第１章光輻射與發(fā)光源本章概述▲電磁波譜與光輻射

（§1-1）掌握電磁波的性質(zhì)和光輻射的特點(diǎn)▲輻射度學(xué)與光度學(xué)基本知識(shí)

（§1-2）理解七個(gè)輻射量和光度量的概念▲熱輻射基本定律

（§1-3）掌握三個(gè)定律和三個(gè)公式▲激光原理

（§1-4）掌握激光產(chǎn)生的物理機(jī)制▲

典型激光器

（§1-5）了解幾種常見(jiàn)激光器Planck公式維恩公式瑞利-瓊斯公式Planck公式維恩位移定律斯忒藩·玻爾茲曼定律熱輻射基本定律上節(jié)主要內(nèi)容回顧上節(jié)主要內(nèi)容回顧激光原理激光及其特性單色性好，方向性好，亮度高，相干性好激光器的發(fā)展歷史光輻射量子理論三種原子躍遷過(guò)程，愛(ài)因斯坦關(guān)系式激光產(chǎn)生的必要條件粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，提高光子簡(jiǎn)并度激光器的基本結(jié)構(gòu)激光工作物質(zhì)，泵浦源，諧振腔第１章光輻射與發(fā)光源本章概述▲電磁波譜與光輻射

（§1-1）掌握電磁波的性質(zhì)和光輻射的特點(diǎn)▲輻射度學(xué)與光度學(xué)基本知識(shí)

（§1-2）理解七個(gè)輻射量和光度量的概念▲熱輻射基本定律

（§1-3）掌握三個(gè)定律和三個(gè)公式▲激光原理

（§1-4）掌握激光產(chǎn)生的物理機(jī)制▲

典型激光器

（§1-5）了解幾種常見(jiàn)激光器本章主要內(nèi)容1.5.1典型激光器1.5.2激光的應(yīng)用

按工作物質(zhì)可分成四類:

固體激光器;氣體激光器;液體激光器;半導(dǎo)體激光器一、固體激光器1光泵激勵(lì)以摻雜的晶體或玻璃為工作物質(zhì)。受激離子濃度大，亞穩(wěn)態(tài)壽命長(zhǎng)，故容易獲得大能量輸出。連續(xù)功率可達(dá)KW級(jí)、脈沖峰值功率TW級(jí)。1）采用氣體放電燈進(jìn)行泵浦，并采用橢圓聚光腔，但效率很低（小于3%）。1.5.1典型激光器

2）采用半導(dǎo)體激光器（LD）進(jìn)行泵浦，

效率可達(dá)7~20%。

1.5.1典型激光器

2紅寶石激光器是世界上第一臺(tái)激光器，1960年由美國(guó)人梅曼發(fā)明。(1)工作原理工作物質(zhì)：Al2O3+0.05%Cr3+(重量比)能級(jí)結(jié)構(gòu)：Cr3+的三能級(jí)系統(tǒng)E1=4A2

，E2=2E，

E3=4F1，4F2，

E2為亞穩(wěn)能級(jí)，壽命約3毫秒4A24F24F12E0.42m0.55R1R2輸出波長(zhǎng)：R1優(yōu)先線起振，輸出波長(zhǎng)694.3nm(紅光）。黃綠帶藍(lán)紫帶藍(lán)紫帶黃綠帶1.5.1典型激光器

(2)紅寶石激光器的泵浦系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)

光泵浦，由于紅寶石吸收峰在藍(lán)、綠區(qū)，用脈沖氙燈泵浦，光譜匹配較好。若需大功率，多燈泵浦，可用雙橢圓腔。較高重復(fù)率使用時(shí)，燈和激光棒都需要水冷。1.5.1典型激光器

(3)紅寶石激光器的應(yīng)用特點(diǎn)

由于紅寶石激光器是三能級(jí)結(jié)構(gòu),有較高的泵浦能量閾值,所以通常只能以脈沖方式運(yùn)轉(zhuǎn).

較高的泵浦能量閾值限制了其應(yīng)用,但輸出的是可見(jiàn)光,在動(dòng)態(tài)信息、醫(yī)學(xué)等方面仍有應(yīng)用價(jià)值。采用調(diào)Q和鎖模技術(shù)可獲得超短脈沖輸出:

調(diào)Q脈沖:峰值功率達(dá)107W,脈寬為10-20ns;

鎖模脈沖:峰值功率達(dá)109W,脈寬為10ps.1.5.1典型激光器

激活粒子是釹離子(Nd3＋)，其吸收光譜見(jiàn)下圖.3釹激光器典型的有：Nd:YAG和釹玻璃激光器常用氪燈810nm750nm1.5.1典型激光器

(1)摻釹釔鋁石榴石激光器（Nd:YAG）1)工作原理工作物質(zhì)：YAG=Y3Al5O12+1.0-1.2%Nd2O3

(原子百分比)能級(jí)結(jié)構(gòu)：

Nd3+的四能級(jí):E1=4I9/2，E2=4I11/2，

E3=4F3/2，

E4=4S3/2，4F7/2,4F5/2，2A9/2輸出波長(zhǎng)：1.064m

(紅外)氪燈

4S3/2

4F7/2

4F5/2

2A9/24F3/24I11/24I9/20.750.811.0644I13/21.3190.951.5.1典型激光器

2)Nd:YAG激光器的泵浦吸收光譜在近紅外波段，常用氪燈泵浦，并用橢圓聚光腔提高泵浦效率。3)Nd:YAG激光器的脈沖輸出

由于Nd:YAG為四能級(jí)系統(tǒng)，閾值比紅寶石激光器低得多，所以激光效率比紅寶石激光器高得多，可連續(xù)或脈沖以高重復(fù)率運(yùn)轉(zhuǎn).

調(diào)Q峰值功率可達(dá)數(shù)108W；脈寬為ns量級(jí)鎖模峰值功率可達(dá)數(shù)1010W，脈寬為ps量級(jí).1.5.1典型激光器

(2)釹玻璃激光器工作物質(zhì)：各向同性玻璃+Nd2O31-5%重量比能級(jí)結(jié)構(gòu):Nd3+的四能級(jí).輸出波長(zhǎng):

最強(qiáng)輻射1.060微米與YAG比較:1)能級(jí)結(jié)構(gòu)基本相同(只是能級(jí)間隔稍不同)2)容易做成大尺寸，且熒光壽命較長(zhǎng)（0.6-0.9ms,而YAG約為0.23ms）,故輸出能量大。3)釹玻璃的熒光線寬更寬,鎖模脈寬更小(<1ps),但散熱能力差,閾值較高,不宜連續(xù)及高重復(fù)率運(yùn)轉(zhuǎn).泵浦:

氪燈1.5.1典型激光器

4鈦寶石激光器頻率可連續(xù)調(diào)諧,波長(zhǎng)范圍很大：660nm-1180nm.工作物質(zhì)：Al2O3+1.2%Ti3+

由于激光上能級(jí)壽命短(3.8s),所以常用激光器快速泵浦,如Nd:YAG,Ar+激光器等.

鎖模能得到飛秒量級(jí)的短脈沖,峰值功率可達(dá)數(shù)1013W.激活粒子：Ti3+,

輻射發(fā)生在Ti3+離子的

中的振動(dòng)能級(jí)之間,屬四能級(jí)系統(tǒng).1.5.1典型激光器

二、氣體激光器以氣體或金屬蒸汽作為工作物質(zhì)。泵浦方式:氣體放電.氣體工作物質(zhì)均勻性好，譜線寬度遠(yuǎn)小于固體激光器，故單色性、方向性優(yōu)于固體激光器，但受激離子濃度小，所以需要較大的體積的激活物質(zhì)才能獲得較大的能量的輸出。1原子氣體激光器：He-Ne激光器（1）工作原理工作物質(zhì)：氦氣（~1托）+氖氣（0.1托）混合氣體

（He:Ne=10:1）1.5.1典型激光器

激活粒子:氖原子能級(jí)結(jié)構(gòu):四能級(jí)發(fā)射波長(zhǎng):

0.6328m碰撞馳豫HeNe1s223s1(1s12s1)21s02p62p53s12p53p12p54s12p54p12p55s12Sa

bc1S2S3S

2P

3P自發(fā)輻射氣體放電

碰撞激發(fā)共振轉(zhuǎn)移泵浦：氣體輝光放電激勵(lì)，

氦原子起輔助泵浦的作用。（2）He-Ne激光器的諧振腔諧振腔有三種結(jié)構(gòu)：內(nèi)腔式、外腔式和半內(nèi)腔式。1.5.1典型激光器

內(nèi)腔式：諧振腔的兩端鏡焊接在玻璃外殼上，主要用于小功率短腔結(jié)構(gòu)。特點(diǎn)：使用方便，適合小功率，輸出激光為非偏振。外腔式：玻璃管兩端用布儒斯特窗玻璃封裝，諧振腔的兩端鏡外加，可以獨(dú)立調(diào)節(jié)。特點(diǎn)：輸出線偏振光，適合大功率，但需要經(jīng)常維護(hù)。半內(nèi)腔式：諧振腔的一個(gè)端鏡與玻璃殼焊接在一起，而另一個(gè)端鏡可自由調(diào)節(jié)。特點(diǎn)：輸出線偏振較好，適合中等功率，維護(hù)較容易。1.5.1典型激光器

工作物質(zhì)：氬氣激活粒子：Ar+能級(jí)結(jié)構(gòu)：四能級(jí)激光發(fā)射：4p4s發(fā)射

9條譜線，其中514.5nm(綠色)和488nm(藍(lán)色)兩條譜線增益最大,優(yōu)先起振.

2

離子氣體激光器：氬離子激光器（1）工作原理3p5Ar+3p44s3p43d3p44p3p44d3p45s3p6Ar泵浦:

低壓大電流弧光放電使氬原子電離，離子-離子,離子-電子碰撞而激發(fā).直接或分步激發(fā).1.5.1典型激光器

（2）激光管結(jié)構(gòu)Ar+激光器在低氣壓和大電流(約為0.4托和15A)的弧光放電條件下工作，所以在結(jié)構(gòu)上有特殊的要求.放電管:要求耐高溫、傳熱性能好。大功率激光器放電管使用氧化鈹陶瓷(粉末有毒，加工困難，價(jià)格貴)。中小功率激光器放電管使用分段石墨.石墨片1.5.1典型激光器

回氣管：使放電管氣壓平衡，有助于激光輸出。石墨片冷卻裝置：電源所提供的能量絕大部分是以熱的形式耗散在放電管壁上(功率約為5kW)，必須冷卻.線圈:提供軸向磁場(chǎng)，其作用是磁約束Ar+在放電管軸心，提高激發(fā)效率。1.5.1典型激光器

（3）氬離子激光器特點(diǎn)與應(yīng)用：是可見(jiàn)光譜中連續(xù)輸出功率最大的激光器(幾瓦150W).藍(lán)綠色激光有特殊應(yīng)用:1)大量作為染料激光器的泵浦源。

2)用于信息處理及醫(yī)學(xué)(眼科上用得最多,是焊接視網(wǎng)膜的理想光源。手術(shù)時(shí),眼底視網(wǎng)膜能吸收綠光，能迅速形成局部加熱,將視網(wǎng)膜上蛋白質(zhì)變成凝膠狀態(tài)）。

3)大功率藍(lán)綠激光還能深入海水層,而不被海水吸收,因而可廣泛用于水下勘測(cè)作業(yè)。1.5.1典型激光器

（1）工作原理工作物質(zhì)：CO2，N2，He

的混合氣體，總壓強(qiáng)10托。激活粒子：CO2分子能級(jí)結(jié)構(gòu)：

CO2的四能級(jí)3分子氣體激光器：二氧化碳激光器

——大功率高效率中紅外激光器.18cm-100000110100000010200CO2N2=0=110.619.5碰撞(He)輸出波長(zhǎng)：常輸出10.61m泵浦：主要是N2輝光放電輔助泵浦.（N2作能量的共振轉(zhuǎn)移，He通過(guò)碰撞冷卻激發(fā)態(tài)的CO2，及時(shí)抽空激光下能級(jí)）,也有電子與CO2碰撞激發(fā),但以共振轉(zhuǎn)移為主.1.5.1典型激光器

（2）CO2激光器的種類:縱向流動(dòng)CO2激光器，橫向流動(dòng)CO2激光器，封離式CO2激光器，波導(dǎo)CO2激光器。

（3）CO2激光器特點(diǎn):

效率高（20~25）,功率強(qiáng)（連續(xù)功率可達(dá)104W，比固體激光器強(qiáng)，但脈沖功率不如固體激光器）,工作穩(wěn)定,單色性好,波長(zhǎng)適用于空間光通信(10.6m正處“大氣窗口”中)。1.5.1典型激光器

(1)工作原理工作物質(zhì):有機(jī)染料(如:若丹明)溶液泵浦方式：光泵浦能級(jí)結(jié)構(gòu)：染料分子的等效四能級(jí)結(jié)構(gòu)三、液體激光器:染料激光器激光通常為激光激發(fā)，把染料分子激發(fā)到S1能級(jí),再往S0躍遷.單重態(tài)S1與三重態(tài)T1態(tài)間存在串躍，但不能產(chǎn)生輻射躍遷.

1.5.1典型激光器

(2)激光的猝滅S1S0(激光)的發(fā)射能量與T1T2的吸收能量接近，激光可被T1態(tài)吸收，這種現(xiàn)象稱為激光猝滅。消除激光猝滅方法：用短脈沖激光快速激發(fā)、振蕩、輸出；或者加入三重態(tài)猝滅劑(如氧氣)，迅速釋放T1態(tài)能量返回基態(tài)S0。(3)染料激光器的特點(diǎn)輸出波長(zhǎng)可調(diào)(范圍可達(dá)100nm,但不如鈦寶石激光器)；

脈寬窄(可達(dá)fs級(jí),與鈦寶石激光器相當(dāng));

輸出功率大(可與固體激光器比擬);

價(jià)格便宜；染料均勻性好。但有污染.激光1.5.1典型激光器

(四)半導(dǎo)體激光器——以半導(dǎo)體材料為工作物質(zhì)。

泵浦方式：電流注入1.5.1典型激光器

圖1-26，原子相互影響，使能級(jí)表現(xiàn)為能帶——導(dǎo)帶和價(jià)帶，熱平衡狀態(tài)下，電子基本處于價(jià)帶中，導(dǎo)帶是空著的，導(dǎo)帶和價(jià)帶之間無(wú)能級(jí)，稱為禁帶，圖中EF稱為費(fèi)米能級(jí)，是全滿能級(jí)和全空能級(jí)的分界面，表征電子在能級(jí)中填充的情況。

由于電子基本處于價(jià)帶中，導(dǎo)帶是空著的，外來(lái)光作用下，受激吸收優(yōu)于受激輻射，故無(wú)法產(chǎn)生激光。1.5.1典型激光器

圖1-27，非熱平衡狀態(tài)下，部分電子處于價(jià)帶中，部分電子處于導(dǎo)帶，這時(shí)，如果有外來(lái)光作用，誘導(dǎo)高能態(tài)電子往下躍遷，可能使得受激輻射優(yōu)于受激吸收，產(chǎn)生激光。但是，這對(duì)于常溫下的均勻的半導(dǎo)體材料是不可能的，這時(shí)必須引入兩個(gè)費(fèi)米能級(jí)EFc

和EFv，必須采用重?fù)诫s的PN結(jié)結(jié)構(gòu),并加上足夠的正向電壓。1.5.1典型激光器

1半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)EF本征半導(dǎo)體：EF位于禁帶中心。P型半導(dǎo)體：空穴多，EF降低，重?fù)诫s時(shí)，EF進(jìn)入價(jià)帶N型半導(dǎo)體：電子多，EF升高。重?fù)诫s時(shí)，EF進(jìn)入導(dǎo)帶1.5.1典型激光器

重滲雜的p-n結(jié)形成過(guò)程中,電子從費(fèi)米能級(jí)高的一方向費(fèi)米能級(jí)低的一方流動(dòng)，直至將費(fèi)米能級(jí)拉平(EFN=EFP)為止，載流子停止流動(dòng)。在耗盡區(qū)導(dǎo)帶和價(jià)帶都發(fā)生彎曲。2p-n結(jié)能帶接觸前能級(jí)圖PEFpNEFnPN

接觸后平衡態(tài)p-n結(jié)能帶圖EcEvEF重?fù)诫s1.5.1典型激光器

(1)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)未加正向電壓時(shí),由于自建電場(chǎng)的作用，形成接觸電位差VD

，即高度為eVD=EFn-EFp的勢(shì)壘.3半導(dǎo)體激光器工作原理接觸前能級(jí)圖PEFpNEFnPN

接觸后平衡態(tài)p-n結(jié)能帶圖EcEvEF重?fù)诫s1.5.1典型激光器

加正向電壓V時(shí)，PN結(jié)有正向凈電流流過(guò)，稱為“載流子注入”。外電場(chǎng)部分抵消自建場(chǎng)的作用，使PN結(jié)的勢(shì)壘由eVD下降為e(VD-V）,N區(qū)的費(fèi)米能級(jí)相對(duì)于P區(qū)升高了eV。這時(shí)結(jié)區(qū)的統(tǒng)一費(fèi)米能級(jí)不復(fù)存在，形成結(jié)區(qū)的兩個(gè)費(fèi)米能級(jí)EFc和EFv，稱為準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)，且eV=EFC-EFV。e(VD

-V）EFcEcEFvEvPN未加電壓時(shí)p-n結(jié)能帶圖EcEvEF1.5.1典型激光器

e(VD

-V）EFcEcEFvEv在結(jié)區(qū),

出現(xiàn)四能級(jí)結(jié)構(gòu)：EFV~

E1，Ev~

E2(激光下能級(jí))，Ec~E3(激光上能級(jí))，EFC~E4，粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)就發(fā)生在Ec和EV之間，外來(lái)光子作用下，電子與空穴復(fù)合而發(fā)光，相當(dāng)于受激輻射。這很薄的結(jié)區(qū)，就是外來(lái)光子與半導(dǎo)體作用，從而產(chǎn)生激光的區(qū)域。1.5.1典型激光器

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的條件：eV=EFc-EFv>Ec-Ev=Eg，

這就要求重?fù)诫s,并加足夠的正向電壓V.e(VD

-V）EFcEcEFvEv1.5.1典型激光器

e(VD-V）EFcEcEFvEv（2）輸出特性最小注入電流——閾值電流，是半導(dǎo)體激光器的重要參數(shù)之一，與材料、工藝結(jié)構(gòu)等因素密切相關(guān)，且隨溫度升高而增大。注入電流低于、等

于、高于閾值電流時(shí)，

p-n結(jié)激光器的光輸出

與頻率的關(guān)系不同.輸出的波長(zhǎng)

=Eg/h

1.5.1典型激光器

4半導(dǎo)體激光器的諧振腔

直接利用半導(dǎo)體的解理面組成的平行平面組成諧振腔。反射率通常在30-50%，表明損耗較大，但半導(dǎo)體的轉(zhuǎn)換效率很高，達(dá)30%以上，足以維持足夠的增益。此外，通過(guò)鍍膜，還可提高端面的反射率，獲得更高的增益。1.5.1典型激光器

5半導(dǎo)體激光的模與光束發(fā)散角（1）橫模：橫模較差，形狀不圓。（2）縱模：因腔長(zhǎng)較短,縱模間隔大,容易獲得單縱模.（3）光束發(fā)散角：發(fā)散角較大，可達(dá)20~3001.5.1典型激光器

6常見(jiàn)半導(dǎo)體激光器（1）同質(zhì)半導(dǎo)體激光器

同質(zhì)半導(dǎo)體激光器以GaAs激光器為代表，發(fā)射波長(zhǎng)為0.84um，效率為30%，發(fā)散角約5o。缺點(diǎn)：閾值電流正比于溫度的立方，只能在低溫（液氮）下連續(xù)工作，室溫下只能脈沖工作，壽命較短。分為同質(zhì)結(jié)激光器和異質(zhì)結(jié)激光器兩種。同質(zhì)結(jié)：由同種半導(dǎo)體材料組成的p-n結(jié)。異質(zhì)結(jié)：由不同半導(dǎo)體材料組成的p-n結(jié)。1.5.1典型激光器

（2）異質(zhì)p-n結(jié)激光器

三層結(jié)構(gòu)，中間層的折射率最大，形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，使激光發(fā)射約束在中間層，提高激光轉(zhuǎn)換效率。閾值電流大為降低，可在室溫下連續(xù)工作。

目前商品化的連續(xù)半導(dǎo)體激光器幾乎均為雙異質(zhì)結(jié)型。(3)量子阱激光器:雙異質(zhì)結(jié)的微型化、多層化.1.5.1典型激光器

7半導(dǎo)體激光器的主要應(yīng)用不同材料,產(chǎn)生的激光波長(zhǎng)不同,也就有不同的應(yīng)用.第一類:以GaAs(砷化鎵)和Ga1-xAlxAs為基礎(chǔ)：波

長(zhǎng)約為0.85m,

用于短距離光通信和固體

激光器泵浦源。第二類：以InP(磷化銦)和Ga1-xInxAs1-yPy為基礎(chǔ)：

波長(zhǎng)為0.9～1.65m,其中1.3m和

1.55m則廣泛用于光纖通信。1.5.1典型激光器

第三類：以Ga1-xAlxAs／GaAs和In0.5(Ga1-xAlx)0.5P／

GaAs為基礎(chǔ)：發(fā)射可見(jiàn)光（紅光）,作為

各種信息顯示光源。第四類：以GaＮ(氮化鎵)為基礎(chǔ)：發(fā)射可見(jiàn)光（藍(lán)

綠光），主要用于光儲(chǔ)存。1.5.1典型激光器

本章主要內(nèi)容1.5.1典型激光器1.5.2激光的應(yīng)用

激光的應(yīng)用非常廣泛，幾乎遍及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、醫(yī)療、科學(xué)研究等每一個(gè)領(lǐng)域。根據(jù)各種激光器發(fā)射光的亮度，相干性、準(zhǔn)直性、單色性的不同，應(yīng)用范