图解激光器知识点

用于光通信的激光器，以半导体激光器为主，主要分两种类型，边发射与面发射

▲边发射

▲面发射

VCSEL

VCSEL，叫垂直腔面发射

☝垂直腔，两组布拉格光栅做发射腔

▲VCSEL历史

▲VCSEL应用

▲典型氧化物限制结构

这个限制，一是限制光场，二是降低阈值电流

FP与DFB

FP与DFB都是边发射激光器，FP结构的激光器，是通过两侧反射镜做光反馈，DFB是通过光栅做光反馈

▲FP的反射腔

▲DFB的布拉格反射

▲FP无需刻蚀光栅，工艺简单

▲DFB需要刻蚀光栅，工艺复杂

▲FP是多纵模激光器

▲DFB是单纵模激光器

DFB的RWG与BH结构

DFB激光器应用广泛，常用的RWG结构，与BH结构

▲紫色是波导结构

RWG，脊波导，上图紫色是波导设计，工艺简单

BH，异质掩埋，掩埋的是有源层，工艺复杂

为什么要掩埋？

RWG结构的有源层是下图这样

脊型波导，再通过两侧折射率差，将光场压缩至椭圆形，下图

掩埋结构，把有源层做窄

那它的光场压下来，就是接近于圆形

BH结构的圆形光斑，非常适用于通信，与光纤耦合效率高，功率大，阈值电流低（功耗低）

EML

EML，是DFB结构与EAM电吸收调制器的集成器件

半导体有激子吸收效应，也就是可以吸收光，那DFB的光，一会儿吸收一会儿不吸收，对外界看起来就是1,0的区别

▲EML ▼DML

电吸收调制器原理

外加电场后，能带发射概念

吸收波长偏移，产生调制效果

DBR激光器

DBR激光器与DFB类似，只一半光栅，可以通过电流调整相位，也就是说可以通过电流的大小，调谐输出波长

可调谐激光器

可调谐激光器，就是能调输出波长，上一类的DBR是可以做调谐的。

最简单的一种，就是温度调谐，DFB激光器可以随温度变化而变化，那让他工作在不同温度，就可以实现不同波长

把激光器级联起来，就可以调更多的波长了的。

另一种，就是双臂结构，设计俩激光器（各种类型都行），用游标效应。

咱FP出来的是多纵模，

两组FP，纵模间隔略作差异设计

能对准的就可以激射，向游标卡尺一样

这种双臂结构，有好些设计，原理都类同

还有已与采样光栅的DBR

量子级联激光器

量子级联激光器主要用在

咱们DFB是多量子阱结构（十来个），量子级联就是3个，通过量子隧穿三步完成激射

电子不断从高能级向低能级跳，辐射出光子能量

QCL量子级联激光器，同样可以做FP、DFB、外腔调制各种类型，波长集中在红外

气体激光器

气体激光器是用气体做增益物质，CO2激光器是应用比较多的一种，主要在激光加工行业

CO2激光器，有一种辅助气体氮气，电击中氮气后，能量增加会被CO2吸收，再通过两侧反射镜，就激射出光

光纤激光器

光纤激光器，增益物质叫增益光纤

普通传输信号的光纤是单包层，不产生增益

增益光纤是双包层

在泵浦光的作用下，纤芯就吸收能量，产生增益。增，就是放大

光纤激光器，主要用于激光加工行业

准分子激光器

准分子激光器，也是一种气体激光器，他俩的区别在于CO2做不了超快激光器，它的加工过程产生热量，对加工面有损伤

准分子激光器，破坏的是物质的肽键，对加工面不产生破坏力

准分子的准，是说常态下这些分子不存在，只有激发状态下才有，常用这些惰性气体做准分子激光器，193nm是半导体光刻工艺中最常用的

常态下没有ArF这种分子，分别是蓝色的氟和红色的氩

收到激发时，产生一个极端时间的ArF分子，从高能级跳下时分开同时产生一颗光子

这个超短脉冲，破坏分子肽键，这就是加工过程

世界上第一台激光器--红宝石激光器

1960年，梅曼发明第一台激光器，是红宝石激光器

用红宝石做增益物质，在泵浦灯光作用下产生辐射，通过两个反射片进行放大，就是LASER，受激辐射光放大

YAG激光器

类似，把红宝石晶体，换成钇铝石榴石，就叫YAG激光器，也是用于激光加工市场

自由电子激光器

这是用于军事上的一类能量激光武器，可以穿透钢板

目前体积也很大

它的原理很简单，用电子摆动起来（像波），光是电磁波

用波动的电子做谐振，产生加速，产生巨大的光能量

如何让电子产生波动性？磁可以改变电的方向

用一组极性交替分布的磁，让电子穿过去

电子就产生扭摆

这就成了自由电子激光器

太赫兹激光器

太赫兹，是个新兴技术，它的电磁波频谱介于微波与红外之间，（国华用绿色标志），刚好位于电学与光学范畴的交接点，太赫兹可以用于安检、以及早期癌症检测等等领域

它既可以做太赫兹电学应用，也可以做光学应用，光学上加反射腔等也可以做激光器

用超短激光打在两片电极中间，就可以激射出太赫兹波

它的电极（电学范畴这样）

太赫兹的传输，发射与接收

去年，MIT 在nature发表一个中红外太赫兹激光器，波长100um

▲激射太赫兹

▲同频同相，进行锁频放大

石榴石固态电池界面的原子尺度结构冷冻电镜研究

燕山大学AFM：石榴石固态电池界面的原子尺度结构冷冻电镜研究

第一作者：戴秋实，姚景明，杜聪聪

通讯作者：黄建宇，唐永福，张利强

单位：燕山大学

【研究背景】

高界面阻抗是固态电池实际应用的最大障碍，在原子尺度理解固态电池界面对电池的设计有重要指导意义。然而，由于一些电池材料的电子束敏感性，通过传统的电镜并不能在原子尺度上观察材料的结构，冷冻电镜可以很好的解决这一难题。

【文章简介】

近日，来自燕山大学的黄建宇教授，唐永福教授，张利强教授 ，在国际知名期刊Adv. Funct. Mater. 上发表题为“Cryo-EM Studies of Atomic-Scale Structures of Interfaces in Garnet-Type Electrolyte Based Solid-State Batteries” 文章。通过冷冻电镜对石榴石固态电池界面的原子尺度理解，并为实际应用中设计无枝晶固态电池提供了有效策略。

【本文要点】

要点一：石榴石固态电解质LLZTO的cryo-TEM表征

通过冷冻电镜在原子尺度揭示了石榴石固态电解质LLZTO和表面寄生物Li2CO3的界面，通过机械打磨的方法可以有效的去除LLZTO表面污染物Li2CO3, 然而，通过冷冻电镜表征发现机械打磨的方法会引入大量的微裂纹，这些微裂纹存在于LLZTO电解质的表面，是锂枝晶生长的起源。

图1. 固态电解质LLZTO的表征。（a）LLZTO电解质在空气中放置五个月后的光学照片, 微黄色是由LLZTO表面形成的Li2CO3引起的。（b）a图中LLZTO电解质的表面。（c, d）a图中LLZTO电解质的截面。（e） a图中LLZTO电解质机械打磨后的光学照片，其中颜色从黄色变为乳白色，原因是去除了表面污染物Li2CO3。（f） e图中LLZTO电解质的表面。（g, h） e图中LLZTO电解质的截面。（i） LLZTO/Li2CO3界面的cryo-TEM照片。（j）i图中的区域1的衍射照片。（k）i图中的区域2的衍射照片。(l) LLZTO/Li2CO3界面的cryo-HRTEM照片。（m）机械打磨后的LLZTO电解质表面的TEM照片。（n）m图中的橙色区域cryo-HRTEM照片。（o）m图中的黄色区域cryo-HRTEM照片。

要点二：Li/LLZTO*界面的构造和cryo-TEM表征

在LLZTO表面沉积CFx (标记为LLZTO*，以区别于没有沉积CFx的LLZTO),将电解质与熔融的金属锂接触，由于CFx层的亲锂性使得熔融锂均匀的包裹在电解质的表面。 并对Li/LLZTO*界面层进行了cryo-TEM表征发现界面层的成分是LiF和非晶C，另外LiF纳米晶颗粒均匀的分布和非晶C中。

图2. Li/LLZTO*界面的构造和cryo-TEM表征。（a, b）LLZTO*电解质片用熔融Li处理的前后照片。（c, d） Li/LLZTO*界面的SEM照片。（e）Li/LLZTO*界面的cryo-TEM照片。(f-i) e图中蓝色区域的EELS-Mapping。（j）Li/LLZTO*界面的cryo-HRTEM照片。（k, l）e图中的区域1和区域2的衍射照片。（m, n） e图中的区域1和区域2的EELS谱。

要点三： LLZTO和LLZTO*电解质中锂枝晶生长的原位光学实验对比。（Movie 1, 2展示了锂枝晶在LLZTO和LLZTO*电解质中的生长过程）

对Li/LLZTO/Li和Li/LLZTO*/Li对称电池进行光学实验对比， 发现在相同电流密度下无界面层保护的LLZTO电解质内部更容易生长枝晶。另外，对短路后的LLZTO电解质进行了SEM表征发现锂枝晶在LLLZTO中传输是穿晶的，这和之前相关报道不一样。

图3. LLZTO电解质中锂枝晶生长的原位光学实验。（a）原位光学实验的示意图。（b）Li/LLZTO*/Li对称电池的原位光学实验照片。（c-e）在不同电流密度下的LLZTO电解质中锂枝晶沉积和溶解的过程。（f）c-e图中对应的电化学曲线。（g-i）在不同电流密度下的LLZTO*电解质中锂枝晶沉积和溶解的过程。（j）g-i图中对应的电化学曲线。（k）短路的LLZTO电解质的照片。（l-n）短路的LLZTO电解质截面SEM照片。SEM照片来自（k）中的黄色方框区域位置。

要点四：前瞻

原子尺度上理解固态电池界面对电池的设计有非常重要的指导意义，然而由于一些电池材料的电子束敏感性，通过传统的电镜并不能在原子尺度上观察材料的结构，冷冻电镜为解决这一难题提供了关键技术。冷冻电镜在固态电池领域应用还处在起步阶段，更多研究将为实际应用中设计无枝晶固态电池提供有效策略。

【文章链接】

Cryo-EM Studies of Atomic-Scale Structures of Interfaces in Garnet-Type Electrolyte Based Solid-State Batteries

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202208682

【通讯作者简介】

黄建宇 教授 ，燕山大学和湘潭大学教授，博士生导师。1996年博士毕业于中科院金属研究所；1996年至1999年间，于日本国家无机材料研究所、日本大阪大学先后任职；1999年至2001年间，于美国洛斯阿拉莫斯国家实验室做博士后；2002年至2012年间，于美国波士顿学院、美国桑迪亚国家实验室纳米科技综合中心主任研究员。一直以来以电子显微镜为主要研究手段，从事纳米力学与能源科学研究工作20多年，主持或者共同主持美国能源部和自然科学基金等项目12项。

​在电池研究领域取得了系列原创性的研究成果，建立了多种纳米力学和能源材料透射电镜-探针显微镜（TEM-SPM）的原位定量测量技术，在国际上率先制造出可在高真空度电镜中工作的锂电池，发明了在原子尺度上实时观察锂离子电池充放电过程的新技术，形成了原位纳米尺度电化学和纳米力学研究的新领域，为锂离子电池研究提供了有效的技术手段，得到了学术界的广泛认同和高度评价。研究成果在Nature、Science、Physical Review Letters、Nature Nanotechnology、Nature Communications、Nature Methods、PNAS、Nano Letters等 杂志上发表，共发表论文280余篇，h因子为90，总引用次数超过28000次，在各种专业学术会议上发表特邀报告100多次。

张利强 研究员 燕山大学材料学院研究员，博士生导师，国家优青。长期从事应用原位环境透射电镜技术研究各类型新能源材料，揭示其在复杂环境场中工作及失效的微观机理，为设计高性能电池提供理论指导。近年来，在Nat. Nanotechnol., Nat. Commun., Adv. Mater., JACS, Angew. Chem. Int. Edit., Energy Environ. Sci., Mater. Today, Nano. Lett., ACS Nano等 期刊已发表论文100余篇，论文被引用5000余次，h因子为37，获授权发明专利14项，省部级技术发明奖1项。主持国家自然基金优青、面上、青年项目，河北省杰出青年基金纵向课题10余项。

唐永福 教授 博士生导师 。2012年7月毕业于中科院大连化学物理研究所，获得工学博士学位。同年，进入燕山大学环境与化学工程学院从事教学科研工作。一直以来，从事固态电池、金属-空气/硫电池等高性能电化学储能器件的设计、开发及球差校正环境透射电镜原位表征等应用及基础研究。近年来，主持国家自然科学基金（面上、青年）、霍英东基金会青年教师基金等纵向科研项目10余项，获得河北省自然科学奖、河北省“青年拔尖人才”、河北省高等学校“青年拔尖人才”、河北省“三三三”人才三层次人选等人才称号和荣誉；

​以第一/通讯作者在Nat. Nanotechnol., Angew. Chem. Int. Ed. (2), Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Nano Lett. (3), ACS Energy Lett. (3), ACS Nano (3), Adv. Funct. Mater. (3), Nano Energy (2), Sci. Bull., Energy Storage Mater.等 国内外高水平期刊发表论文70余篇（影响因子大于10.0论文38篇）；论文他引3300余次，h因子为32；申请国家发明专利10余项，已授权8项。

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