1、第三章 激光器件 3.1 激光器的種類 1. 按工作物質(zhì)分類 固體激光器 紅寶石（Al 2O3：Cr+3）、摻釹釔鋁石榴石（YAG：Nd3+） 、釹玻璃 氣體激光器 原子氣體（He-Ne) ; 分子氣體（CO2） ;離子氣體（Ar+ Kr+ ） 半導(dǎo)體激光器 雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)電注入式GaAs二極管激光器 液體激光器 有機(jī)染料液體；無機(jī)化合物溶液,2.按運(yùn)轉(zhuǎn)方式分類 單脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)激光器 可提供中等水平脈沖激光功率和較高水平脈沖激光能量 重復(fù)脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)激光器 可提供中等水平脈沖激光功率和中等水平脈沖激光能量 連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)激光器 稍低于脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)方式輸出的功率水平 Q突變運(yùn)轉(zhuǎn)激光器 可提供極高的脈沖激光功率輸出,3

2、.按激勵方式分類 光泵激勵激光器 電激勵激光器 化學(xué)反應(yīng)激勵激光器 熱激勵激光器 核能激勵激光器 4.按波段范圍分類 紅外區(qū)：遠(yuǎn)紅外（251000m）;中紅外（2.525 m ）; 近紅外（0.752.5 m ） 可見區(qū)：(0.40.75 m) 紫外區(qū)：近紫外（ 0.20.4 m);真空紫外(0.0050.2 m) X射線區(qū)：,4,3.2 固體激光器的基本結(jié)構(gòu)與工作物質(zhì),一、固體激光器基本上都是由工作物質(zhì)、泵浦系統(tǒng)、諧振腔和冷卻、濾光系統(tǒng)構(gòu)成的。下圖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)。,固體激光器的基本結(jié)構(gòu)示意圖,二、紅寶石激光器,紅寶石是在三氧化二鋁(A12O3)中摻

3、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)，如圖所示為簡化能級模型 ，它屬于三能級系統(tǒng)。,紅寶石中鉻離子的能級結(jié)構(gòu),E3能級壽命109秒， E2能級壽命103秒，激光波長6943埃。,8,3.3 固體激光器的泵浦系統(tǒng),1. 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。,3.圖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

4、面，其橫截面是一個橢圓。,橢圓柱聚光腔,4. 固體激光器的泵浦系統(tǒng)還要冷卻和濾光。常用的冷卻方式有液體冷卻、氣體冷卻和傳導(dǎo)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。,9,3.4 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。紅寶石激光器的效率0.10.4， YAG：Nd3+激光器的效率12。,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(0.11)m，各短脈沖之間的間隔約為(510) s。泵浦光愈強(qiáng)，短脈沖數(shù)目愈多，其

5、包絡(luò)峰值并不增加。,10,3.5氣體放電激光器氦-氖(He-Ne)激光器,1. He-Ne激光器的結(jié)構(gòu)和激發(fā)機(jī)理,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，如圖所示。,與產(chǎn)生激光有關(guān)的Ne原子的部分能級圖，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。,11,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 : 3S2P 0.6328 2S2P 1.15 3S3P 3.39,(1)電子碰撞激發(fā) (2)共振轉(zhuǎn)移激發(fā) He (23S1 ) + Ne He + Ne (2s2) +E (0.

6、039eV ) He (23S1 ) + Ne He + Ne (2s3) +E (0.058eV ) He (21S0 ) + Ne He + Ne (3s2) +E (0.048eV ) He (21S0 ) + Ne He + Ne (3s1) +E (0.044eV ) (3) 管壁效應(yīng),13,2. He-Ne激光器的輸出特性,(1) 譜線競爭: He-Ne激光器三條強(qiáng)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。圖是實驗測得的輸出功率與放電電流的關(guān)系

7、曲線,輸出功率與放電電流的關(guān)系曲線,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 He-Ne激光器存在著最佳混合比和最佳充氣總壓強(qiáng)，即存在最佳充氣條件。 若放電毛細(xì)管的直徑為d，充氣壓強(qiáng)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(xì)管直徑d成反比。,14,3.6 半導(dǎo)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。,固體的能帶,2. 純凈(本征)半導(dǎo)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

8、個完全沒有電子的導(dǎo)帶組成。,本征半導(dǎo)體的能帶,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(fèi)米分布，能級E被電子占據(jù)的幾率為,15,1.雜質(zhì)半導(dǎo)體中費(fèi)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，下圖給出了溫度極低時的情況。,2.在半導(dǎo)體中產(chǎn)生光放大的條件是在半導(dǎo)體中存在雙簡并能帶，并且入射光的頻率滿足,費(fèi)米能級的位置與雜質(zhì)類型及摻雜濃度關(guān)系,16,3.7 PN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(dǎo)體制作在一起，是否可能在結(jié)區(qū)產(chǎn)生兩個費(fèi)米能級呢？,未加電場時，P區(qū)和N區(qū)的費(fèi)米能級必然達(dá)到同一水平，如圖。,PN能帶,在P-N結(jié)上加以正向電壓V

9、時，形成結(jié)區(qū)的兩個費(fèi)米能級 和 ，稱為準(zhǔn)費(fèi)米能級，如圖。,正向電壓V時形成的雙簡并能帶結(jié)構(gòu),17,2. 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(dǎo)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(dǎo)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(zhǔn)費(fèi)米能級來計算,價帶頂電子占據(jù)幾率則為,在結(jié)區(qū)導(dǎo)帶底和價帶頂實現(xiàn)粒子（電子）數(shù)反轉(zhuǎn)的條件是,18,1. 半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理,GaAs激光器的結(jié)構(gòu),3.8 半導(dǎo)體激光器的工作原理和閾值條件,圖示為GaAs激光器的結(jié)構(gòu)。,2. 半導(dǎo)體激光器工作的閾值條件,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),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,20,3.半導(dǎo)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(fù)合數(shù)相等而達(dá)到平衡,21,3.9 同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器,1. 同質(zhì)結(jié)砷化鎵(GaAs)激光器的特性,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娦裕鐖D所示。,閾值電流密度: 影響閾值的因素很多,方向性: 圖給出了半導(dǎo)體激光束的空間分布示意圖。,激光束的空間分布示意圖,22,光譜特性:下圖是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