，這樣就集成了單陣列，這個整體通常被人們叫做巴

26、條，它在封裝完成后的形狀如圖1.4 所示。通過調(diào)控腔長和填充因子的數(shù)值，單陣列激光器的輸出可以達(dá)到上百瓦的高度。多單管模組 ：圖1.5為多單管模組的結(jié)構(gòu)示意圖。在結(jié)構(gòu)圖中用串聯(lián)的方法將每個獨(dú)立的發(fā)光單元組合在一起，最后將模組的每單個發(fā)光的單元光束通過光學(xué)系統(tǒng)的集合后插入光纖。在市場上可以購買到的多單管結(jié)構(gòu)的輸出功率已達(dá)到數(shù)十瓦甚至高達(dá)上百瓦的水平。水平陣列：顧名思義就是將多個巴條組件進(jìn)行水平排列。 圖1.6為兩類水平陣列半導(dǎo)體激光器的實(shí)物圖。通過調(diào)劑組成器件的巴條數(shù)量和單個巴條的輸出功率，激光二極管的輸出功率可以從數(shù)十瓦變化到上千瓦的水平。垂直疊陣：圖 1.7為垂直疊陣中的G-stack型激光

27、器，圖 1.8為垂直疊陣中的微通道型液體制冷半導(dǎo)體激光器。目市場上20個巴條的垂直疊陣半導(dǎo)體激光器的輸出功率可以達(dá)到2000W甚至可以高達(dá)5000W[11]。 圖1.4 高功率單陣列半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)[11] 圖1.5 多單管模組結(jié)構(gòu)示意圖[11] 圖1.6 兩類水平陣列半導(dǎo)體激光器實(shí)物圖[11] 圖1.7 G-stack型激光器[11] 圖1.8 微通道型液體制冷半導(dǎo)體激光器[11] 增大陣列半導(dǎo)體激光器的輸出功率現(xiàn)在面臨的主要挑戰(zhàn)就是熱應(yīng)力管理與熱管理[12]。熱管理由散熱系統(tǒng)技術(shù)與“無空洞”貼片技術(shù)組成：在單陣列半導(dǎo)體激光器中主要遇到的問題是，每個發(fā)光

28、單元之間產(chǎn)生的熱量會彼此干擾，造成整個組件的散熱不均勻，最終導(dǎo)致激光器的性能穩(wěn)定性和額定功率減?。怀酥赓N片層中存在洞穴也將明顯的使陣列半導(dǎo)體激光器的性能降低；多單管模塊現(xiàn)階段遇到的問題是怎么樣將功率提升到數(shù)百瓦的量級，多單管組件現(xiàn)階段面臨的另一挑戰(zhàn)是如何讓每個發(fā)射腔的輸出波長一樣；而水平陣列的激光器面臨的挑戰(zhàn)為總的輸出功率受限于巴條與制冷器的絕緣，相鄰的巴條之間產(chǎn)生的熱量會彼此影響，前一個巴條產(chǎn)生的熱量傳遞給后一個巴條，造成了后面的的巴條的溫度升高和最終導(dǎo)致各個巴條的溫度不一致，半導(dǎo)體激光器的可靠性就下降了，進(jìn)一步就造成了輸出波長的漂移和光譜變寬；垂直疊陣封裝所碰到的主要技術(shù)挑戰(zhàn)是光譜和光

29、束的調(diào)控問題。垂直疊陣激光器每個巴條之間產(chǎn)生的熱彼此影響，同時水流不穩(wěn)定造成了巴條的冷卻溫度分布不均，這造成了巴條的波長漂移和疊陣的光譜變寬。 1.4 白光LED熒光材料 一般來說，LED白光的產(chǎn)生需要激發(fā)源和熒光粉的組合，目前比較常用的LED激發(fā)光源有兩種，一種是波長380~420nm的紫外光，它適用于紫外光發(fā)光二極管所用熒光粉的激發(fā)光源；另一種是波長460nm的藍(lán)光，它適用于釔鋁石榴石類銀光粉的激發(fā)光源，這兩種激發(fā)光源各有優(yōu)缺點(diǎn)。熒光粉種類不同，其吸收波段能量不同，因此需要選擇不同種類的激發(fā)光源，這樣比較有利于雙環(huán)較高能量的光線。外界溫度升高時，光譜的發(fā)光強(qiáng)度會隨溫度上升而降低，這種現(xiàn)

30、象稱為熱猝滅，對發(fā)光二極管的熱進(jìn)行管理控制，有助于保持熒光粉的發(fā)光強(qiáng)度[13]。表1-1為常見的白光LED所用到的熒光材料。 表1.1 白光LED熒光材料 熒光粉發(fā)光顏色 化學(xué)式 紅色 BaMg2Al10O7: Eu、Sr3MgSi2O8: Eu、Sr4Al14O25: Eu等 綠色 SrGa2S4: Eu、(Sr,Ga,Ba)S: Eu、(Ca,Sr,Ba)2SiO4: Eu、SrSiON: Eu 等 黃色 Y3Al5O12: Ce、SiAlON: Eu

31、、(Ca,Sr,Ba)2SiO4: Eu等 1.5 LD熒光轉(zhuǎn)換材料與透明陶瓷材料 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.5.1 LD熒光轉(zhuǎn)換材料 LD的熒光轉(zhuǎn)換材料可以分為晶體，玻璃，陶瓷三大類。 晶體：單晶的熒光材料具備的優(yōu)良性能有：較高的增益、良好的熱學(xué)特性和卓越的機(jī)械性能[14]。其優(yōu)秀的光學(xué)和激光性能使其成為目前使用最廣的固體激光工作介質(zhì)。晶體用作固體激光材料的運(yùn)用范疇非常普遍包括科研、工業(yè)、醫(yī)療等，主要的應(yīng)用方面有制作指示器、運(yùn)用激光測量距離、激光類的醫(yī)療器材和材料的加工等等。但是，現(xiàn)今工業(yè)、軍事、醫(yī)療和科研等范疇急需高功率的固體激光器,然而一直以來晶

32、體的輸出平均功率和效率還停留在較低的發(fā)展程度上。無法提高晶體的效率和輸出平均功率主要是由于其在生長方面的限制，晶體的主要缺點(diǎn)有：1 離子的摻雜濃度低。2 因?yàn)閼?yīng)力的存在致使晶體十分容易開裂。這時因?yàn)橛锰崂▉碇苽鋯尉Р牧系臅r候，單晶材料在位于相互垂直的起偏器之間時, 很明顯可以觀察到在晶體的伸長方位上有十分亮的芯子,且從芯子向晶體材料的表面有輻射狀的由應(yīng)變產(chǎn)生的花紋。除此之外，相應(yīng)的摻雜離子濃度的高度集中也會形成該位置的化學(xué)應(yīng)力的發(fā)生，從而致使周圍區(qū)域折射率比中心區(qū)域的低，由于成分的差異形成的熱膨脹系數(shù)的不同，到目前還沒有很好的方法來處理。3 生產(chǎn)晶體需要的時間長，而且成本很高。激光晶體絕大多

33、數(shù)都是利用提拉法來制備的，由于其生長速率很小、制備工藝十分復(fù)雜，所以需要的時間較長。制備晶體的熔點(diǎn)高，因此制備一個單晶材料需要需要價格很高的的Ir坩堝和單晶爐。4 制備出的晶體的尺寸小。到目前為止，國內(nèi)外所報道的最大的單晶材料的大小為23cm。 玻璃：玻璃的出現(xiàn)解決了晶體中的一些問題，玻璃具有高光學(xué)品質(zhì)、制備所得到的尺寸大、無各向異性、能夠達(dá)到均勻摻雜濃度十分高的激活離子等卓越的性能[15]。然而玻璃有一個非常大的缺點(diǎn)晶體的熱導(dǎo)率是它的14倍，這在很大程度上阻礙了玻璃熱量的散發(fā),而玻璃的軟化點(diǎn)又不高，這使的它不能夠接受高的輻射功率。除此之外，玻璃激光器還有發(fā)射的熒光線較寬,硬度較低等缺點(diǎn)。

34、 陶瓷：陶瓷是人們找到的一種新的替代材質(zhì)，其具有較高的熔融溫度（1930℃）、高的機(jī)械強(qiáng)度、良好的耐熱性、在堿金屬等離子體中能夠保持良好的穩(wěn)定性、同時還具有良好的物理性能及無多晶轉(zhuǎn)化等。因此透明陶瓷是諸多領(lǐng)域內(nèi)具有發(fā)展前景的熒光材料之一。 1.5.2 透明陶瓷材料 透明陶瓷的發(fā)展歷史：透明陶瓷出現(xiàn)于上世紀(jì)的50年代，美國公司在1959年初次制作出了透明的氧化鋁陶瓷，當(dāng)它呈現(xiàn)于人們面前時，陶瓷不透明的觀點(diǎn)被打破了 [16]。但是剛剛出現(xiàn)的透明氧化鋁陶瓷具有一系列的弊端,，如在陶瓷的內(nèi)部存在晶界、氣孔，晶格不完整性等，這些缺點(diǎn)的存在致使陶瓷透光性大大降低和散射損耗變大。所以在那個時候科學(xué)家們

35、沒有想過將透明陶瓷當(dāng)作激光介質(zhì)來使用。在1966年，E.Carnall[17]等初次報道了能夠和激光器相結(jié)合的陶瓷，它們利用真空熱壓法燒制了Dy:CaF2陶瓷，并運(yùn)用該塊陶瓷制作的激光器在液氮溫度下形成了激光振蕩，其激光振蕩閾值與單晶類似，Dy:CaF2陶瓷開創(chuàng)了陶瓷激光的先河。在1972年的時候，R.C.Anderson[18]等人制備出了NchYaCh-ThCh近似于透明的激光陶瓷材料，但是此陶瓷激光振蕩效率低，所以沒有吸引到材料和激光科學(xué)家的眼球。在1973年時，Greskovich[19]等人制備出尺寸為φ 0.8cm×11cm Nd:Y2O3透明激光陶瓷棒，該陶瓷利用冷等靜壓成型工藝

36、,在氫氣的氛圍下制備完成的。那個時候，此激光陶瓷在做激光實(shí)驗(yàn)時的閾值和斜效率能夠與欽玻璃比擬。在1984年時，DeWith G[20]等人燒結(jié)出YAG透明陶瓷，該陶瓷的添加劑為SiO2和MgO，采用噴霧干燥的方法制備出了前驅(qū)體粉末，然后經(jīng)過冷等靜壓成型，在1800℃的真空條件下燒結(jié)制備而成，其透光率在50％-80％，密度接近理論值。在1990年時，M.Sekita[21]等人燒結(jié)研制出了Nd:YAG陶瓷粉體，其沉淀劑為尿素，采用均相沉淀方法，經(jīng)成型和真空燒結(jié)出了透明陶瓷材料，具有的光學(xué)性能接近單晶。但是可惜的是Nd:YAG陶瓷粉體的背景吸收較大，因而未能獲得激光輸出。第一臺輸出性能可與單晶激光

37、器相比較的陶瓷激光器是在1995年制備的，A. Ikusue[22]等人制備出了Nd:YAG高透明陶瓷。其制備原料是高純度的氧化釔和氧化鋁。其最終形成的功率為70mW，斜率效率為28％，光的散射率被降低至0.009/cm的程度。雖然，激光泵浦閾值要比晶體的閾值稍髙，但這次的激光輸出成為在透明陶瓷發(fā)展歷史中的一個突破。他們研制的Nd:YAG高透明陶瓷引起了人們對透明陶瓷的普遍關(guān)注。在1997年,I. Shoji[23等人研制出了單模輸出Nd:YAG微片激光器，其具備摻雜濃度很高的特點(diǎn)。隨后，又Y.Sato[24]等人報道了Nd:YSAG皮秒量級超短脈沖陶瓷激光器，J.Saikawa [25]等人

38、報道了Yb:YSAG皮秒量級超短脈沖陶瓷激光器。在1998年真空無壓燒結(jié)技術(shù)的利用使透明陶瓷的光譜性能，熒光的使用時長等方面達(dá)到了與單晶一致的水平，甚至在摻雜濃度，尺寸等方面的優(yōu)勢高于單晶，這是陶瓷的形成過程中的又一突破[26]。日本神島化學(xué)公司T.Yanagitani[27]研究小組在1999年制備出了高透明的Nd:YAG陶瓷，該種陶瓷采用改進(jìn)的尿素共沉淀的方法和燒結(jié)的方法，在1064nm處的散射損耗接約0.002cm-1?；谶@一技術(shù)，日本神島化學(xué)公司、日本電氣通訊大學(xué)和俄羅斯科學(xué)院晶體研究所等單位在2000-2002年間把陶瓷固體激光器的最終獲得的功率從十瓦級別提高到千瓦級別，這為以后期

39、高功率固體激光器的研制奠定了根底[28]。在2005年11月時，諾·格公司研制出了Nd:YAG陶瓷激光器，此激光器完成了27KW的激光輸出功率，運(yùn)行時間長達(dá)可以到350 s[29]。在2006年，美國Lawrence Liveraiore National Laboratory[30] 成功的研制出了全固體熱容激光器（SSHC，采用尺寸為100×100×20mm的透明陶瓷作為激光工作物質(zhì)），這時據(jù)報道以來功率最大的陶瓷激光器，他是利用日本神島提供的Nd:YAG透明陶瓷板條。實(shí)現(xiàn)了最大輸出功率高達(dá)67KW。美國的NGC公司在2009年使用高功率透明陶瓷板條使激光器的輸出功率達(dá)到大于100KW的水

40、平[31]。隨后，Texitron[32]在2010年做出了同樣高功率輸出的激光器。國外關(guān)于透明陶瓷的研宄一直是一個熱點(diǎn)，海外現(xiàn)今在透明陶瓷在功用方面取得了比較好的發(fā)展，并且也逐步推廣到了較大規(guī)模的實(shí)用階段，如如制備激光器件，汽車大燈等。到目前為止，國外對摻釹的釔鋁石榴石透明陶瓷的研宄基本上趨于成熟。相比之下，國內(nèi)在激光透明陶瓷方面的研宄起步較晚，而且研究工作主要局限于一些高校實(shí)驗(yàn)室和研宄所里，研宄尚處于起步階段[33。東北大學(xué)的孫旭東[34]在2003年制備出了高透光的YAG陶瓷，他采用固相反應(yīng)真空工藝，以高純的Al2O3和Y2O3粉體為材料，他制成的陶瓷在可見光區(qū)最大透光率高達(dá)63%。中科

41、院上海硅酸鹽研究所潘裕柏[35]課題組在2006年制備出高質(zhì)量的Nd:YAG透明陶瓷，他是采用固相法制備的，這種陶瓷的出現(xiàn)在大陸第一次完成了Nd:YAG透明陶瓷的激光最終輸出，其樣品尺寸為3×3×3 mm3，輸出功率達(dá)1003mW。中科院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研宄所曹永革[36]在2008年報道了Nd:YAG透明陶瓷23W激光輸出的制備。在與中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所[37]合作的情況下在2009年成功制備了單片陶瓷激光KW級功率的輸出，他們運(yùn)用的是先進(jìn)的高密度側(cè)面泵浦棒狀的Nd:YAG陶瓷和先進(jìn)的MOPA放大的相關(guān)技術(shù)，這是國內(nèi)目前已知的最高水平。隨后，在2013年我國研究制備出了國際上公認(rèn)的陶瓷尺寸最

42、大、光學(xué)品質(zhì)高的YAG透明陶瓷，它是由王士維[38]等人制備的，他們制備出的YAG透明陶瓷直徑為235mm、厚度為7.5mm，目前，利用單晶生長的方法所得到的尺寸遠(yuǎn)小于他們所制備的尺寸。陶瓷圓板通過粉體合成、選擇了合適的燒結(jié)助劑，采用了改進(jìn)后的的成型和燒結(jié)工藝。陶瓷在400nm和110nm處的直線透光率可以達(dá)80%和83%?？梢钥闯?，我國與國外陶瓷的研究水平正在逐步減小，我國在陶瓷制備范疇已成為繼日本、德國之后可以徹底獨(dú)立的自主研制陶瓷并完成了激光輸出的國度，在陶瓷激光器的研究上取得了一定的進(jìn)展。 透明陶瓷的發(fā)展方向： (1) 大尺寸，美國的Lawrence Livermore國家級實(shí)驗(yàn)室研

43、制出了一種Nd:YAG的陶瓷激光器，該激光器是兆瓦級別的，采用了16個陶瓷板條，該板條的尺寸為20cm×20cm×4cm[39]。他們經(jīng)過計(jì)算機(jī)的理論模擬表明了該設(shè)計(jì)的可行性。如果在現(xiàn)實(shí)中制備出，Nd:YAG陶瓷激光器，它將成為目前世界上獨(dú)一無二能完成兆瓦級別的固體激光器的技術(shù)革命，會把固體激光器在軍事方面的運(yùn)用從戰(zhàn)術(shù)兵器推向到戰(zhàn)區(qū)和戰(zhàn)略性的兵器。但是，要獲得成功首先須要處理的問題是怎樣制備20cm×20cm×4cm大小激光陶瓷的。然而，目前他們現(xiàn)有的技術(shù)水平僅能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)出10cm×10cm×1cm大小的激光陶瓷，這樣的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足于兆瓦級別激光器的研制。所以說，大尺寸將會是透明陶瓷的發(fā)展

44、方向之一[40]。(2) 多層、多功能復(fù)合，現(xiàn)今的固體激光器大部分的工作模式是利用端泵浦的，但是，泵浦光在固體激光器的內(nèi)部是不均勻分散的。從而，就會招致陶瓷激光材料內(nèi)部形成了較大的溫度梯度差，這樣光束質(zhì)量會受到嚴(yán)重的降低，當(dāng)溫度梯度差很大的時候可能會破壞激光材料。通過在泵浦光分布梯度的方位上摻雜一些與激活離子相適應(yīng)的離子，這樣會在很大程度上削弱激光材料內(nèi)部的溫度梯度差的帶來的影響，最終提高了光束的品質(zhì)。于此同時，因?yàn)樘沾晒に嚲邆淙嵝灾苽浼夹g(shù)，我們利用該技術(shù)有可能完成在一個激光介質(zhì)上實(shí)現(xiàn)被動調(diào)Q功能，進(jìn)一步能夠?qū)⒄{(diào)Q 與表面增強(qiáng)拉曼等效應(yīng)相關(guān)聯(lián)，最終完成高脈沖功率的固體激光器的研制[34]。(3

45、) 高效率，在2001年，J. Lu[41]等人獲得了斜效率為61%和58%的高效的激光輸出，他們使用的是端面泵浦的工作模式，使用了1.0at. %和2.0at.%的Nd:YAG透明陶瓷。在2004年，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究[42]所獲得了輸出功率為236W，斜效率為62%的高效非間斷激光輸出，他們使用了側(cè)面泵浦的工作模式，利用了1.0at. %的Nd:YAG陶瓷棒。在2006年,德國柏林技術(shù)大學(xué)[43]實(shí)現(xiàn)了140W，斜效率為67%的高效激光，他們使用的工作介質(zhì)是芯摻雜Nd:YAG復(fù)合陶瓷。在2007年, Rigo Peters[44]等人獲得了32.6W，斜效率為80%的可調(diào)諧Yb

46、:Lu2O3陶瓷激光器。由上述可知，正因?yàn)樘沾删邆鋼诫s濃度高,體積大等卓越的性能，從而可以大大提升單位體積內(nèi)的激活離子數(shù)密度，從而進(jìn)一步提高了透明陶瓷作為激光介質(zhì)的效率，最后實(shí)現(xiàn)了高效輸出。(4) 超短脈沖，是否具備大的發(fā)射截面帶寬是激光材料是否能夠用作超短脈沖激光器的激光介質(zhì)的評價標(biāo)準(zhǔn)。Yb:Y2O3和Yb:Lu2O3兩種透明陶瓷是擁有大的發(fā)射帶寬的新型陶瓷材料，M. Tokurakawa[45，46]等人對188fs的Yb:Y2O3和357fs的Yb:Lu2O3陶瓷鎖模激光器進(jìn)行了詳盡的報道，他們證實(shí)了這兩種摻雜透明陶瓷是十分好的飛秒激光材料。隨著對超短脈沖的相關(guān)材料的研究，屆時將不斷出現(xiàn)

47、各種新型的透明陶瓷，從而產(chǎn)生更多更優(yōu)良的超短脈沖激光材料。(5) 高功率，從近年的陶瓷的發(fā)展容易看出高功率是透明陶瓷的發(fā)展方向之一。在2003年日本電信大學(xué)激光科學(xué)研究所與俄羅斯科學(xué)院的晶體研究所[47]合作制備的Nd:YAG透明陶瓷獲得了1.46kW的激光輸出功率。在2005年，美國的達(dá)信公司[48]制備了Nd:YAG陶瓷板條激光器完成了5kW的激光的輸出。在2007年，美國實(shí)驗(yàn)室Livemore[49]采用復(fù)合結(jié)構(gòu)熱容激光器最終研究制備出了高達(dá)67kW的高功率激光輸出。除此之外，Y2O3，Lu2O3等透明陶瓷都可以作為優(yōu)秀的高功率陶瓷材料激光介質(zhì)。實(shí)現(xiàn)陶瓷材料激光器的高功率輸出的根本原因是

48、陶瓷能夠做到高的摻雜、大的制備尺寸。由此可以看出高功率與高效率一致,也是由陶瓷材料的高摻雜、大體積等優(yōu)異性能決定的。 綜上所述，以上的五個方面是目前陶瓷激光器的主要的發(fā)展方向，隨著新型陶瓷材料不斷的被研制以及陶瓷材料綜合性能不斷的被提升，相信全固態(tài)激光器在將來一定擁有無限大的發(fā)展空間。各種多功用，高性價比的全固態(tài)激光器將不斷被研制。 1.6 YAG 透明陶瓷概論 1.6.1 YAG 晶體的結(jié)構(gòu) 石榴石通常被認(rèn)為是一系列天然產(chǎn)出的硅酸鹽礦物的總稱，石榴石是立方晶系構(gòu)造, 在每個晶胞中有8個化合式量，它的空間點(diǎn)群為Oh(10)-Ia3d。在石榴石的結(jié)構(gòu)當(dāng)中，所有的陽離子都處在多面體中心的位

49、置，而O2-離子占據(jù)晶體結(jié)構(gòu)的一般密堆位置。對于釔鋁石榴石晶體結(jié)構(gòu)，除了它所具有石榴石的一些性質(zhì)外，它的其晶格常數(shù)為12.002，是一種畸變的構(gòu)造，晶胞可用八面體、十二面體和四面體的連接網(wǎng)來描述。其中，釔鋁石榴石晶體中的Al3+與Si4+完全等價。因而釔鋁石榴石的化學(xué)式能夠?qū)懽鱕3Al2(AlO4)3即YAG。其中，一部分Al3+為四配位的(AlO4)四面體,每一個Al3+離子周圍共有四個O2-離子， Al3+占據(jù)四面體的核心，這四個O2-離子分散占據(jù)了正四面體的每一個角；另一部分的Al3+為六配位的(AlO6)八面體，六個O2-離子圍繞一個Al3+離子，Al3+占據(jù)正八面體的核心，六個O2-

50、離子分散占據(jù)了相應(yīng)的正八面體的頂角；而Y3+處于八配位的[YO8]十二面體中；也就是每個(AlO4)四面體的四個頂角與(AlO6)八面體的頂角相互相連；從而形成了晶格的三維骨架，且Y3+占據(jù)骨架中八配位十二面體的空隙中去。由上述的結(jié)構(gòu)模型能夠理解為，YAG晶體結(jié)構(gòu)是由一些正四面體和正八面體相互連接所形成的，這些正四面體和正八面體的角上都是O2-離子，而核心則全部是Al3+離子，正四面體和正八面體連接起來形成了一些較大的空間,這些空間可以看作是畸變的立方，它們的中心由Y3+占據(jù)著。Y3Al2(AlO4)3的晶體結(jié)構(gòu)如圖1.9所示[50]。 圖 1.9 釔鋁石榴石的晶體結(jié)構(gòu)[50] 1

51、.6.2 YAG 晶體的性能 因?yàn)樵诰w的構(gòu)造中能夠?qū)崿F(xiàn)較大濃度的陽離子摻雜，YAG透明陶瓷最主要的用途是用來制備激光晶體，同時YAG晶體的機(jī)械強(qiáng)度高，導(dǎo)熱性能良好，化學(xué)和熱穩(wěn)定性能優(yōu)異，也被廣泛用做窗口和襯底材料、閃爍體材料等。因?yàn)閅3+離子的半徑與三價稀土離子的半徑大小相似，所以摻雜后可以擁有良好的熒光性能，在照明設(shè)施中表現(xiàn)出良好的運(yùn)用前景。YAG的基本物理化學(xué)性能，熱學(xué)性能和YAG單晶與多晶陶瓷的主要物理性能對比如下表1.2，1.3，1.4所示： 表1.2 YAG的基本物理化學(xué)性能結(jié)構(gòu)表[51] 性質(zhì) 量值 分子式 相對分子量 晶體結(jié)構(gòu)

52、莫氏硬度 折射率 熔點(diǎn) 色澤 斷裂應(yīng)力 彈性模量 化學(xué)性質(zhì) Y3Al5O12 593.7 立方晶系 8-8.5 1.82 1950℃ 無色 (1.3-2.6) ｘ106 kg/cm2 3ｘ106 kg/cm2 不溶于硫酸、鹽酸、確酸、氧氟酸；》250℃時溶于磷酸 表1.3 YAG的熱學(xué)性能[51] 溫度/K 比熱容/kJ.K-1 熱擴(kuò)散率/10-4m2.s-1 熱膨脹系數(shù)/10-6K-1 100 19.4 0.92 4.25 200 64.7 0.10 5.80 表1.4 YAG的單晶與多晶陶瓷的主要物理性能對比[52

53、] 材料 體密度 硬度 折射率 熱導(dǎo)率/(Jcm-1.℃-1) 20℃ 200℃ 600℃ YAG單晶 4.55 12.6 1.810 0.107 0.057 0.046 YAG陶瓷 4.55 12.8 1.808 0.105 0.057 0.046 1.7 Y2O3-Al2O3的二元系統(tǒng)相圖 YAG透明陶瓷的制備是以氧化釔和氧化鋁為原料，按照一定的化學(xué)計(jì)量比(3:5)在高溫中燒結(jié)生成的。圖2-2所展示的是Y2O3-Al2O3的二元的系統(tǒng)相圖，可以看出，在氧化釔和氧化鋁中除

54、了存在YAG相外，還存在1:1化合物YAP（YAlO3），它是鈣鈦礦結(jié)構(gòu)和單斜晶系的2:1化合物YAM（Y4Al2O9）。在這三種化合物中，YAM是動力學(xué)穩(wěn)定相，YAG是熱力學(xué)穩(wěn)定相， YPM也是動力學(xué)穩(wěn)定相。因此嚴(yán)格控制Al和Y的化學(xué)計(jì)量比是制備純YAG相的關(guān)鍵。 圖1.10 Y2O3-Al2O3的二元系統(tǒng)相圖[53] 1.8 本課題研究的目的及意義 隨著人類節(jié)能環(huán)保的意識的不斷增強(qiáng)，照明領(lǐng)域的節(jié)能環(huán)保高效新光源也備受人們的關(guān)注。由于白光發(fā)光二極管具有高亮度，長壽命，低施加電壓和高功率效率等優(yōu)良特性，白光發(fā)光二極管（WLED）被人們認(rèn)為是性能良好的通用照明裝置。當(dāng)前的商業(yè)白光

55、發(fā)光二極管技術(shù)通過使用環(huán)氧樹脂或硅酮將藍(lán)光LED芯片和黃色[Y3Al5O12Ce3+（YAG：Ce）]熒光封裝到芯片表面上。然而，此技術(shù)合成的白光發(fā)光二極管具有導(dǎo)熱性差，有機(jī)樹脂和硅酮容易變質(zhì)，發(fā)光二極管（BLED）芯片溫度隨其輸出功率而增加的缺點(diǎn)。為了解決以上問題，本論文利用透明陶瓷封裝來改善以上問題。同時由于激光二極管具有亮度十分高、單色性高、方向性很強(qiáng)、相干性非常好和能量密度十分高等一系列由于白色發(fā)光二極管的性能，所以我們將激光二極管替代白色發(fā)光二極管來研究用透明陶瓷封裝好的激光二極管的發(fā)光效率（LE），發(fā)光強(qiáng)度，色品圖等性能。 對于透明陶瓷的選取，我們研究了摻不同濃度Ce的釔鋁石榴石

56、透明陶瓷。因?yàn)橛嘘P(guān)Nd:YAG透明陶瓷的性能前輩們已經(jīng)做出了詳細(xì)的研究。而摻Ce的釔鋁石榴石透明陶瓷的研究較少，同時Ce3+摻雜 YAG 熒光粉是當(dāng)前照明設(shè)備研究的一個主流方向。本論文通過改變Ce的濃度研究了激光器的各種性能。 本論文的組織結(jié)構(gòu)： 第一章，介紹了激光二極管和透明陶瓷的歷史和發(fā)展過程，闡明了激光二極 管的發(fā)光原理和工作原理，對激光二極管和透明陶瓷的主要優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域分別進(jìn)行了介紹。 第二章，詳細(xì)的介紹了YAG晶體的結(jié)構(gòu)，基本性能以及它的二元相圖。并對 比了YAG晶體，玻璃，陶瓷的優(yōu)缺點(diǎn)。 第三章，詳細(xì)介紹了實(shí)驗(yàn)所需的原料，實(shí)驗(yàn)器材，實(shí)驗(yàn)的方法以及數(shù)據(jù)的處理與分析。

57、第四章，總結(jié)和展望，回顧本階段所作出的工作，概括性的總結(jié)激光二極管與Ce:YAG透明陶瓷相結(jié)合的發(fā)光特性，同時展望透明陶瓷激光器的發(fā)展前景。 2 實(shí)驗(yàn)部分 2.1 實(shí)驗(yàn)材料 1 廣州市微笑鯊照明科技有限公司的10W大功率激光二極管LD 2 上海硅酸鹽研究所的摻雜不同Ce濃度的YAG透明陶瓷為原料 其中大功率激光二極管與不同Ce濃度的YAG透明陶瓷的實(shí)物如圖2.1和圖2.2。 圖2.1 大功率激光二極管 圖2.2 摻不同Ce濃度的YAG透明陶瓷（其他生產(chǎn)條件完全相同） 2.2 實(shí)驗(yàn)器材 實(shí)驗(yàn)中主要用到的儀器

58、設(shè)備，見表2.1 儀器名稱 規(guī)格型號 生產(chǎn)廠家 電子天平 FA1004 上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司 游標(biāo)卡尺 MNT-150 上海美耐特實(shí)業(yè)有限公司 超聲波清洗機(jī) JP-020S 深圳市潔盟清洗設(shè)備有限公司 光強(qiáng)分布測試系統(tǒng) LED620 杭州遠(yuǎn)方光電信息股份有限公司 自動溫控光電分析測量系統(tǒng) ATA-500/1000

59、 杭州遠(yuǎn)方光電信息股份有限公司 三用紫外分析儀 ZF-1 上海驥輝科學(xué)分析儀器有限公司 熒光光度計(jì) F4600 日本日立公司 X射線衍射儀 D/MAX2500V 日本理學(xué)制造 分光光度計(jì) TU1950 北京普析公司 激光功率計(jì) LP100 日本三和儀器有限公司 光線光譜儀 USB4000 海洋光學(xué) 2.3 研究

60、過程 本論文以廣州市微笑鯊照明科技有限公司的10W大功率激光二極管LD和上海硅酸鹽研究所的摻雜不同Ce濃度的YAG透明陶瓷為原料，通過簡單的手工封裝制成了實(shí)驗(yàn)所需的激光器。首先研究了激光器的一些基本性能，如重量，尺寸，輸出電壓，工作電流等。接著論文又研究了激光器的各種光學(xué)性能，如發(fā)光強(qiáng)度，透光度，色品圖等。然后研究了激光器的一些電學(xué)性能。最后，通過數(shù)據(jù)處理來分析隨著摻Ce濃度的不同，各種性能所顯示出來的規(guī)律，并找到現(xiàn)有原料中最佳的摻雜濃度。 3 結(jié)果與討論 3.1 YAG：Ce

61、的光致發(fā)光性能 本論文采用日本日立公司生產(chǎn)的F4600熒光光度計(jì)分別測試了各種不同摻Ce濃度的透明陶瓷的光致發(fā)光光譜(PL)和光致發(fā)光激發(fā)光譜(PLE)。圖a1，b1，c1，d1為透明陶瓷的光致發(fā)光光譜(PL)，它們是在340nm光源的激發(fā)下產(chǎn)生的。從這四幅圖中可以看出光致發(fā)光光譜強(qiáng)度隨著Ce濃度的增加而增加，在c1~d1中基本達(dá)到飽和。當(dāng)摻雜Ce的濃度為0 at.％時，光致發(fā)光光譜在525nm附近達(dá)到峰值；當(dāng)Ce濃度為0.1 at.％時，光致發(fā)光光譜在530nm附近達(dá)到峰值；然后對于0.3 at.％的Ce濃度，光致發(fā)光光譜在530nm附近達(dá)到峰值；最后對于0.5 at.％的Ce濃度，光致發(fā)

62、光光譜在530nm附近達(dá)到峰值。 因此，在YAG：Ce陶瓷中Ce3+的最佳替代濃度為x =0.3~0.5 at.％。觀察到的光致發(fā)光光譜的飽和可能源自于許多的因素，例如由Ce-Ce相互作用或晶格缺陷引起的非輻射去激發(fā)途徑的存在，光致發(fā)光光譜的飽和在較高Ce濃度下會變得更加明顯。與之相反，a2，b2，,c2，d2 為光致發(fā)光激發(fā)光譜(PLE)是以540nm的光源作為激發(fā)源產(chǎn)生的，從這四幅圖中可以看出光致發(fā)光激發(fā)光譜(PLE)的強(qiáng)度隨著Ce濃度的增加而增加，在a?2~b2中基本達(dá)到飽和。它們的光致發(fā)光激發(fā)光譜(PLE)在470nm附近達(dá)到峰值。但使在透明陶瓷中可能存在著347 nm附近的發(fā)射，這可

63、能是因?yàn)榉锤裎蝗毕菰斐傻摹Ｒ虼?，在光致發(fā)光激發(fā)光譜(PLE)中，Ce:YAG陶瓷中Ce3+的最佳替代濃度為x =0.1 at.％。 圖3.1 圖(a1)和(a2)分別為只有YAG時的光致發(fā)光光譜（PL）和光致發(fā)光激發(fā)（PLE）光譜；圖(b1)和(b2)分別為摻0.1at.% Ce的YAG 光致發(fā)光光譜（PL）和光致發(fā)光激發(fā)（PLE）光譜；圖(c1)和(c2)分別為摻0.3at.%Ce的YAG光致發(fā)光光譜（PL）和光致發(fā)光激發(fā)（PLE）光譜；圖(d1)和(d2)分別為摻0.5at.%Ce的YAG 光致發(fā)光光譜（PL）和光致發(fā)光激發(fā)（PLE）光譜。 3.2 YAG：Ce

64、的吸收性能 本論文利用由上海驥輝科學(xué)分析儀器有限公司生產(chǎn)的ZF-1三用紫外分析儀來測試摻不同Ce濃度的YAG透明陶瓷。當(dāng)入射的光照射到固體樣品的表面時，一部分光會被樣品的表面反射和散射，進(jìn)入樣品內(nèi)部的一部分光會被吸收，而剩下的光則被透射出去；有一部分透射光會由于固體內(nèi)部存在的散射中心而偏離入射方向，直線透過率所測得的光不會包括偏離入射光方向的透射光，所以測試的結(jié)果能夠準(zhǔn)確地反映透明陶瓷的光學(xué)質(zhì)量。 影響透明陶瓷透光度的本質(zhì)因素可以大致分為雜質(zhì)與非晶相，氣孔率，燒成制度，晶界組織結(jié)構(gòu)，表面加工光潔度五大類。雜質(zhì)與非晶相的影響的主要原因是摻雜的離子濃度高于固溶度或者有外界的雜質(zhì)引入，會使得多余

65、的稀土離子無法通過置換方式進(jìn)入晶格，導(dǎo)致這些離子聚集于晶界，從而形成了晶間相，這樣就成為了新的光源的散射中心，對穿過陶瓷的光產(chǎn)生散射作用，降低了陶瓷的光學(xué)質(zhì)量；氣孔率造成影響的主要原因是在透明陶瓷中有大量氣孔的存在，導(dǎo)致輸出激光的光束質(zhì)量變差，氣孔作為散射中心和吸收中心的存在，不僅對其中一部分激光產(chǎn)生散射，降低激光的輸出功率，而且還會吸收部分激光，并將吸收的光能轉(zhuǎn)換為內(nèi)能，從而導(dǎo)致透明陶瓷內(nèi)部溫度的快速升高，產(chǎn)生嚴(yán)重的熱效應(yīng)，降低光的轉(zhuǎn)換效率，最終致使激光輸出功率難以升高；燒成制度造成的影響主要在透明陶瓷材質(zhì)的透明度方面，一般情況下的陶瓷燒結(jié)需要通過非常高的溫度才能夠使陶瓷內(nèi)部的氣泡出去, 然

66、而普通陶瓷和透明陶瓷有很大的差異，最終的燒結(jié)工藝需要經(jīng)過一系列真空、氦氣氣氛或其它保護(hù)氣體的氣氛中燒成。在真空或氫氣等氣氛當(dāng)中中,陶瓷燒結(jié)體形成的氣泡可以快速的擴(kuò)散到材料外部，這樣就達(dá)到了排除氣泡的目的即達(dá)到透明化燒結(jié)。使用正確的燒成制度可以得到質(zhì)量優(yōu)異的透明陶瓷；晶界組織結(jié)構(gòu)對透射率也造成了很大的影響，晶界的存在會使透明陶瓷的光學(xué)方面的均勻性喪失，在一定程度上造成了光的散射，進(jìn)一步導(dǎo)致材料的透光率變低。在一個相對單位內(nèi)晶界的數(shù)量很多的時候，因?yàn)榫w的配置混亂無章，這時候當(dāng)有一束光射入晶界時,就會發(fā)生很多次光的折射和反射，最終導(dǎo)致陶瓷的透光率變得很小。多晶陶瓷中存在著和主體折射率不同的異相，這增大了透明陶瓷的混亂程度，除此之外主體和異相也會對入射光源有吸收的作用，從而由于光的吸收造成了很大的浪費(fèi)；陶瓷體的透光率還和透明陶瓷的表面加工光潔度有密切的聯(lián)系，這是因?yàn)楸砻婕庸す鉂嵉某潭扰c漫反射現(xiàn)象有關(guān)系。只是通過簡單燒結(jié)的陶瓷，陶瓷的表面的粗糙度很大，也就是它的表面有很多微小的坑坑洼洼，在這種情況下，當(dāng)光源入射到陶瓷表面的時候就會發(fā)生漫反射，陶瓷表面的粗糙度越小，陶瓷的透光性也就會變得優(yōu)良。