CN102025093A - 簇体激光 - Google Patents

Abstract

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。

Description

簇体激光

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(Cluster Laser)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

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(W.Heisenberg)“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(MaxBorn)“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(P_X、P_Y、P_Z)、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”(light amplification 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∞)≥n，都为自然数。∑是n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v；且v＝1/T。

定义：漂振荡的角频率(angular Frequency)ω，与频率v或周期T关系为：ω＝2πv＝2π/T。

定义：漂振荡在开始(时间t＝0)时漂变量x与漂振幅A之比的反余弦arccos(x/A)，称为初相θ。

定义：初相θ与漂振荡角频率乘以时间ωt之和(θ+ωt)，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x＝Asin(θ+ωt)和/或x＝Acos(θ+ωt)

上式漂振幅A与初相θ均为常数。，(θ+ωt)为相位。假设两个相同角频率的漂简谐漂值分别为：

x₁＝A₁cos(θ₁+ωt)；x₂＝A₂cos(θ₂+ωt)；相位差Δθ＝(θ₂+ωt)-(θ₁+ωt)＝θ₂-θ₁

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2π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λ。

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|N|＝1/|λ|。

定义：漂动的角漂数矢量k＝2πN＝(2π/λ)N₀        (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×漂动周期T。

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v的2π倍。即角频率ω＝2πv＝2π/T。

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/T。

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v)或静止(v＝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v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v和漂长λ的光子在真空域速为C，则在折射率为n介质中域速v_n＝C/n、漂长λ_n＝λ/n。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v的漂域中的漂动，在时间Δt内经过真空的几何路程L＝v·Δt，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)＝Asin(φ+ωt-k·r)和/或A cos(φ+ωt-k·r)①漂腹A与φ为常数；(φ+ωt-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：匀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ψ₁₂(或ψ₂₁)是各个漂振荡ψ₁和ψ₂在该点漂振值的矢量和。

ψ₁₂(r，t)＝ψ₂₁(r，t)＝ψ₁(r，t)+ψ₂(r，t)，|ψ₁₂|²＝|ψ₁+ψ₂|²＝|ψ₁|²+|ψ₂|²+ψ^* ₁·ψ₂+ψ^* ₂·ψ₁

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10³米的电磁漂动，到漂长小于10^-12米的γ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n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)＝Ξ₀cos(ωt-k·r)和/或Ξ₀sin(ωt-k·r)。

定义：若干个漂振幅分别为Ξ_0n的具有相同相位(k·r-ωt)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Ξ_0n和相位都为(k·r-ωt)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)＝∑Ξ_n(r，t)＝∑Ξ_0ncos(k·r-ωt)和/或∑Ξ_0nsin(k·r-ωt)，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∑Ξ_0n(正数)。

正交漂动的余弦和/或正弦，与

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z(可以只对应其中的单独实部或虚部)形式为：

$z(r,t)=\mathrm{\Σ}{\mathrm{\Ξ}}_{0n}{e}^{i_{(k\·r-\mathrm{\ωt})}}=\mathrm{\Σ}{\mathrm{\Ξ}}_{0n}\left\{\cos \right[(k\·r-\mathrm{\ωt})]+i\sin [(k\·r-\mathrm{\ωt})\left]\right\}=\mathrm{\Σ}{\mathrm{\Ξ}}_n(r,t)=\mathrm{\Ξ}(r,t)$ ②

∴ $\mathrm{\Σ}{\mathrm{\Ξ}}_{0n}\left\{\cos \right[(k\·r-\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})]+i\sin [(k\·r-\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})\left]\right\}=\mathrm{\Σ}{\mathrm{\Ξ}}_{0n}{e}^{i_{(k\·r-\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})}}=\mathrm{\Σ}{e}^{i_{\mathrm{\φ}}}{\mathrm{\Ξ}}_{0n}{e}^{i_{(k\·r-\mathrm{\ωt})}}$

体粒位置r、时间t与速度相关，质量与物理量(时间、空间、动量、角动量、能量、粒子数等)相关。体粒的物理量W处于正交漂动状态，时间t位置r处具有与其中各个分漂动状态相对应的一系列分立量值。

定义：每个体粒的物理量W在时间t位置r只能出现一系列分立的物理量值W_n(r，t)中，有且只有一个是与特定漂动相对应的物理量值

称为物理量W在该漂动分立量度

简称量度

定义：在时刻t位置r处的单位体积内量度

的概率，称为量度

概率密度ρ(r，t)。

定义：量度

概率密度ρ(r，t)的方根，称为量度方根密度ζ。其正负号与该处漂振值相同。

即[±ζ(r，t)]²＝ρ(r，t)。量度

和量度方根密度ζ(r，t)都是单值、连续、有限函数。

定义：在时刻t位置r处单位时间通过垂直运动方向的单位面积的同类体粒能量，称为该处漂强Q。

每个同类体粒都携带相同能量，漂强与体粒数量成正比。即某点漂强与体粒在该处出现的概率成正比。

以下dτ为积分元素dxdydz，积分号为三重积分，积分范围为漂域Ω(或无限空间)。|A|为A绝对值。

定义：若正交漂动Ξ对漂域Ω：

∑Ξ_0n称为单位漂腹(正数)。

定义：正交漂动

与合成漂腹∑Ξ_0n比值，称为漂矢ψ(r，t)。

定义：第n个正交漂动

与合成漂腹∑Ξ_0n的比值，称为第n漂矢ψ_n(r，t)。

令ψ₀(r，t)＝∑Ξ_0n/∑Ξ_0n＝1，称为单位矢腹。令ψ_0n(r，t)＝Ξ_0n/∑Ξ_0n，称为第n矢腹(正数)。

矢腹(正数)和漂矢(实数)是无量纲的。漂矢

∵ ${\∫}_{\mathrm{\Ω}}{\left|\mathrm{\φ}(r,t)\right|}^2\mathrm{d\τ}={\∫}_{\mathrm{\Ω}}{[\mathrm{\Σ}{\mathrm{\Ξ}}_{0n}{e}^{i_{(k\·r-\mathrm{\ω\ωt})}}/\mathrm{\Σ}{\mathrm{\Ξ}}_{0n}]}^2\mathrm{d\τ}=1;{\∫}_{\mathrm{\Ω}}\mathrm{\ρ}(r,t)\mathrm{d\τ}={\∫}_{\mathrm{\Ω}}{\left|\mathrm{\ξ}\right|}^2\mathrm{d\τ}=1;\stackrel{.}{..}\mathrm{\φ}=\mathrm{\ξ}$

物质漂动第一定律：时间t和位置r处能量E和动量P的体粒，伴随漂腹为单位漂腹、相位(k·r-ωt)与(P·r-Et)成正比的正交漂动Ξ(r，t)的漂域Ω；其中漂矢ψ(r，t)是量度

方根密度ζ(r，t)。

定律中比例系数记为b，称为漂动常量。实验测得漂动常量b＝0.948252×10³⁴秒/(千克·平方米)。

从物质漂动第一定律可得：ψ(r，t)＝ζ(r，t)；(k·r-ωt)＝b(P·r-Et)＝2π(N·r-vt)③从②式正交漂动

和/或∑Ξ_0nsin[b(P·r-Et)]。

从③式得：漂动的角漂数或漂数与动量关系：k＝b P＝2πN；角频率或频率与能量关系：ω＝b E＝2πv。

普朗克“能量子”假设、“光子能量E＝hv”爱因斯坦假设和德布罗意公式的假设，都只是上式的特例。电子是伴随有漂域并具有能量、动量k/b和静质量的体粒；光是伴随有电磁漂域并具有能量ω/b的体粒。

在时间t时，一个体粒所处位置r是一种量度。从物质漂动第一定律和量度方根密度的定义可得总概率。

$\underset{.}{..}{\mathrm{\φ}}_0(r,t)=1=\mathrm{\Σ}{\mathrm{\φ}}_{0n};\stackrel{.}{..}{\∫}_{\mathrm{\Ω}}\mathrm{\ρ}(r,t)\mathrm{d\τ}={\∫}_{\mathrm{\Ω}}{\mathrm{\ξ}}^1\mathrm{d\τ}={\∫}_{\mathrm{\Ω}}{\left|\mathrm{\Σ}{\mathrm{\φ}}_n(r,t)\right|}^2\mathrm{d\τ}={\∫}_{\mathrm{\Ω}}{\left|\mathrm{\Σ}{\mathrm{\φ}}_{0n}{e}^{i_{(k\·r-\mathrm{\ωt})}}\right|}^2\mathrm{d\τ}=1.$

结论：空间中体粒出现的概率总和等于1。同理可得：空间中任一物理量的量度出现的概率总和等于1。

J个体粒系统的漂动J∑Ξ_n(r，t)；系统漂矢

波恩认为“物质波强度与粒子出现的概率成正比；物质波是没有物理意义的概率波”的假设是错误的。

两个同类体粒处于同一物理状态，漂动值Ξ(r，t)或者不变，或者只改变正负号。前者称为对称漂动，后者称为反对称漂动。故相同状态的同类体粒，漂域只能具有对称或反对称的漂动；其类型根据实验确定。

自然界存在两种类型体粒：自旋为(2b)^-1的奇数倍的费米子(fermion)和自旋为零或(2b)^-1的整数倍的玻色子(boson)。两个费米子组成体系的漂动是反对称的；两个波色子组成体系的漂动是对称的。

实验表明：电子、质子、中子等为费米子；π介子、光子、α粒子等为玻色子。若两个费米子占有完全相同状态：Ξ(r，t)＝-Ξ(r，t)；得Ξ(r，t)＝0，是不允许的。同理2n、2n+1个费米子也不允许。

推论5：一个系统中两个或以上费米子不能占有完全相同的状态；若干个玻色子可占有完全相同状态。

泡利(Pauli)电子不相容原理是推论5中费米子的特例。它不应当是原理，而是推论5中的一种特例。

漂域中的漂矢ψ(r，t)的共轭复变函数ψ^*(r，t)，是定义于自变量r和t的单值有限连续的复变函数。

从物质漂动第一定律、期望值(expectation value)已知的定义，量度

的期望值

(实数)为：

$<\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{W}>={\&Integral;}_{\mathrm{\&Omega;}}\mathrm{\&rho;}(r,t)\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{W}(r,t)\mathrm{d\&tau;}={\&Integral;}_{\mathrm{\&Omega;}}{\left|\mathrm{\&xi;}\right|}^2\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{W}(r,t)\mathrm{d\&tau;}={\&Integral;}_{\mathrm{\&Omega;}}{\left|\mathrm{\&phi;}(r,t)\right|}^2\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{W}(r,t)\mathrm{d\&tau;}$

$={\&Integral;}_{\mathrm{\&Omega;}}{\mathrm{\&phi;}}^{*}(r,t)\mathrm{\&phi;}(r,t)\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{W}(r,t)\mathrm{d\&tau;}={\&Integral;}_{\mathrm{\&Omega;}}{\mathrm{\&phi;}}^{*}(r,t)\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{W}(r,t)\mathrm{\&phi;}(r,t)\mathrm{d\&tau;}$ ④

定义：具有顺序的数学指令串从后向前依次运算于函数F(r，t)的结果，与该函数F乘物理量G的量度函数

相同，则指令串

称为G的算符(operator)。即

物理量W的量度

和算符

皆运算于漂矢ψ可得：

算符

可以为单个数学运算指令，也可以为若干个有顺序的数学运算指令。从④式和⑤式可得：

$<\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{W}>={\&Integral;}_{\mathrm{\&Omega;}}{\mathrm{\&phi;}}^{*}(r,t)\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{W}(r,t)\mathrm{\&phi;}(r,t)\mathrm{d\&tau;}={\&Integral;}_{\mathrm{\&Omega;}}{\mathrm{\&phi;}}^{*}(r,t)\hat{W}\mathrm{\&phi;}(r,t)\mathrm{d\&tau;}$ ⑥

推论6：物理量W对应于算符

物理量W量度

的期望值

定义：算符

对任意函数f(x)、g(x)符合

则

称为线性算符(linear operator)。各个显现的物理量W，量度

和算符

对任意f(x)、g(x)符合：

$\hat{W}[f\left(x\right)+g\left(x\right)]=\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{W}[f\left(x\right)+g\left(x\right)]=\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{W}f\left(x\right)+\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{W}g\left(x\right)=\hat{W}f\left(x\right)+\hat{W}g\left(x\right)$

位置r的量度及其算符

满足：故

同理：时间t的算符

任一个漂动的漂矢ψ(r，t)可由若于个简谐漂动的漂矢

组合：

(ψ_n为第n漂矢，ψ_0n为第n矢腹)⑦

设体粒的动量P的三个分量的线性算符为

动量P在位置r处的x轴分量为Px，上式为：

$\mathrm{\&phi;}(x,t)=\mathrm{\&Sigma;}{\mathrm{\&phi;}}_{0n}{e}^{-i_{(\mathrm{Et}-\mathrm{Px}\&CenterDot;x)b}}$ ⑧

从⑧式可得： $\&PartialD;\mathrm{\&phi;}(x,t)/\&PartialD;x=\&PartialD;\mathrm{\&Sigma;}{\mathrm{\&phi;}}_{0n}{e}^{-i_{(\mathrm{Et}-\mathrm{Px}\&CenterDot;x)b}}/\&PartialD;x=\left[\mathrm{ibPx}(x,t)\right]\mathrm{\&Sigma;}\left[{\mathrm{\&phi;}}_{0n}{e}^{-i_{(\mathrm{Et}-\mathrm{Px}\&CenterDot;x)b}}\right]$

即 $(-i/b)\&PartialD;\mathrm{\&phi;}(x,t)/\&PartialD;x=\mathrm{Px}(x,t)\left[\mathrm{\&Sigma;}{\mathrm{\&phi;}}_{0n}{e}^{-i_{(\mathrm{Et}-\mathrm{Px}\&CenterDot;x)b}}\right]$ ⑨

故动量P的x轴分量Px的算符

漂数的算符

同理：P的y轴分量Py的算符

P的z轴分量pz的算符

动量算符为 $p=\mathrm{ipx}+\mathrm{jpy}+\mathrm{kpz}=(-i/b)(i\&PartialD;/\&PartialD;x+j\&PartialD;/\&PartialD;y+k\&PartialD;/\&PartialD;z)=(-i/b)\&dtri;$ ⑩

从⑨式：

故P²的算符

称为Laplacian算符。动能为P·P/(2m)；其算符：

从⑦式得能量E算符

即故能量E的算符

从时间、坐标和动量的算符可得漂长、漂数、角动量、哈密顿(Hermitian)函数等所有算符公式。哈密顿函数H为P²/(2m)与势能U之和。U算符为

哈密顿算符

推论7：每个能够呈现的物理量W皆对应于一个线性算符

定义：在一个系统中运动体粒的能量不随时间而变化的状态，称为定态。其对应漂矢，称为定态漂矢。

J个不同能量E_n的定态漂动中，各个物理量W_n对应于相应的定态正交漂矢ψ_n(r)；(n为1、2···J)。

设

为物理量W_n(r)量度函数，对应线性算符为

根据物质漂动第一定律和算符定义有：

∫Ωψ^* _n(r)ψ_n(r)dτ＝1，量度

上式的充分和必要条件为：

定义：具有

的方程式，称为特征方程式(eigen equation)。其中函数ψ_n(r)称为算符

的特征函数(eigenfunction)，其对应的量度值

称为该特征方程式的特征值(eigenvalue)。

推论8：对应于线性算符的量度

必定为特征方程式

的特征值

定义：凡是满足关系：

的算符

称为哈密顿算符。

物理量(如动量、能量、角动量等)的量度及其算符满足：

$<\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{W}(r,t)>={\&Integral;}_{\mathrm{\&Omega;}}{\mathrm{\&phi;}}^{*}(r,t)\hat{W}\mathrm{\&phi;}(r,t)\mathrm{d\&tau;}={{\&Integral;}_{-\&infin;}}^{\&infin;}{\mathrm{\&phi;}}^{*}(r,t)\hat{W}(r,t)\mathrm{d\&tau;};$

${\&Integral;}_{\mathrm{\&Omega;}}{\mathrm{\&phi;}}^{*}\mathrm{\&phi;}\hat{W}*\mathrm{d\&tau;}=<\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{W}(r,t)>*={\&Integral;}_{\mathrm{\&Omega;}}\left({\mathrm{\&phi;}}^{*}(r,t)\hat{W}\mathrm{\&phi;}(r,t)\right)*\mathrm{d\&tau;}={{\&Integral;}_{-\&infin;}}^{\&infin;}(r,t)\hat{W}*{\mathrm{\&phi;}}^{*}(r,t)\mathrm{d\&tau;}$

∵量度 $<\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{W}>=<\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{W}>*$ ∴ ${{\&Integral;}_{-\&infin;}}^{\&infin;}{\mathrm{\&phi;}}^{*}(r,t)\hat{W}\mathrm{\&phi;}(r,t)\mathrm{d\&tau;}={{\&Integral;}_{-\&infin;}}^{\&infin;}(r,t)\hat{W}*{\mathrm{\&phi;}}^{*}(r,t)\mathrm{d\&tau;}$

推论9：物理量W的量度

所对应的线性算符

必定为线性的哈密顿算符。

定义：若称

为共轭算符。一个算符与其共轭算符相等，称为自共轭。

定义：算符

对任意函数f(x)符合

则称

相乘或相作用。

定义：量度构成的差值

称为互相共轭量度

之差，简称度差

定义：算符

构成的差值

称为互相共轭算符

之差，简称算差设量度为

的算符为

从⑤式得：

$\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{W}(r,t)\mathrm{\&phi;}=\hat{W}\mathrm{\&phi;};\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{Y}(r,t)\mathrm{\&phi;}=\hat{Y}\mathrm{\&phi;}.$

${\left[\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{Y}(r,t)\mathrm{\&phi;}(r,t)\right]}^{*}\&CenterDot;\left[\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{W}(r,t)\mathrm{\&phi;}(r,t)\right]={\mathrm{\&phi;}}^{*}{\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{Y}}^{*}(r,t)\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{W}(r,t)\mathrm{\&phi;}={\left[\hat{Y}\mathrm{\&phi;}\right]}^{*}\left[\hat{W}\mathrm{\&phi;}\right]={\mathrm{\&phi;}}^{*}\left({\hat{Y}}^{*}\hat{W}\right)\mathrm{\&phi;}.$

${\left[\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{W}(r,t)\mathrm{\&phi;}(r,t)\right]}^{*}\&CenterDot;\left[\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{Y}(r,t)\mathrm{\&phi;}(r,t)\right]={\mathrm{\&phi;}}^{*}{\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{W}}^{*}(r,t)\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{Y}(r,t)\mathrm{\&phi;}={\mathrm{\&phi;}}^{*}\left({\hat{W}}^{*}\hat{Y}\right)\mathrm{\&phi;}.$

且

若

则

若

(或-i/b)时；则

或-i/b。

推论10：任意两个量度

及其算符

其度差

和算差

都相等。若

则

物理量W可精确测量。若

或-i/b，则度差

或-i/b。分别为物理量算符；哈密顿算符：

设

上两式代入Schwarz不等式：(∫_-∞ ^∞ψ_m ^*ψ_mdτ)·(∫_-∞ ^∞ψ_n ^*ψ_ndτ)≥[∫_-∞ ^∞ψ_m ^*ψ_ndτ+∫_-∞ ^∞ψ_n ^*ψ_mdτ]²/4

若

(或-i/b)；得

海森伯“测不准原理”表明空虚空间里有无限能量；与能量守恒定律和广义相对论都矛盾；是错的。

设基漂ψ₁(n＝1)的能量为E₁；若n＞1，则正交漂矢具有分立的能量E_n；它们为特征函数的特征值。

设ψ(r)定态漂动分别为ψ_m(r)、ψ_n(r)；从式：

令ψ_0m、ψ_0n为ψ_m(r)、ψ_n(r)漂腹；

∴

推论11：任一个算符的一系列特征函数的漂腹皆为单位漂腹，并且特征函数彼此正交(orthogonal)。

推论12：相对于观察者运动的漂域有多普勒(C.J.Doppler)效应。光子会产生光压；具有光电效应。

运动的体粒碰到障碍物时被反射，反射前的动量和反射后的动量在碰撞面的法线上的方向是相反的。根据公式②，定态的正交漂动的相位突变π。它称为漂动的半漂损失。光子具有动质量m＝ω/(bC²)。

推论13：定态漂动被反射时，发生π相位突变(半漂损失)。体粒具有康普顿(A.H.Compton)效应。

原子中电子漂域占据离核的半径r、厚度dr的薄球面层。固定能量的电子占据薄球面层，称为球壳层。壳层里运动电子不发射或吸收光子。当电子从一个壳层跃迁到另一壳层时，发射或吸收它们能量差的光子。

光子携带1份与其漂域的频率和漂数成正比的能量E＝ω/b(或2πv/b)和动量P＝k/b(或2πN/b)。

运动光源发射带有漂域的光子，光子及其漂域在脱离光源之后立即以光速C在真空中运动；运动接收器接收光子之前；两者都与光子速度无关。

光速不变定理：在真空中光速与光源速度或接收器的速度无关。

量度的期望值是物理量在系统中的平均值；应满足质量数、电荷、动量、角动量和能量的守恒定律。

物质漂动第二定律：系统各个量度

对漂域Ω的期望值遵守动量守恒定律、角动量守恒定律、质量-能量守恒定律、质量数-核子数守恒定律、电荷守恒定律；系统中能量越低越稳定，存在最低能态。

设动量为P的体粒，在势能为U(r，t)的势场中运动；体粒的动能为E_k；其总能量为E；则

E＝E_k+U(r，t)＝P²/2m+U(r，t)；设E的量度为

P²的量度为

；U的量度为

从物质漂动第二定律：

设E、P、U的算符为

从上式和⑥式得：

(期望值的能量守恒方程式)

上式的充分和必要条件是： $\hat{E}\mathrm{\&phi;}(r,t)=P^2\mathrm{\&phi;}(r,t)/\left(2m\right)+\hat{U}\mathrm{\&phi;}(r,t)$

将⑩式和式代入上式：

上式称为非相对论一般漂动方程。它是物质漂动的基本方程，可解决各种物质结构和漂动等问题。

Wave equation：

是拼凑出来的假设；只适用于势场U(r，t)＝势场算符

的情况。的一般波动方程是错误的。

量子力学认为波函数只是在哪段过程中由波动方程来确定；至于何时发生波包的縮编，以及縮编到什么本征态，都取决于实验者的安排和选择；这就造成区分主观与客观的困难性和任意性。

漂动常量b的值很大，故宏观物体伴随的漂长都非常短；可不考虑漂动。漂动学可转化为经典物理学。

相对性原理：在一切惯性坐标系中，物理学的各种现象和规律都是相同的。

将物质漂动第一和第二定律、相对性原理、光速不变定理相结合，可推导出以下相对论普遍漂动方程。

设体粒动量为P、动量算符为

算符σ本征值为+1或-1；定义体粒螺旋性则光速为c、质量为m、能量为E的自由体粒的相对论的能量动量关系(E/c，P)：E²/c²-P·P＝m₀ ²c²；自由体粒的相对论漂动方程为：

其中对于n个体粒的系统，ψ(r，t)是n个正交漂矢分量的组合矩阵，共有n²个分量；σ与β分别是n²×n²的Dirac矩阵。

有势场U的相对论一般漂动方程为： $(i/b)\&PartialD;\mathrm{\&phi;}(r,t)/\&PartialD;t=(\mathrm{c\&sigma;}\&CenterDot;P+\mathrm{\&beta;}{m_0}^2{c}^2)\mathrm{\&phi;}(r,t)+\hat{U}\mathrm{\&phi;}(r,t).$

利用相对论漂动方程研究原子的能量分布、电子的自旋、磁矩和高速运动电子的性质等都与实验相符。该方程有两个解：在一个解中体粒的能量总是正的，称为实体粒(或正粒子)；另一个解中体粒的能量总是负的而且存在无穷多负能级，称为虚体粒(或反粒子)。虚体粒与同类的实体粒的质量相同，电荷相反；且各种物理量分布是完全对称的。实体粒构成通常实物质。虚体粒构成虚物质。虚体粒可用同类实体粒湮灭。

有势场U的Dirac相对论方程：

基于薛定格方程，只适用势场U(r，t)＝势场算符情况。故上式Dirac相对论一般波动方程是错误的。

物质漂动第三定律：虚体粒与同类的实体粒的质量相同，能量和电荷相反；虚体粒系统能量的绝对值越低越稳定，能量的绝对值有最低态；虚体粒系统遵循的物理规律和定律，与相应的实体粒系统完全相同。

粒子本身也是一种物理量的量度，同样可以将其变换成粒子的算符，从而解释粒子的产生和湮灭。

定义：原子核外各个球壳层里的电子具有确定能量，称为能级。其中能级最低的球壳层状态，叫基态。比基态的能级更高的球壳层状态，称为激发态。寿命比较长的激发态，称为亚稳态。

每种原子有一系列的与不同定态对应的能级。当电子从一个能级变换到另一个能级时，称为电子跃迁。原子中电子受光子的漂动角频率ω＝b(E₂-E₁)作用，低能级E₁的电子吸收光子会跃迁到高能级E₂，称为受激吸收跃迁；高能级E₂的电子跃迁到低能级E₁并释放出漂动角频率ω＝b(E₂-E₁)的光子，称为自发辐射跃迁；高能级E₂的电子受光子漂动角频率ω的作用，跃迁到低能级E₁并释放出与作用光子漂动角频率ω＝b(E₂-E₁)、相位、运动方向都相同而且数量增加的全同光子，称为受激辐射跃迁。

定义：一类体粒的状态能级差与具有该能级差的另一类体粒互相之间能量转移的现象，称为漂共振。

定义：漂共振作用下若干个体粒的能量互相结合或分离的过程，称为体粒吸收或释放另一种体粒能量。

定义：漂域(如电磁漂)具有相同相位差、漂腹、运动方向的若干个体粒(如光子)，称为相干体粒。

定义：原子受激辐射跃迁过程中所产生的数量被增加的相干光子(一种相干体粒)，称为激光。

以上《漂动学》是以“物质漂动三个定律”为基础的物质结构和力学新理论。以下为《簇体学》理论。

定义：在物体中的尺寸，纳米尺度是指0.1-100纳米之间的尺寸；小尺度是指微米级(0.1-100微米)尺寸或者比其所在的物体的尺寸小得多的尺寸范围。大尺度是指100微米以上的尺寸或大物体尺寸。

定义：与物体中超微颗粒所占空间的体积相等的圆球直径，称为该颗粒的等同直径。

定义：具有特定化学性质的或者在化学变化中不可再分的最小物质结构颗粒，称为最小的物理和化学的物质颗粒，简称物粒。物粒是多种多样的：原子(如金属)、离子(如盐类)、分子(如水)、高分子等。

定义：两个或两个以上的物粒通过它们互相作用力能够凝聚在一起的等同直径基本在纳米尺度内的物质超微结构颗粒集团或颗粒团簇，称为物质纳米尺度颗粒，简称纳粒。此处的超微结构颗粒集团是指具有一定功能的分子团；颗粒团簇一般是指以化学键以外的分子间的互相作用力而连接的具有特定功能的多个物粒所组成的聚集体或组装体。即纳粒是由多个分子、离子或原子等组成的聚集体(如陶瓷、有机分子、橡胶等)或组装体(如脱氧核糖核酸DNA、核糖核酸RNA、分子团、原子的激发态、过渡态、吸附态等)。

定义：在物体中物粒的重心或物粒的物理拓扑结构的等同点，称为物粒的结点，简称为物点。

定义：在物体中纳粒的重心或纳粒的物理拓扑结构的等同点，称为纳粒的结点，简称为纳点。

定义：物点或纳点按照一定的规律有规则地周期性地重复排列所形成的三维空间阵列，称为空间点阵。

定义：物粒和纳粒，统称为构粒。物粒的物点和纳粒的纳点，统称为空间点阵的构粒结点，简称构点。

定义：将空间点阵中的构点用直线段连接所形成的有规则地周期性重复排列的各种平面，称为纳面。

定义：两个纳面之间的夹角，称为纳面角。两个纳面相交的直线，称为纳棱。

定义：在某些物质中通过构点可以作许多平行于纳棱的线段族，称为钠线。

定义：某些物体中由相邻纳面组成的具有周期性排列的确定的立体网格，称为序格。

定义：物体或纳粒中两个相邻物粒的物点之间的距离，或者两个相邻纳粒界面之间的两个相邻物点之间的距离，都称为该两个物点之间的本体距离，简称本体距离。它实质是该物粒所占空间的平均直径。

定义：没有任何一维大尺度线条(直线段或曲线段)所有本体距离都在纳米尺度内的物体，称为矿体。

定义：至少有一维大尺度线条(直线段或曲线段)上所有本体距离都在纳米尺度内的物体，称为簇体。

簇体与矿体只是空间点阵结构中缺陷数量和分布的不同；簇体不是“第三态固体材料”。

“簇体是至少有一维大尺度线条上所有的本体距离都在纳米尺度内的物体”，与现有的“纳米材料是至少有一维处于纳米尺度内，或由纳米单元构成的材料”的定义不同，分别表达不同的物质结构和物体性质。

定义：至少有一维线条(直线段或曲线段)上所有的本体距离都在纳米尺度内的物体颗粒，称为簇粒。

定义：当且仅当超微颗粒上三维线性无关的物粒的本体距离都在纳米尺度内的小尺度簇体，称为簇点。

定义：无数个簇点的集合物，称为簇体粉。它是零维簇体。

定义：当且仅当一维大尺度线条(直线段或曲线段)所有本体距离都在纳米尺度内的簇体，称为簇线。

定义：同一个棒状簇体中的许多条方向基本相同的簇线的集合体，称为簇体丝。它是一维簇体。

定义：当且仅当大尺度面(平面段或曲面段)的二维线性无关线条上所有的本体距离都在纳米尺度内的簇体，称为簇面。同一个薄膜中的许多个方向基本相同的簇面的集合体，称为簇体膜。它是二维簇体。

定义：当且仅当大尺度空间的三维线性无关线条上所有本体距离都在纳米尺度内的簇体，称为簇体块。

簇体的特点是无论物点是有序或无序的排列，“至少有一维大尺度线条所有本体距离都是属于纳米尺度内的”。纳米材料“超微颗粒本身的微小尺寸”的定义与矿体的定义并无本质的不同。它们与簇体定义不同。

固体可分为矿体和簇体两个大类。矿体可分为晶体和非晶体两类。簇体可分为序体和非序体两类。

某些簇体的空间点阵结构，可由构点沿3个线性无关的钠线方向，各按一定的距离周期性地平移而构成。每一次平移的距离，称为该方向上的钠线周期。不同方向上的钠线周期一般是不相同的。某些簇体的三维序格都能以某个适当的平行六面体作为基本单元，沿空间的线性无关的3个方向作周期性的堆砌而获得。这种周期性重复的基本单元，称为纳元。

纳元选取是任意的；有实际意义选法有两种。一种是其中能够具有最小周期性重复的纳元，称为原胞(cell)。它包含的构粒(包括原子、离子、分子)是最少的。原胞中只包含一种原子(或离子)的序格，称为简式序格；包含一种以上原子(或离子)的序格，称为复式序格。另一种是能够最大限度反映簇体结构本体的最小独立纳元，称为纳胞(Nano cell)。它各个边的长度称为序格常数；三个边长及其夹角，为纳胞参数。纳胞是从序格中选取的一个能够完全反映序格本体的最小几何单元。

定义：序格是由纳胞周期性重复排列所形成的长程有序的簇体，称为单纯长程有序簇体，简称单序体。

定义：序格是由纳胞周期性重复排列所形成的短程有序的小簇体，称为短程有序的簇粒，简称序粒。

定义：由许多无规则地杂乱排列的序粒组成的簇体，称为多序粒的簇体，简称多序体。

单序体和多序体，统称序体。

定义：由许多无规则地杂乱排列的物粒或者簇粒组成的无序的簇体，称为非序的簇体，简称非序体。

晶体(或非晶体)与序体(或非序体)的区别是：晶体(或非晶体)结构中存在小尺度的各种裂隙或缺陷，使得晶体(或非晶体)中不存在它具有的任何大尺度线条上的所有的本体距离都小于100纳米。

定义：簇体的比表面积激剧增加使其性质发生明显变化的效应，称为簇体表面效应(surface effect)。

定义：构粒漂动使簇体呈现出的光、电、热、磁特性，称为簇体量子效应(quantum dimension effect)。

定义：簇体中出现与体粒漂动隧道效应相似的宏观隧道效应，称为簇体隧道效应(tunneling effect)。

定义：簇体表现出独特的光、电、磁、力和化学特性，称为簇体小尺寸效应(small dimension effect)。

簇体很多奇特性质是这几种效应共同联合作用结果。它具有矿体所不具有的物理、化学、生物等性能。

设E1为簇体基态(能量最低)；E₂和E₃为激发态(能量较高)。设E₂为亚稳态。能源将基态E₁上的电子抽运到激发态E₃上，因而E₁上的电子数减少。由于E₃态的电子寿命很短，电子与光子碰撞很快地以无辐射跃迁的方式转移到亚稳态E₂上。由于E₂寿命长，其上就积累了大量高能态的电子。即亚稳态E₂的粒子数N₂不断增加，导致N₂大于基态E₁上的粒子数N₁，实现亚稳态与基态之间粒子数的反转(图2)。

若簇体亚稳态的基态能级为E₀；粒子数反转的下能级E₁(E₁＞E₀)不在基态，而在激发态。由于激发态E₁的粒子数本来很少，只要亚稳态E₂上稍有粒子积累，就较容易实现E₁和E₂之间粒子数反转(图3)。

定义：能形成粒子数反转的发光簇体，称为激活簇体。对激活簇体进行激励能量的装置，称为泵簇源。

定义：研究和阐述由激活簇体作为激光工作物质的内在本质和客观规律的科学，称为簇体激光学。

定义：将簇体激光学的原理和规律应用于各行各业的技术，称为簇体激光技术。

定义：采用激活簇体作为激光工作物质的激光器，称为簇体激光器。由其实现的激光，称为簇体激光。

定义：由两种或两种以上的物理性质或化学性质不同的物质组合而成的多相簇体，称为复合簇体。

复合可以是无机与无机、有机与有机、有机与无机、序体态与非序体态等的复合。

簇体激光生成的必要条件：能产生足够的粒子数反转的激活簇体；由光学谐振腔建立光子的稳定漂域。

粒子数反转必须有内部因素亚稳态和外部因素泵簇源。谐振腔电子输运必定是循环往返的非平衡过程。

一种簇体的亚稳态可能有几对特定能级间的粒子数反转，相应地会发出几种漂长的激光。

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。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。

处于激发态的簇体原子是不稳定的，平均寿命在10^-11s～10^-8s之间。但有些簇体的原子存在着比一般激发态稳定得多的能级，其平均寿命可达10^-3s～1s的数量级，称为簇体亚稳态。

簇体只有在亚稳态，才可能实现粒子数反转；其引起的受激辐射的光子能够被释放。辐射光子的相位、偏振方向、运动方向等都是杂乱无章的。这些光子的数量放大后的受激辐射，总体上是随机的、无规则的。

能够分别反射和穿过一部分光线的半镀银的镜片，称为光束分裂器(beam splitter)。单个光子射向半镀银的镜片时，该单个光子的漂动分为两部分：一部分穿过镜片；另一部分被镜片反射。由这两部分的合成漂动确定：每个特定光子是穿过镜片的路径或是被反射的路径。但每个光子只能选择这两种路径之一；单个光子不能同时进行穿过镜片的路径和反射的路径。量子力学无法合理解释任何体粒都存在的这种现象。

若选取有固定传播方向和固定频率的一种光子进行数量放大并抑制和丢弃其他种类的光子，就可以获得具有方向性和单色性的强光(激光)。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(图9)。这两个反射镜面可以是平面，也可以是凹球面，或一平一凹。显然它能够选取一定相位、偏振方向和轴向运动方向的光子，并对其增加数量。这些数量增加的光子透过半反射镜，获得具有方向性和单色性的激光。

泵簇源使谐振腔内激活簇体中原子的电子在漂共振作用下不断吸收光子，保持激活簇体的粒子数反转。

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(图9)，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(图9)：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(LED)等其他光源。

激光器产生激光所需要的最低输入能量，称为阀值。簇体激光器的阀值一般比矿体激光器的低。只有激活簇体实际增益G大于光学谐振腔的阀值增益Gm，光子在光学谐振腔内来回运动的过程中才能不断增加。

簇体激光器的实际增益G取决于激励能源的强弱和激活簇体的状态。总之簇体激光器中光能的损耗，对激活簇体的增益有一个最低的要求。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。簇体激光采用激活簇体(包括气态和液态)作为激活介质，比现有激光器采用激活矿体作为激活介质，可以大大减少光子在激活介质中的散射损耗，提高簇体激光器的效益。

激活簇体的小尺寸效应，可以将光子限制在少数几个状态上。在簇体中电子处于分立的能级，其漂动性带来了一系列特殊性质，如高的光学非线性。激活簇体中由于构粒的本体距离与光子的漂域的漂长、电子的漂域的漂长相当或更小，导致光、电、磁等特性出现异常。如受激辐射效率显著增加；光子受到约束，直到所产生的光子累积起足够多的能量形成更强大激光。结果是簇体激光器能达到极高的工作效率，而能量阀值则很低。激活簇体的大小和形状能够有效控制簇体激光器发射出的光子的行为，从而决定它的性能。

簇体激光器工作时只需要100微安的电流。如果将激活簇体縮小到0.1立方微米体积内，在此结构的光子状态数少于8个，接近了无能量运行所要求的条件，但光子数目还没有减少到这个极限上。进一步减少激活簇体的体积，可把被激发的簇体原子发射的光子一个一个地送入谐振腔中来回往返，效率极高。无能量阀值的簇体激光器的运行速度极快。它只需要极少的能量就可以发射激光。它能够以快于200亿次的速度控制开关，适合于光纤通信、机械加工、全息照相、激光医疗等领域。

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(DPSS)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，施加一定力压时，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T_m，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変速转动；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匀。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匀。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匀的序体。

簇体激光材料基本生成技术：在熔炉中期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(范围一般为10²kPa～10⁸kPa)条件下，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，将浸入该种材料的溶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；比现有的热退火质量好，费用低。

现有矿体中相邻颗粒的距离不是处处足够小，没有粒子性效应，故矿体作为激光的激活介质材料比簇体作为激光的激活介质，效果差。矿体的电荷数和能量是连续的。簇体的电荷数和能量是分立的。

由于序体中长程有序的周期性重复的结构；各种序体有其共性，例如均匀性、各向异性、对称性和固定的熔点等。各种序体结构多样性和组成的千变万化，决定了该序体的各种各样的具体特性。

簇体激光器根据光子输出方式的不同，可分为连续簇体激光器和脉冲簇体激光器(峰值功率可很大)。按激活簇体的颗粒状态又可分为分子簇体激光器、准分子簇体激光器、原子簇体激光器、离子簇体激光器。

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(图9)。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，例如钕玻璃非序体的激活离子是钕离子，簇体基质材料是无色透明的光学玻璃非序体。

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。

固态激活簇体可采用：掺有铬的红宝石(氧化铝)单序体、掺有钕的玻璃非序体、或氟化钙(CaF₂)序体、或钨酸钙(CaWO₄)序体、或钇铝石榴石(YAG)等许多类型的簇体；还有掺钛或铒的氟化钙、掺镱的玻璃非序体等。能实现激光振荡的矿体多达百余种，故相对应的激活簇体也有百余种。

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(图9)，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(图9)。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。

如果固态簇体激光器的激活簇体能够完全吸收泵簇源发出的光子，激活簇体的旁边可以不安装反射镜。

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。在有机染料簇体溶液激光器中，激活簇体是溶解的有机染料溶液中的液态纳粒。这种分子的能级比原子的能级复杂得多。染料簇体分子能级图(图4)中，S₀是基态，S₁和S₂是激发态。S₀、S₁、S₂之间的大间隔就是由于电子能量的粒子化形成的。S₀、S₁、S₂本身又是由许多密集的振动和转动能级组成的。在分子光谱里，不同能量态之间的跃迁(如S₁和S₀之间)产生由一簇密集的谱线组成的谱带。其中除了电子的能量外，组成分子的各个原子之间还有相对振动；整个分子还要转动。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(图9)。它也可以采用发光二极管(LED)等其他光源。

绝大部分的染料分子处于簇体基态的最低的振动、转动能级上。吸收了外来光子后，分子就从这些能级跃迁到S₁态的较高的振动、转动能级上(图4中A→b)。分子也有可能从基态跃迁到S₂态，再很快地落到S₁态上。热平衡时由于频繁的能量交换，在S₁态各个振动、转动能级上，分子将重新分布，在极短的时间(约10^-11秒)内分子在各能级上的分布遵循玻耳兹曼(L.Boltzmann)分布定律。大多数被激发的分子无辐射地衰变到S₁态的最低的振动、转动能级上(图4中b→B)。这样在B与基态S₀的较高的振动、转动能级(图4中a)之间就实现了粒子数反转。当粒子数反转达到阀值时，就产生激光。谐振腔由反射光栅G与一个镀有簇体介质膜的反射镜M组成。转动光栅就可以改变输出激光的频率。

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(图5)。

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(图9)，可使泵簇源的光子能够大部分被液态激活簇体吸收。

液态簇体激光器的结构有几种不同的形式。一种用脉冲闪光灯激励，染料是流动的。它与固态簇体激光器的结构基本相同；仅有的一个区别是在全反射镜处用一块光栅代替。光栅和调谐旋钮相连，旋转不同的角度，染料簇体激光器就输出不同漂长的激光。另一种以激光器作为泵簇源，激光从染料池的一端输入。

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。

激光簇体染料有甲酚紫、吖啶红、若丹明、四甲基散形酮、香豆素、二苯基蒽、纳水扬酸盐等。

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(图9)。它也可以采用发光二极管(LED)。

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。

气态电离原子与光子之间的碰撞，能够把这些原子激发到各个不同的高能量的状态，实现粒子数反转。

在透明毛细管内充有单质或混合气体；如在氦气和氖气的混合气体中，两种气体的压强比约为7/1，总压强为10kPa～8000kPa。

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，沿该方向振动的偏振光通过布儒斯特窗时不会反射，因此有利于减少损耗，提高输出功率。

由于多数气态簇体激光器中的激活原子的下能级为非基态，对泵簇源的功率的要求不高，故容易获得稳定连续的激光输出。

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(图9)，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(图12)；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；易于实现高效率和高功率。故这种光纤簇体激光器结构简单，体积小，重量轻，使用灵活方便，并且光纤簇体直接输出激光。它将在高精度激光加工、光通信、激光化学、激光雷达系统、空间技术、激光医学等领域获得广泛应用。

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(图12)。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(LD)。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。

光纤簇体激光器利用非常简单和经济的光学元件，就可以将光纤簇体激光器输出的光束聚焦到直径小于10微米的光斑。由于它具有良好的聚焦特性，故在工业加工中可以获得优良的加工精度和质量。

6、半导簇体激光器(Semiconductor Cluster Laser)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(Semiconductor Laser)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(Laser Diode，LD)。它的主要部分是簇体PN结(图10)，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；当在簇体PN结加上正向电压后，使N区电子的能级高于P区空穴的能级，大量电子处于高能级上，实现了粒子数反转。电子流向P区与空穴复合的过程，就是电子由高能级向低能级跃迁的过程。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(图6)，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

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，故载流子极容易在簇体有源层实现粒子数反转。即使只有很小的电子跃迁，纳米级厚度的有源层(5-100纳米)中的电子和空穴浓度也会很高，而且激光震荡产生的光增益正比于所注入的电子和空穴浓度；故在簇体层中，用很小的电流就可获得很大的增益。另一方面，窄带隙源层的折射率比簇体薄膜层的折射率大，光子的漂域的漂动向折射率大的区域集中，故光子的漂域的漂动也被限制在有源层中。当有源层中形成反转分布的电子从导

跃迁到价

时，与空穴复合发出光子。运些光子在簇体薄膜层之间的有源层往返运行，不断获得光增益。半导簇体激光器中光学谐振腔里损耗极小，激光的效率就非常高。半导簇体激光器遵循物质的《漂动学》原理，与现有的微电子器件在制备和使用方面都有极大的差别。

半导簇体激光器通常采用镓(Ga)、砷(As)、铟(In)、磷(P)和铝(A1)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。将非平衡载流子(电子或空穴)注入半导簇体PN结，形成粒子数(载流子)反转，可以实现注入式激活簇体。载流子反转分布是结型半导簇体激光器的必要条件；为了获得强相干激光辐射的充分条件；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。当施加外正向(P区接正极，N区接负极)电压时，该正向电压使PN结自建电场减小(图6)。在非平衡载流子作用下，电子从N区经过PN结向P区扩散；空穴从P区经过PN结向N区扩散；由于载流子注入出现正向电流。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⁺-Al_xGa_1-xAs或N⁺-Al_xGa_1-xAs序体，形成半导簇体的单异质结GaAs簇体激光器(图7)或双异质结GaAs簇体激光器(图8)。异质结半导簇体激光器不是从P⁺N⁺结区辐射激光；而是从P⁺区辐射激光。P⁺区厚10-2000纳米。

由于簇体

隙差而产生的簇体同质结或簇体异质结势垒的存在，使注入到该有源区中的电子和空穴不能扩散而被限制在簇体有源区中，故载流子极容易在簇体有源区实现粒子数反转。即使只有很小的电子跃迁，在纳米级厚度的有源区(10-100纳米)中的电子和空穴浓度也会很高，而且激光震荡产生的光增益正比于所注入的电子和空穴浓度；故在簇体层中，用很小的电流就可获得很大的增益。另一方面，窄带隙有源区的折射率比簇体薄膜层的折射率大，光子的漂域的漂动向率大的区域集中，故光子的漂域的漂动也被限制在有源区中。当有源区中形成反转分布的电子从导

跃迁到价时，与空穴复合发出光子。异质结可在室温下连续工作。

7、利用激光二极管(Laser Diode，LD)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，称为泵簇源为激光二极管的簇体激光器，简称半导泵源激光器(图11)。它通过改变LD有源层的厚度或改变有源区“组分”，并通过温变控制，能精确控制LD所输出光子的漂域的漂长，实现泵簇源与激活簇体所吸收光子的高度相匹配。若干个激光二极管作为泵簇源，可联合组成半导体激光器组，共同照射激活簇体。

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(图10)。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(图10)，使另一边激光被反射镜反射回到PN结，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两种情况：

7.1激光二极管(LD)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(图10)。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。当PN结两端不加电压时，N区中的多数载流子(电子)与P区的多数载流子(空穴)互相扩散，形成一个内建电场，使PN结相当于一个阻挡层。当N极接电源负极、P极接正极(正向电压)；阻挡层被削弱，注入N区的大量电子流向P区，并在结区内与空穴复合成光子，形成激光。由于

隙差而产生的同质结或异质结势垒的存在，使注入到该有源区中的电子和空穴不能扩散而被限制在有源区中，故载流子极容易在有源区实现粒子数反转。即使只有很小的电子跃迁，在纳米级厚度的有源区(10-100纳米)中的电子和空穴浓度也会很高。

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。当施加外正向(P区接正极，N区接负极)电压时，该正向电压使PN结的自建电场减小(图6)。在非平衡载流子作用下，电子从N区经过PN结向P区扩散；空穴从P区经过PN结向N区扩散；由于载流子注入出现正向电流。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P-GaAs晶体和N-GaAs晶体上生成另一重掺杂P⁺-Al_xGa_1-xAs或N⁺-Al_xGa_1-xAs晶体，形成单异质结GaAs半导体激光器(图7)或双异质结GaAs半导体激光器(图8)。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，称为泵簇源为半导簇体激光器的簇体激光器，简称半导簇体泵源激光器(图11)。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，增加发时激光的强度，提高激光器的整体效率(图11)。

半导簇体泵源激光器按照激活簇体不同，分为固态半导簇体泵源激光器、液态半导簇体泵源激光器、气态半导簇体泵源激光器、光纤半导簇体泵源激光器等。这些激光器的激活簇体，与相应簇体激光器相同。

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，称为泵簇源为光纤簇体激光器的簇体激光器，简称光纤泵源激光器(图11)。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。它们同时共同照射激活簇体。光纤泵源激光器只能从光纤簇体的一个端面射出光子。光纤簇体激光器作为泵簇源中该激光器的光纤簇体输入端面不需安装反射镜。

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，称为泵簇源为气态簇体激光器的簇体激光器，简称气态簇体泵源激光器(图11)。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，称为泵簇源为气动激光器的簇体激光器，简称气动泵源激光器。

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。

附图说明

图1扫描隧道显微镜示意图。它是用来检测激观形貌和加工的；具有极高的空间分辨能力；主要结构：顶部极细探针、用于三维扫描的三个压电陶瓷、以及用于扫描和电流反馈的控制器等。

图2亚稳态E₂与基态E₁之间的粒子数反转示意图。泵浦源将基态E₁上的电子抽运到激发态E₃上，电子很快将转移到亚稳态E₂上，导致亚稳态上的粒子数N₂大于基态E₁上的粒子数N₁；实现粒子数反转。

图3激发态E₁与亚稳态E₂之间的粒子数反转示意图。若亚稳态物质的基态能级为E₀；粒子数反转的下能级E₁(E₁＞E₀)不在基态，而在激发态。亚稳态E₂上稍有粒子积累，就可实现粒子数反转。

图4染料分子能级示意图。基态吸收外来光子，分子就从基态能级跃迁到较高的S₁态能级上(A→b)。大多数被激发的分子无辐射地衰变到S₁态的最低能级上(b→B)；激发态S₁与基态S₀实现了粒子数反转。

图5染料簇体激光器示意图。谐振腔由反射光栅G与一个镀有簇体介质膜的反射镜M组成。转动光栅就可以改变输出激光的频率。谐振腔内不插入一个法布里-珀罗标准具时，输出激光的线宽为0.05纳米。

图6重掺杂GaAsPN簇体激光二极管示意图。它是将重掺杂的P-GaAs序体和N-GaAs序体紧密结合在一起，形成一个P⁺N⁺结以及自建电场。在正向偏压作用下，载流子注入出现正向电流。

图7单异质结GaAs半导簇体激光器示意图。它是由半导体序体N-GaAs和半导体序体P⁺-Al_xGa_1-xAs左右紧密夹住半导体序体P-GaAs组成的。簇体激光在P区产生，阀值电流低。

图8双异质结GaAs半导簇体激光器示意图。它是将半导体序体N-GaAs与N⁺-Al_xGa_1-xAs和半导体序体P-GaAs与P⁺-Al_xGa_1-xAs中的N⁺-Al_xGa_1-xAs和P-GaAs紧密结合而构成的。阀值电流非常低。

图9簇体激光器的结构示意图。激活簇体为固体棒或者装有流体的透明管；激活簇体的两端面镀上反射膜，作为两个反射镜组成光学谐振腔。泵簇源使用强光源，如氙灯、高压水银灯、发光二极管等。

图10半导簇体激光器示意图。它的主要部分是簇体PN结，分为同质结半导簇体和异质结半导簇体。

图11不同泵簇源的簇体激光器示意图。采用不同的泵簇源，可联合组成泵簇源组，照射激活簇体。

图12双层光纤簇体激光器的截面示意图。双层光纤簇体比单层光纤簇体增加了一个内包层(内包层形状可以为圆形)，内包层的横向尺寸和数值孔径均远大于纤芯。

具体实施方式  物质是由分子、原子、离子等组成的。根据《漂动学》物质结构和体粒力学新理论，原子核外绕核运动的电子具有不同球壳层的能级，离核近的球壳层能级低，离核远的球壳层能级高。原子受光子漂域中漂动的共振作用，吸收外来光子的电子会从低能级跃迁到高能级；释放光子的电子会从高能级跃迁到低能级。簇体内至少有一维大尺度线条上的相邻物粒之间的距离都在纳米尺度内，具有簇体小尺寸效应、表面效应、隧道效应和量子效应。当一个外来光子的能量正好为簇体原子中的一对球壳层的能级之差时，由于共振作用，高能态的电子向低能态跃迁；同时释放出与外来光子的相位、运动方向相同的光子，使光子数量增加；这种在受激辐射跃迁中由激活簇体产生的并被放大的光，就是簇体激光。

簇体激光产生的必要条件是在激活簇体里实现粒子数反转。它首先要求有能够形成粒子数反转分布的激活簇体。这类簇体必须具有合适的能级结构。其次还要有必要的能量输入系统给激活簇体的激励能源。当一定角频率的光子照射粒子数反转的激活簇体时，受激辐射的光子数大于受激吸收的光子数，可以使光辐射得到放大。簇体激光的产生还需要光的正反馈系统一光学谐振腔。

1、在激活簇体的能级系统中，首先必须要有激光的上能级和激光的下能级。除此之外一般还需要有一些与产生簇体激光有关的其他能级。簇体激光器中激活簇体的能级系统可分为两大类：三能级系统和四能级系统。簇体中的物粒(包括分子、原子或离子等)的表面存在电荷；其在空间的排列呈现出不同阵列形式；产生不同的漂动状态，能导致物粒在空间作不同的排列，产生具有不同物质状态和结构的簇体激光。

在三能级系统(图2)中E₁为簇体的原子基态；E₂和E₃为激发态(能量较高)；并且E₂为亚稳态。泵浦源将基态E₁上的电子送到激发态E₃上，因而E₁上的电子数减少。由于E₃态的电子寿命很短，电子与光子碰撞很快地以无辐射跃迁的方式转移到亚稳态E₂上，并作为簇体激光的上能级。由于E₂寿命长，其上就积累了大量高能态的电子，只要抽运速率达到一定程度，就可以实现亚稳态E₂与基态E₁之间粒子数的反转，为受激辐射创造了条件。如固态簇体激光器中的红宝石簇体激光器的激活簇体一铬离子就属于这类能级系统。

在四能级系统(图3)中E₁为簇体的原子基态；E₁、E₂和E₃为激发态(能量较高)。泵簇源将激活电子从基态E₀送到激发态E₃上，因而E₀上的电子数减少。由于E₃态的电子寿命很短，立即通过无辐射跃迁的方式到达亚稳态E₂上。由于E₂寿命长，其上就积累了大量高能态的电子。E₁能级的寿很短，。如固态簇体激光器中的钕玻璃簇体激光器以及掺钕钇铝石榴石簇体激光器中的激活热平衡时基本上是空的，充当簇体激光的下能级。E₁能级上的电子主要也是通过无辐射跃迁回到基态。这种能级系统的簇体也容易实现粒子数的反转一钕离子便属于这类能级系统。

无论三能级或四能级系统，都表明：激活簇体要出现粒子数反转，必须内有亚稳态，外有激励能源，粒子的整个输运过程必定是一个循环往返非平衡过程。激活簇体的作用就是提供亚稳态。

一种激活簇体的内部，可能同时存在几对特定能级间的粒子数反转，相应地发射几种漂长的簇体激光。

激活簇体内部引发受激辐射的光子是由自发辐射产生的，而自发辐射是随机的，其相位、偏振方向、传播方向等都是杂乱无章的；光放大后的受激辐射，从总体上也是随机的、无规则的。选取有一定运动方向和一定角频率的光子，在最优越条件下进行放大，同时抑制其他方向和角频率的光子，便可获得方向性和单色性很好的簇体激光。为此可在激活簇体的长轴两端安置两块反射镜面及其形成的空间，构成谐振腔。

光在谐振腔内来回反射的过程中，对光子强度的影响存在着两个对应因素：一是激活簇体中光的增益，使光子数量增加；二是端面上光的损耗，使光子数量减小。光子能不断地增加数量，必须使增益大于损耗。

簇体激光器的输出有时是由许多独立的角频率分量组成的，这些角频率分量称为模式；它是指能在腔内存在的、稳定的光漂基本形式。在一个光学谐振腔中，并非所有簇体激光中具有各种频率的光子漂动都能产生振荡；只有频率满足一定共振条件的光子，才能在谐振腔内的来回反射中形成稳定分布和获得最大光子强度。这个共振条件就是相长干涉条件，即往返一次相位变化Δφ为2π整数倍。

序体外延生成技术：以某种高纯度序体的籽序(籽序条、籽序片或籽序块等)作为序体衬底，让该高纯度材料的原子有规则地排列在序体衬底上，在施加一定压力下，逐步缓慢地形成一层层具有一定类型、功能、厚度以及较完整结构的序体层。它分为化学气相淀积(CVD)技术和分子束外延(Molecular BeamEpitaxy，MBE)技术。MBE与其他微细加工技术，如超微细离子注入技术、扫描隧道显微镜(图1)技术、电子束曝光技术、反应离子刻蚀及其图形化生长技术相结合，实现簇体膜、、簇体丝、簇体粉等的制备。

激活簇体除了基本生成技术和外延生成技术(分为化学气相淀积技术和分子束外延)技术之外，还有许多其他的激光簇体(序体或非序体)的制备技术。如物理法和化学法等。

物理法主要有真空冷凝法、机械球磨法、溅射法、液态金属离子源法、机械合金化法、非晶晶化法等。

化学法主要有沉淀法、溶胶凝胶法、微乳液法、溶液热反应法、溶液蒸发法、溶液还原法、电化学法。

物理制备方法主要采用光、电等技术，使材料在真空或惰性气体中蒸发，然后使材料原子或分子形成半导簇体激光(序体或非序体)的纳粒，从而形成激活簇体。以下是几种主要的物理制备方法：

真空冷凝法：用真空蒸发、加热、高频感应等方法，使金属或半导体原料汽化或形成等离子体，然后快速或缓慢冷却，最终在冷凝管(包括衬底)上形成激活簇体中的纳粒；通过调节蒸发温度场和气体压力场等参数，可以控制纳粒的尺寸和纳粒之间的距离；并获得良好的序体。用这种方法制备的序体纯度高、组织结构好、粒度分布均匀并可控制，相邻纳粒的间距可达2簇体；适用于任何可蒸发的元素和化合物。

2、在固态簇体激光器(图9)中，作为激光工作物质的序体通常制成棒状，两端面抛光成平面，并具有很好的平行度。在该两端面镀上反射簇体膜或者反射镜，就构成光学谐振腔。红宝石簇体激光器是由掺有万分之一(按质量计)的Cr₂O₃的人造白宝石(Al₂O₃)序体棒制成的；序体中的Al₃ ⁺被Cr₃ ⁺所取代；激活离子是Cr₃ ⁺离子。

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(图9)，可使泵簇源的光子能够大部分被激活簇体吸收。

固态簇体激光器一般采用光泵抽运，作为光泵使用的光源是氙灯或者高压水银灯；可以是连续发光的或脉冲式发光的。簇体激光棒可以放在螺旋状灯的里面，激光棒的两个端面镀有反射膜。固态簇体激光器的光源也可以用发光二极管(LED)等。氙灯大多数制成直管状的，和激活簇体并排放置。为了把氙灯的闪光尽可能多地会聚到簇体激光棒中，需要一个聚光器。它可以采用圆柱形聚光器、球形聚光器、椭圆柱形聚光器等。

3、染料簇体激光器(图9)中，染料盒(图5)里激光工作物质是染料簇体溶液。这种激活簇体溶液是一种液态非序体。染料簇体分子能级T₁和T₂(图4)是三重态。它们虽然没有直接卷入激光跃迁，但对染料簇体激光器有重要的影响。从单重态S₁到三重态T₁的跃迁虽然是选择原则所不允许的，但染料簇体的隧道效应，使这种跃迁也有一定的概率会发生。因为T₁到S₀的跃迁是禁止的，于是T₁态上的分子越积越多。从T₁到T₂的跃迁是允许的，而且这一跃迁所吸收的光子的频率范围恰好与簇体激光跃迁的频率范围相同。当T₁态上积累了足够的分子后，T₁到T₂的吸收将很快使簇体激光器的增益下降，以致簇体激光淬灭。故一些染料簇体激光器采用脉冲泵簇源；脉冲持续时间短于T₁态上的粒子积累时间。

所有的染料簇体激光器都是用光泵抽运的，主要要求光泵输出的漂动频率接近染料簇体的吸收峰。它可以像固态簇体激光器的光源那样采用氙灯抽运，泵簇源的氙灯是特殊设计的短脉冲闪光灯。也可以采用其他漂长较短的半导体发光二极管(LED)或激光器作为泵簇源等。

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(图9)，可使泵簇源的光子能够大部分被激活簇体吸收。

4、气态簇体激光器是以密封在透明管中的高压气态簇体作为激活簇体的激光器(图9)。在单质气态簇体或者混合气态簇体中，激活簇体吸收光泵源的光子之后，可以产生大量的激光谱线。例如氩离子簇体激光器在可见光的蓝区产生几种漂长的簇体激光，在连续工作条件下功率可达800瓦以上。

在分子气态簇体中激活簇体，可以在分子能级之间产生粒子数反转。例如氮分子簇体激光器(在红外区和紫外区)与二氧化碳(CO₂)簇体激光器(漂长为10.6微米)。其中二氧化碳(CO₂)簇体激光器的连续输出功率可达几百千瓦，脉冲输出的峰值功率可达10¹²瓦量级。

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(图9)，可使泵簇源的光子能够大部分被激活簇体吸收。

5、光纤簇体激光器(图9)是以光纤簇体本身作为激光介质；其光学谐振腔由光纤簇体的两个端面黏结腔片或镀上簇体薄膜构成的。它的腔体结构简单，而且光纤簇体柔软可以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簇体吸收特性相匹配的体积小巧模块化的高功率发光二极管或氙灯作为泵簇源；易于实现高效率和高功率。

光纤簇体激光器采用光纤耦合发二极管泵浦以及细长型的光纤谐振腔，利用与周围大气的热传导冷却，就能使激光器正常工作。它的输出漂长随温度和驱动电流而变化；通过控制该两个参数，可提高效率。

光纤簇体激光器的能量转换效率高。它通过模块组合，输出功率可达到几千瓦数量级，对大部分材料进行加工是足够的。而且通过倍频技术，可获得绿光甚至紫外线，能够满足一些特殊的加工需要。

光纤簇体激光器的调制性能好。簇体激光的漂长为1.1微米时，调制速度可达50kHz。它输出功率稳定性好。故光纤簇体激光器有稳定的烧结加工过程。这是其他固体激光器无法比拟的。

6、半导簇体激光器(图10)的激活簇体，通常是延生长的有源层和有源层两边的限制层构成，谐振腔通常由序体的两个解理面构成。当施加正向偏置电压时，由于

隙差而产生的异质结势垒的存在，使注入到有源层中的电子和空穴不能扩散而被限制在薄的有源层中，可容易实现粒子数反转。即使只有很小的电流通过，微米级的有源层(0.1-0.2微米)中的电子和空穴浓度也较高，用很小的电流就同获得较大的增益。同时窄带隙有源层的折射率比限制层的大，光子向折射率大的区域集中，也被限制在有源层中。

半导簇体激光器也称为簇体激光二极管。它也是由半导体序体中一个簇体结P⁺N⁺构成的。在纯净的III族-V族化合物的半导序体GaAs中掺入极少量II族元素锌(Zn)原子取代其中的部分Ga原子，就形成P-GaAs半导簇体。半导序体GaAs中掺入极少量VI族元素碲(Te)原子取代其中的部分As原子，就形成N-GaAs半导簇体。

簇体激光二极管也是由PN结和两个电极组成的(图10)。其结构基本与激光二极管(LD)一样。簇体激光二极管是由重掺杂的半导体序体构成的；而LD是由掺杂的晶体构成的。这是它们之间本质区别。

簇体激光二极管是将重掺杂的P-GaAs序体和N-GaAs序体紧密结合在一起，形成一个簇体结P⁺N⁺(图6)以及自建电场。在正向偏压作用下，载流子注入出现正向电流。簇体激光二极管谐振腔可利用与P⁺N⁺结平面相互垂直的序体解理面(110面)构成法布里-珀罗谐振腔。一端的解理面(110)镀上高性能簇体反射膜，另一端的解理面(110)作为反射镜和输出端；实现簇体激光震荡。

镓砷半导簇体激光器的主体是一粒镓砷单序体；厚度约为0.1毫米，长和宽约为0.1～1毫米；序体两个相对的自然解理面就构成光学谐振腔。在序体上加上电流，就会有激光输出。半导簇体激光器一般封装在一个类以于晶体管的外壳内，壳上开一个窗口，激光即由此射出。镓砷半导簇体激光器的输出漂长约为0.9微米。

6.1高功率簇体激光二极管阵列是将若干个簇体激光二极管通过光纤(可为实心光纤或空心光纤)耦合后，将光纤输出端精密地排列成阵列，在此阵列后面设置微透镜阵列，该透镜阵列的各元与各个光纤输出端对准，使各个激光二极管发出的光束在光纤阵列的前方工作面上形成长度约为200微米的短线。若短线长度小于光纤间的中心距，则形成的光线为断续的虚线，只需将若干阵列形成的虚像互相鑲嵌，使之形成实线。高功率簇体激光二极管阵列SLS RPT系统是桌面型SLSRP系统的技术基础。

高功率簇体激光二极管阵列是整个系统的核心部件之一。它可以有以下几种结构形

①分立型高功率簇体激光阵列是用多个特制的

热沉的高功率簇体激光器通过精密的组装技术组成阵列，使各发光面排列成一直线。

②单芯片阵列高功率簇体激光器，是在同一序体芯片上按规定间隔加工若干个簇体激光元，使各激光元的发光面排成直线。

③光纤型高功率簇体激光器阵列，是由每个高功率簇体激光器耦合一根光纤，由于光纤可以弯曲，故簇体激光器不需要紧密地排列成直线，可以使用一般的高功率簇体激光器，与光纤耦合后，将光纤输出端紧密排列成阵列。

6.2异质结半导簇体激光器的有源区不是P⁺N⁺结区；而是在P⁺区。它结构分为单异质结和双异质结。

①单异质结GaAs半导簇体激光器是由半导体序体N-GaAs和半导体序体P⁺-Al_xGa_1-zAs左右紧密夹住半导体序体P-GaAs组成的(图7)。其中N-GaAs与P-GaAs形成PN结；P-GaAs与P⁺-Al_xGa_1-xs形成PP⁺结。电子扩散到达PP⁺区，因势垒高而被阻挡，留在P区；空穴扩散到达PP⁺区，因势垒不高而到达P区；因而在P区形成粒子数反转。P区厚度一般为50纳米至1000纳米，激光在P区产生，阀值电流低。

②双异质结GaAs半导簇体激光器是将半导体序体N-GaAs与N⁺-Al_xGa_1-xAs和半导体序体P-GaAs与P⁺-Al_xGa_1-xAs中的N⁺-Al_xGa_1-xAs和P-GaAs紧密结合而构成的(图8)。电子扩散到达PP⁺区，因势垒高而被阻挡，留在P区；空穴扩散到达N⁺P区，也因势垒高而被阻挡，留在P区；因而在P区极易形成粒子数反转。P区厚度一般为5纳米至50纳米，激光在很窄P区产生，阀值电流更低。

7、采用半导体二极管(LD)取代通常光源泵浦的固态簇体激光器，通过改变LD有源区的厚度或改变有源区“组分”以及通过温度控制，能够精确控制LD输出的光漂长，实现泵浦和吸收的光谱相匹配。用LD代替一般光源泵浦的固态簇体激光器，是由紧凑、牢固、可模块的固体部件组成。它的泵浦效率很高，故激光器工作时发热小，不需要现有固体激光器由于热效应而必须配备的冷却系统。

全固态簇体激光器是由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簇体激光；然后再使用非线性光漂序体变频，获得三基色簇体激光输出，连续输出功率可达数百瓦。除了红宝石外，一些其他的序体，当外壳层不完全充满掺入杂质原子时，也能产生激光跃迁。例如掺钕的钇铝石榴石(Nd:YAG)簇体是很有效的激活簇体，簇体激光跃迁的漂长λ＝1.06微米。

8、若干个半导簇体泵源激光器(图11)可组成半导簇体泵源激光器组，同时共同照射激活簇体。在半导簇体泵源激光器组的一边同时也可以装有反射镜，使另一边发射的激光强度增加(图11)。

9、若干个光纤泵源激光器(图11)可联合组成光纤泵源激光器组，同时共同照射激活簇体。光纤泵源激光器从光纤簇体的一个端面射出光子。以光纤簇体激光器作为泵簇源的另一个端面只输入光子，不需要安装反射镜。

10、若干个气态簇体泵源激光器(图11)可联合组成气态簇体泵源激光器组，同时照射激活簇体。

10.1气态簇体泵源激光器的泵簇源采用氦气激光器。

10.2气动激光器的工作过程：燃料在燃烧室内燃烧，产生高温二氧化碳气体，并与辅助气体均匀混合。辅助气体可以是氦氖混合气体或者氩气、氙气等。这时大量二氧化碳分子被激发到高能级。然后气体通过喷管列阵快速膨胀；这种快速绝热膨胀能使混合气体聚然冷却。在冷却的瞬间，处于激发态的分子纷纷向低能级跃迁。二氧化碳分子激发态的上能级寿命比较长，该级的分子掉得慢，而下能级的寿命很短，分子掉得快，这样就形成了粒子数反转，并在光学谐振腔内形成激光输出。

Claims (10)

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T_m，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匀；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匀；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匀的序体；

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⁺-Al_xGa_1-xAs或N⁺-Al_xGa_1-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⁺-Al_xGa_1-xAs或N⁺-Al_xGa_1-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。

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