激光原理1激光原理1

激光原理第五章典型激光器介紹5.1固體激光器5.2氣體激光器5.3染料激光器5.4半導體激光器5.5其他激光器2激光原理第五章典型激光器介紹5.1固體激光器2§5.1

固體激光器3§5.1固體激光器31960-5-17，TedMaiman發(fā)明第一臺激光器方向性好、單色性好、相干性好、高亮度41960-5-17，TedMaiman發(fā)明第一臺激光器方5.1.1固體激光器的基本結(jié)構(gòu)與工作物質(zhì)圖5-1是長脈沖固體激光器的基本結(jié)構(gòu)示意圖(冷卻、濾光系統(tǒng)未畫出)。

圖5-1固體激光器的基本結(jié)構(gòu)示意圖激光工作物質(zhì)泵浦源聚光腔諧振腔冷卻與濾光輸出能量大峰值功率高結(jié)構(gòu)緊湊，牢固耐用55.1.1固體激光器的基本結(jié)構(gòu)與工作物質(zhì)圖5-1是長脈沖2.紅寶石激光器紅寶石是在三氧化二鋁(A12O3)中摻入少量的氧化鉻(Cr2O3)生長成的晶體。它的吸收光譜特性主要取決于鉻離子(Cr3＋)。如圖5-2所示。它屬于三能級系統(tǒng)，相應于圖5-3的簡化能級模型圖(5-2)紅寶石中鉻離子的吸收光譜0.55um0.4um62.紅寶石激光器紅寶石是在三氧化二鋁(A12O3)中摻入少量圖(5-3)紅寶石中鉻離子的能級結(jié)構(gòu)0.6943um0.6929um優(yōu)點:容易單模輸出缺點:閾值高且溫度效應嚴重紅寶石激光器的優(yōu)點和主要缺點。

機械強度高，容易生長大尺寸晶體7圖(5-3)紅寶石中鉻離子的能級結(jié)構(gòu)0.6943um0.63.摻釹釔鋁石榴石(Nd3＋：YAG)

工作物質(zhì):將一定比例的A12O3、Y2O3，和Nd2O3在單晶爐中進行熔化結(jié)晶而成的，呈淡紫色。它的激活粒子是釹離子(Nd3＋).圖(5-4)Nd3＋:YAG晶體的吸收光譜83.摻釹釔鋁石榴石(Nd3＋：YAG)工作物質(zhì):將一定比例圖(5-5)Nd3＋:YAG的能級結(jié)構(gòu)YAG中Nd3＋與激光產(chǎn)生有關(guān)的能級結(jié)構(gòu)如圖(5-5)所示。它屬于四能級系統(tǒng)。

優(yōu)點:閾值低，具有良好的熱學性質(zhì)9圖(5-5)Nd3＋:YAG的能級結(jié)構(gòu)YAG中Nd3＋與5.1.2固體激光器的泵浦系統(tǒng)固體激光工作物質(zhì)是絕緣晶體，一般都采用光泵浦激勵。目前的泵浦光源多為工作于弧光放電狀態(tài)的惰性氣體放電燈。

2.常用的泵浦燈在空間的輻射都是全方位的，因而固體工作物質(zhì)一般都加工成圓柱棒形狀，所以為了將泵浦燈發(fā)出的光能完全聚到工作物質(zhì)上，必須采用聚光腔。

泵浦光源應當滿足兩個基本條件發(fā)光效率高輻射光的光譜特性應與激光工作物質(zhì)的吸收光譜相匹配105.1.2固體激光器的泵浦系統(tǒng)固體激光工作物質(zhì)是絕緣晶體，3.圖(5-6)所示的橢圓柱聚光腔是小型固體激光器中最常采用的聚光腔，它的內(nèi)表面被拋光成鏡面，其橫截面是一個橢圓。圖(5-6)橢圓柱聚光腔4.固體激光器的泵浦系統(tǒng)需要冷卻。常用的冷卻方式有液體冷卻、氣體冷卻和傳導冷卻等，其中以液冷最為普遍。

5.泵浦燈和工作物質(zhì)之間插入濾光器件濾去泵浦光中的紫外光譜。

焦線位置焦線位置113.圖(5-6)所示的橢圓柱聚光腔是小型固體激光器中最常采用5.1.3固體激光器的輸出特性1.固體激光器的激光脈沖特性

2.轉(zhuǎn)換效率

總體效率定義為激光輸出與泵浦燈的電輸入之比。對于連續(xù)激光器(用功率描述)和脈沖激光器(用能量描述)分別表示為：一般的脈沖固體激光器產(chǎn)生的激光脈沖是由一連串不規(guī)則振蕩的短脈沖(或稱尖峰)組成的，各個短脈沖的持續(xù)時間約為(0.1

1)s，各短脈沖之間的間隔約為(510)s。泵浦光愈強，短脈沖數(shù)目愈多，其包絡(luò)峰值并不增加。

可用調(diào)Q技術(shù)得到激光巨脈沖125.1.3固體激光器的輸出特性1.固體激光器的激光脈沖特13135.1.4新型固體激光器1.半導體激光器泵浦的固體激光器

圖(5-7)半導體激光器泵浦固體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖半導體激光器泵浦固體激光器與閃光燈泵浦固體激光器相比有其主要優(yōu)點

半導體激光器泵浦固體激光器的結(jié)構(gòu)，有如圖(5-7)(a)所示的端泵浦方式和圖(5-7)(b)所示的側(cè)泵浦方式。能量轉(zhuǎn)換效率高工作時無功熱量小、介質(zhì)溫度穩(wěn)定、激光譜線更窄壽命長,結(jié)構(gòu)簡單145.1.4新型固體激光器1.半導體激光器泵浦的固體激光器2.可調(diào)諧固體激光器——輸出波長可變化

可調(diào)諧固體激光器主要有兩類：色心激光器用摻過渡族金屬離子的激光晶體制作的可調(diào)諧激光器。

3.高功率固體激光器

高功率固體激光器主要是指輸出平均功率在幾百瓦以上的各種連續(xù)、準連續(xù)及脈沖固體激光器，它一直是軍事應用和激光加工應用所追求的目標。

關(guān)鍵技術(shù)：克服固體工作物質(zhì)中的熱效應152.可調(diào)諧固體激光器——輸出波長可變化可調(diào)諧固體激光器主§5.2

氣體激光器16§5.2氣體激光器165.2.1

氦-氖(He-Ne)激光器1.He-Ne激光器的結(jié)構(gòu)和激發(fā)機理

圖(5-9)He-Ne激光器的基本結(jié)構(gòu)形式

He-Ne激光器可以分為內(nèi)腔式、外腔式和半內(nèi)腔式三種。175.2.1氦-氖(He-Ne)激光器1.He-Ne激光器圖(5-10)與激光躍遷有關(guān)的Ne原子的部分能級圖He-Ne激光器是典型的四能級系統(tǒng)，其激光譜線主要有三條:3S2P0.6328m2S2P1.15m3S3P3.39m

Ne原子的激光上能級是3S和2S能級，激光下能級是3P和2P能級。

18圖(5-10)與激光躍遷有關(guān)的Ne原子的部分能級圖He-N2.He-Ne激光器的輸出特性

(1)譜線競爭:He-Ne激光器三條強的激光譜線(0.6328m，1.15m，3.39m)中哪一條譜線起振完全取決于諧振腔介質(zhì)膜反射鏡的波長選擇。(2)輸出功率特性:He-Ne激光器的放電電流對輸出功率影響很大。圖(5-11)是實驗測得的輸出功率與放電電流的關(guān)系曲線圖(5-11)輸出功率與放電電流的關(guān)系曲線192.He-Ne激光器的輸出特性(1)譜線競爭:He-NeHe-Ne激光器存在著最佳混合比和最佳充氣總壓強，即存在最佳充氣條件。在最佳充氣條件下，使輸出功率最大的放電電流叫最佳放電電流

若放電毛細管的直徑為d，充氣壓強為p，則存在一個使輸出功率最大的最佳pd值。在最佳放電條件下，工作物質(zhì)的增益系數(shù)和毛細管直徑d成反比。

20He-Ne激光器存在著最佳混合比和最佳充氣總壓強，即存在最佳1.Threebasicprocessesofradiation.2.Howisalaserproduced?

LASER(1)Absorption(2)SpontaneousEmission(3)StimulatedEmission(1)Stimulatedemission(2)PopulationInversion(3)OpticalCavity211.Threebasicprocessesofra1.CO2激光器的結(jié)構(gòu)和激發(fā)過程

圖(5-12)封離式CO2激光器結(jié)構(gòu)示意圖圖(5-12)是一種典型的結(jié)構(gòu)示意圖。構(gòu)成CO2激光器諧振腔的兩個反射鏡放置在可供調(diào)節(jié)的腔片架上，最簡單的方法是將反射鏡直接貼在放電管的兩端。

5.2.2

CO2激光器221.CO2激光器的結(jié)構(gòu)和激發(fā)過程圖(5-12)封離式CCO2激光器中與產(chǎn)生激光有關(guān)的CO2分子能級圖如圖(5-13)所示。

圖(5-13)與產(chǎn)生激光有關(guān)的CO2分子能級圖躍遷幾率大23CO2激光器中與產(chǎn)生激光有關(guān)的CO2分子能級圖如圖(5-132.CO2激光器的輸出特性

相應于CO2激光器的輸出功率，其放電電流有一個最佳值。CO2激光器的最佳放電電流與放電管的直徑，管內(nèi)總氣壓，以及氣體混合比有關(guān)。

(1)放電特性

CO2激光器的轉(zhuǎn)換效率是很高的，但最高也不會超過40％，這就是說，將有60％以上的能量轉(zhuǎn)換為氣體的熱能，使溫度升高。而氣體溫度的升高，將引起激光上能級的消激發(fā)和激光下能級的熱激發(fā)，這都會使粒子的反轉(zhuǎn)數(shù)減少。并且，氣體溫度的升高，將使譜線展寬，導致增益系數(shù)下降。特別是，氣體溫度的升高，還將引起CO2分子的分解，降低放電管內(nèi)的CO2分子濃度。

(2)溫度效應

242.CO2激光器的輸出特性相應于CO2激光器的輸出功率，5.2.3Ar+離子激光器1.Ar＋激光器的結(jié)構(gòu)

Ar＋激光器一般由放電管、諧振腔、軸向磁場和回氣管等幾部分組成。如圖(5-14)所示為石墨放電管的分段結(jié)構(gòu)。

圖(5-14)分段石墨結(jié)構(gòu)Ar+激光器示意圖255.2.3Ar+離子激光器1.Ar＋激光器的結(jié)構(gòu)Ar2.Ar＋激光器的激發(fā)機理

Ar＋激光器與激光輻射有關(guān)的能級結(jié)構(gòu)如圖(5-15)所示

圖(5-15)與產(chǎn)生激光有關(guān)的Ar+的能級結(jié)構(gòu)262.Ar＋激光器的激發(fā)機理Ar＋激光器與激光輻射有3.Ar＋激光器的工作持性Ar＋激光器可以產(chǎn)生多條激光譜線，對應每條譜線都有一個閾值電流。最強譜線:0.4880um,0.5145um(1)多譜線工作(2)輸出功率與放電電流的關(guān)系由于Ar＋激光器特殊的激發(fā)機制，其輸出功率隨放電電流的變化規(guī)律與其它激光器有所不同，圖(5-16)示出了其間的關(guān)系曲線。

圖(5-16)Ar+激光器輸出功率隨放電電流變化曲線273.Ar＋激光器的工作持性Ar＋激光器可以產(chǎn)§5.3

染料激光器28§5.3染料激光器285.3.1染料激光器的激發(fā)機理1.染料分子能級

染料分子能級圖是如圖(5-17)所示的準連續(xù)態(tài)能級結(jié)構(gòu)。

圖(5-17)染料分子能級圖295.3.1染料激光器的激發(fā)機理1.染料分子能級染料分子2.染料分子的光輻射過程

如圖(5-18)所示染料的吸收-熒光光譜圖圖(5-18)染料的吸收-熒光光譜圖3.染料分子的三重態(tài)“陷阱”

302.染料分子的光輻射過程如圖(5-18)所示染料的吸收-熒5.3.2染料激光器的泵浦1.閃光燈脈沖泵浦

泵浦用閃光燈有兩種結(jié)構(gòu)，普通直管式和同軸式。

2.激光脈沖泵浦

能夠用于泵浦染料激光器的激光種類很多，主要有氮分子激光器(0.337m)，紅寶石激光器(0.6943m)，YAG激光器(1.06m)，銅蒸氣激光器(0.5106m、0.5782m)，準分子激光器(主要在紫外區(qū))以及這些激光的二次、三次諧波等。

315.3.2染料激光器的泵浦1.閃光燈脈沖泵浦泵浦用Nd:YAGBrilliantBDyeLaserTDL-90LaserSourceTunableDyeLaserPumpedByNd:YAGLaser32Nd:YAGDyeLaserLaserSource32AlignmentofthedyelaserOptics33AlignmentofthedyelaserOpt5.3.3染料激光器的調(diào)諧1.光柵調(diào)諧

圖(5-20)是一種光柵-反射鏡調(diào)諧腔，放在腔中的光柵G具有擴束和色散作用。

圖(5-20)光柵-反射鏡調(diào)諧腔345.3.3染料激光器的調(diào)諧1.光柵調(diào)諧圖(5-20)是2.棱鏡調(diào)諧

圖(5-21)是一種折疊式縱向泵浦染料激光器原理圖，腔內(nèi)放置的棱鏡是一種色散元件。圖(5-21)棱鏡調(diào)諧腔352.棱鏡調(diào)諧圖(5-21)是一種折疊式縱向泵浦染料激光器§5.4

半導體激光器36§5.4半導體激光器365.4.1半導體的能帶和產(chǎn)生受激輻射的條件1.在一個具有N個粒子相互作用的晶體中，每一個能級會分裂成為N個能級，因此這彼此十分接近的N個能級好象形成一個連續(xù)的帶，稱之為能帶，見圖圖(5-23)固體的能帶375.4.1半導體的能帶和產(chǎn)生受激輻射的條件1.在一個具有N2.純凈(本征)半導體材料，如單晶硅、鍺等，在絕對溫度為零的理想狀態(tài)下，能帶由一個充滿電子的價帶和一個完全沒有電子的導帶組成，如圖圖(5-24)本征半導體的能帶結(jié)構(gòu)3.熱平衡時，電子在能帶中的分布不再服從玻爾茲曼分布，而服從費米分布，能級E被電子占據(jù)的幾率為382.純凈(本征)半導體材料，如單晶硅、鍺等，在絕對溫度為零4.雜質(zhì)半導體中費米能級的位置與雜質(zhì)類型及摻雜濃度有密切關(guān)系。為了說明問題，圖(5-25)給出了溫度極低時的情況。5.在半導體中產(chǎn)生光放大的條件是在半導體中存在雙簡并能帶，并且入射光的頻率滿足圖(5-25)費米能級的位置與雜質(zhì)類型及摻雜濃度關(guān)系394.雜質(zhì)半導體中費米能級的位置與雜質(zhì)類型及摻雜濃度有密切關(guān)系5.4.2PN結(jié)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)1.P-N結(jié)的雙簡并能帶結(jié)構(gòu)

把P型和N型半導體制作在一起，是否可能在結(jié)區(qū)產(chǎn)生兩個費米能級呢？

未加電場時，P區(qū)和N區(qū)的費米能級必然達到同一水平，如圖(5-26)。

圖(5-26)PN能帶405.4.2PN結(jié)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)1.P-N結(jié)的雙簡并能帶結(jié)構(gòu)在P-N結(jié)上加以正向電壓V時，形成結(jié)區(qū)的兩個費米能級和，稱為準費米能級，如圖(5-27)。

圖(5-27)正向電壓V時形成的雙簡并能帶結(jié)構(gòu)41在P-N結(jié)上加以正向電壓V時，形成結(jié)區(qū)的兩個費米能級2.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

產(chǎn)生受激輻射的條件是在結(jié)區(qū)的導帶底部和價帶頂部形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。

激光器在連續(xù)發(fā)光的動平衡狀態(tài)，導帶底電子的占據(jù)幾率為價帶頂空穴的占據(jù)幾率可以用P區(qū)的準費米能級來計算

價帶頂電子占據(jù)幾率則為在結(jié)區(qū)導帶底和價帶頂實現(xiàn)粒子（電子）數(shù)反轉(zhuǎn)的條件是422.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生受激輻射的條件是在結(jié)區(qū)的導帶底部和價1.半導體激光器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

圖(5-28)GaAs激光器的結(jié)構(gòu)5.4.3半導體激光器的工作原理和閾值條件

圖(5-28)示出了GaAs激光器的結(jié)構(gòu)。

431.半導體激光器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理圖(5-28)Ga2.半導體激光器工作的閾值條件

激光器產(chǎn)生激光的前提條件除了粒子數(shù)發(fā)生反轉(zhuǎn)還需要滿足閾值條件

增益系數(shù)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的關(guān)系也取決于諧振腔內(nèi)的工作物質(zhì)

442.半導體激光器工作的閾值條件激光器產(chǎn)生激光的前提條件除3.半導體激光器的閾值電流

在一定的時間間隔內(nèi)，注入激光器的電子總數(shù)與同樣時間內(nèi)發(fā)生的電子與空穴復合數(shù)相等而達到平衡453.半導體激光器的閾值電流在一定的時間間隔內(nèi)，注入激光器5.4.4同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)半導體激光器

1.同質(zhì)結(jié)砷化鎵(GaAs)激光器的特性圖(5-29)GaAs激光器的伏安特性伏安特性:與二極管相同，也具有單向?qū)щ娦浴?/p>

閾值電流密度:影響閾值的因素很多

465.4.4同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)半導體激光器1.同質(zhì)結(jié)砷化鎵(方向性:圖(5-30)給出了半導體激光束的空間分布示意圖。

圖(5-30)激光束的空間分布示意圖47方向性:圖(5-30)給出了半導體激光束的空間分布示意圖。光譜特性:圖(5-31)是GaAs激光器的發(fā)射光譜。其中圖(a)是低于閾值時的熒光光譜，譜寬一般為幾百埃，圖(b)是注入電流達到或大于閾值時的激光光譜，譜寬達幾十埃。

圖(5-31)GaAs激光器的發(fā)射光譜48光譜特性:圖(5-31)是GaAs激光器的發(fā)射光譜。其中轉(zhuǎn)換效率

直接將電功率轉(zhuǎn)換為光功率，轉(zhuǎn)換效率極高

外微分量子效率:

功率效率:功率效率定義為激光器的輸出功率與輸入電功率之比

49轉(zhuǎn)換效率直接將電功率轉(zhuǎn)換為光功率，轉(zhuǎn)換效率極高外微單異質(zhì)結(jié)半導體激光器

雙異質(zhì)結(jié)半導體激光器圖(5-32)同質(zhì)結(jié)、異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)示意圖2.異質(zhì)結(jié)半導體激光器50單異質(zhì)結(jié)半導體激光器雙異質(zhì)結(jié)半導體激光器圖(5-32)同高亮度半導體激光器

小功率半導體激光器

小功率光纖耦合半導體激光器

大功率光纖耦合輸出的半導體激光

光通信系統(tǒng)固體激光泵浦醫(yī)療、微加工、打標、照明、激光打印機、全息照相、激光準直、測距等領(lǐng)域超小型高效率結(jié)構(gòu)簡單價格便宜51高亮度半導體激光器小功率半導體激光器小功率光纖耦合半導體§5.5

其他激光器52§5.5其他激光器525.5.1準分子激光器1.準分子激光器的特點