光电子学与光电子器件第二章-激光课件

光电子学与光电子器件,张永爱,物理与信息工程学院,第二章 激光,光的受激辐射概念的产生,普朗克1900年，辐射量子化假设；,波尔1913年，原子中电子运动状态的量子化假设；,爱因斯坦1917年，提出受激辐射概念。,黑体辐射规律,H原子光谱实验规律,任何物质在一定温度下都要辐射和吸收电磁辐射。,黑体：能够完全吸收任何波长的电磁辐射的物体。,热平衡状态：,黑体吸收的辐射能量 = 黑体发出的辐射能量,空腔辐射体,单色能量密度,在单位体积V内，频率处于v处的单位频率间隔内的电磁辐射能量E,Planck辐射能量量子化假说,黑体辐射Planck公式：,激光的基本原理、特性和应用 玻尔假说,玻尔假说：,1）原子存在某些定态，在这些定 态中不发出也不吸收电磁辐射能。 原子定态的能量只能采取某些分立 的值E1、 E2 、 、En ，而不 能采取其它值。,2）只有当原子从一个定态跃迁到 另一个定态时，才发出和吸收电磁 辐射。,玻尔频率条件：,式中h为普郎克常数：,激光的基本原理、特性和应用-波尔假说,激光的基本原理、特性和应用-波尔假说,原子能级,原子从高能级向低能级跃迁时，相当于光的发射过程；而从低能级向高能级跃迁时，相当于光的吸收过程；两个相反的过程都满足玻尔条件。,基态：能级中能量最低,激光的基本原理、特性和应用-粒子数分布,波尔兹曼分布律,若原子处于热平衡状态，各能级上粒子数目的分布将 服从一定的规律。设T 为原子体系的热平衡绝对温度； Nn为在能级En上的粒子数则,即随着能级增高，能级上的粒子数Nn按指数规律减少， 式中k为波尔兹曼常数。,按这个正则分布规律,在热平衡状态中，高能级上的粒子数N2一定小于低能级上的粒子数N1，两者的比例由体系的温度决定。,激光的基本原理、特性和应用-粒子数分布,光与物质相互作用,一）自发辐射,自发辐射跃迁,定义,在没有外界电磁场辐射作用的情况下，处于高能态E2的一个原子可以自发向低能态E1跃迁，与此同时发射一个能量为E2-E1hv的光子,-由原子自发跃迁所发射光子,自发跃迁几率A21,定义表达式,自发跃迁的过程只与原子本身性质有关，与外界辐射关， A21只决定于原子本身的性质， 自发跃迁几率A21也称为爱因斯坦A系数。,减少率dN2,式中,N20是t=0时的N2值,是N20个原子在能态E2上的平均停留时间， 也叫原子在能态E2上的平均寿命， 数值上它等于自发跃迁几率倒数,由上式可知，自发跃迁过程使得高能级上的 原子以指数规律衰减。,能级的寿命,粒子在E2 能级上停留的平均时间称为粒子在该能级上的平均寿命，简称寿命。,上式表明，N2减少的快慢与A21有关。自发辐射系数 A21愈大，自发辐射过程就愈快，经过相同时间 t 后， 留在E2上的粒子数N2就愈少。令 =1/A21，反映 粒子平均在E2能级上的寿命。它恰好是E2上粒子数减 少为初始时的1/e 约（36%）所用的时间。,于是有,由上式可以看出，自发辐射系数小，自发辐射的过程 就慢，粒子在E2能级上的寿命就长，原子处在这种状 态就比较稳定。寿命特别长的激发态称为亚稳态。其 寿命可达10-31s，而一般激发态寿命仅有10-8s。,能级的寿命,三）受激吸收-由受激辐射的逆过程,定义,当存在外界电磁辐射时，原子系统与外界电磁辐射相互作用，处于低能态E1的原子在频率为 的辐射的作用下，可受激地从能态E1向能态E2跃迁，并发射一个能量为 光子,B12 是一个原子能级系统的特征参数，每两个能级间有一个确定的B12值。,为描述这个过程，引进爱因斯坦受激吸收系数B12。,设辐射场中单色辐射能量密度为u(v)度，则在单位体积中，从能级 E1 跃迁到 E2 的粒子数为,U12 的物理意义是在单位时间内，在单色辐射能量密度u(v)的光照下，由于受激吸收而从能级E1跃迁到E2上的粒子数与能级E1上的总粒子数之比，也可以理解为每一个处于能级E1的粒子，在u(v)的光照下，在单位时间内发生受激吸收的几率。 因此，受激吸收的过程是一个既与原子性质有关，也与外来辐射场的u(v)有关的过程。,二）受激辐射,定义,当存在外界电磁辐射时，原子系统与外界电磁辐射相互作用，处于高能态E2的原子在频率为 的辐射的作用下，可受激地从能态E2向能态E1跃迁，并发射一个能量为 光子,-由受激辐射跃迁发射光子,式中B21 叫做爱因斯坦受激辐射系数，它是原子能级 系统本身的特征参数；U21 则表示在单位时间内，在 单色辐射能量密度u(v) 的光照下，由于受激辐射而从 高能级E2 跃迁到E1 的粒子数与E2 能级总粒子数之比， 也就是在E2 能级上每一个粒子在单位时间内发生受激 辐射的几率。,受激辐射与自发辐射的区别,受激辐射与自发辐射虽然都是从高能级向低能级跃迁并发射光子的过程，但这两种辐射却存在着重要的区别。最重要的区别在于光辐射的相干性，由自发辐射所发射的光子的频率、相位、振动方向都有一定的任意性，而受激辐射所发出的光子在频率、相位、振动方向上与激发的光子高度一致，即有高度的简并性。一般说在自发辐射过程中，总伴有受激辐射产生，辐射场越强，受激辐射也随之增加，自发辐射光功率I自和受激辐射I受分别为,在热平衡状态下，受激辐射是很弱的，自发辐射占绝对优势， 但在激光器中，情况发生很大变化，这时已不是热平衡状态， 受激辐射的强度比自发辐射的强度大几个数量级。,激光的基本原理、特性和应用-三种跃迁过程,细致平衡,激光的基本原理、特性和应用-爱因斯坦公式,普朗克黑体辐射公式,玻尔条件,激光的基本原理、特性和应用-爱因斯坦公式,至此可以看出： A21、B12、B21三个爱因斯坦系数是相互关联的，它们之间存在着内在的联系，决不是相互孤立的； 对一定原子体系而言，自发辐射系数A与受激辐射系数B之比正比于频率的三次方，因而E1与E2能级差越大，就越高，A与B的比值也就越大，也就是说越高越易自发辐射，受激辐射越难，一般地，在热平衡条件下，受激辐射所占比率很小，主要是自发辐射。,介质的增益和增益饱和,一）介质增益,波尔兹曼分布定律,N1和N2分别是能级E1和E2上的粒子数， g1、g2分别是能级E1和E2的简并度，k是波耳兹曼常数。,在光频区hvkT,正常分布 受激吸收 占主导 光衰减，吸收,反转分布 受激辐射 占主导 光放大 有增益,粒子数反转和光放大,（1）当（N2/N1）1时，粒子数按波尔兹曼正则分布。 此时有dN12dN21，宏观效果表现为光被吸收。,2）当（N2/N1）1时，高能级E2上的粒子数N2大于 低能级E1上的粒子数N1，出现所谓的“粒子数反转分布” 情况。形成激光的必要条件。此时有dN21dN12，宏观 效果表现为光被放大，或称光增益。,能造成粒子数反转分布的介质称为激活介质或增益介质。,激光器的基本结构,激励能源,激活介质,使入射光得到放大，是核心,供给工作物质能量,只让与反射镜轴向平行的光束能在激活介质中来回地反射，连锁式地放大。最后形成稳定的激光输出。,光抽运,激光束,激活介质的粒子数反转与增益系数,三能级系统原理,E1为基态，E2、E3 为激发态，中间能级E2为亚稳态。 在泵浦作用下，基态E1的粒子被抽运到激发态E3上， E1上的粒子数N1随之减少。但由于E3能级的寿命很 短，粒子通过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态寿命长，其上就累积了大量的 粒子，即N2大于N1，于是实现了亚稳态E2与基态E1间 的粒子数反转分布。,三能级激光器的效率不高，原因是抽运前几乎全部粒 子都处于基态，只有激励源很强而且抽运很快，才可 使N2 N1 ，实现粒子数反转。,四能级系统原理,四能级系统是使系统在两个激发态E2、E1之间实现粒 子数反转。因为这时低能级E1 不是基态而是激发态， 其上的粒子数本来就极少，所以只要亚稳态E2上的粒 子数稍有积累，就容易达到N2 大于N1，实现粒子数反 转分布，在能级E2 、E1 之间产生激光。于是，E3 上 的粒子数向E2 跃迁， E1上的粒子数向E0 过渡，整个 过程容易形成连续反转，因而四能级系统比三能级系 统的效率高。,谐振与阈值,M1(R1,T1),M2(R2,T2),反射率分别为R1、R2，透射率分别为T1、T2,要使光在这个过程中产生的增益大于其损耗，则必须保证：R2R1exp(2GL)1,即,对于给定的谐振腔R1、R2，L是一定的。从上式可见， 要使其左端大于或等于1，必须使增益系数G大于某个 最低值Gm，这个使上式成立的Gm值，就是谐振腔的 阈值增益上式称为谐振腔的阈值条件。,综上所述，形成激光的必要条件有两个,在激光器工作物质内的某些能级间实现粒子数反转分布,激光器必须满足阈值条件,基模腰斑半径,等相位面曲率半径,共焦镜的焦距,激光器的输出特性,1）激光器的阈值条件,损耗：反射镜和腔内元件的散射和吸收损耗，衍射损耗、工作物质内部不均匀或吸收引起的损耗及激光器输出损耗等,总的损耗系数为,产生振荡,产生激光,阈值增益系数,振荡器的阈值条件,同一横模不同纵模具有相同的， 因而具有相同的阈值 ；,不同横模具有不同的衍射损耗， 因而具有不同的阈值， 高阶横模的阈值比基模大；,阈值反转集居数密度 ：,三能级系统,四能级系统,短脉冲激光器,三能级系统,四能级系统,是实际激发到能级E3的粒子数与他们能跃迁到能级E2上的粒子数比，其比值小于1,h-普朗克常数,V增益介质的体积,n-总粒子数密度,泵浦光频率,连续激光器,三能级系统,四能级系统,工作物质的总量子效率,三能级系统所需的阈值能量比四能级系统大得多,？,四能级系统的激光下能级在基态之上，n2=0 ，只须将 个粒子激发到能级E3上就能使增益克服腔的损耗而产生激光；而在三能级系统中，激光的下能级是基态，因此至少须将 个粒子激发到能级E2上才能使增益克服腔的损耗而产生激光，而 , 所以三能级系统的阈值能量或阈值功率要比四能级系统大得多。,连续激光器,脉冲激光器,2）输出功率（能量）,-斜率效率,总体效率,定义为激光输出与光泵输入之比,光泵输入远远大于阈值时，即产生激光,3）模式-模体积,不同横模在腔内扩展的空间范围不同，把某一个模式在腔内所扩展的空间范围,模体积大，对该模式振荡有贡献的激发态粒子数多,模体积有贡献的激发态粒子数输出功率,例：（二氧化碳激光器） =10.6m, L=1m, 2a=20mm =5.3cm3 V=314cm3 / V = 5.3 / 314 = 1.7% 难以获得高功率,高阶模体积 模阶次 ，模体积 ,模的阶次高，扩展空间范围宽，模式体积大，高阶模体积VmnV00,4）激光束的发射角,基模光束有优良的方向性，高阶模的发散角随模阶次m,n而增大, 光束方向性变差,激光的特性,一）激光的空间相干性和方向性,激光为什么具有高度的空间相干性和方向性？,单基模结构和方向性考虑,从方向性来讲，单横模结构具有最好的方向性；如果是多横模结构，由于不同模式的光波场是不相干的，所以激光的空间性程度减小，而另一方面，多横模结构由于高阶模发射角增大而使方向性变差。,对于单基模结构，因为是同一模式的光波场与 同一光子等效，所以同一模式的光波场是相干；,激光器工作在TEM00单横模,空间相干性,合理选择光学谐振腔的类型,增加腔长,方向性,方向性好,二）激光的时间相干性和单色性,相干长度,激光的单色性量度常用 比值来表征,物理意义是在小于或等于相干长度范围内的任意两点间的光场都是完全相干的,激光高单色性，能极大提高各种 光学干涉测量方法的精度和量限,激光的单色性,光缆,相干性好,全息照相,三）激光的高强度,光波模式和光子状态是等效的，也就是说一种光波模式对应一个光子状态，因此同一状态的光子或同一模式的光波是相干的，不同状态的光子或不同模式的光波是不相干的；,激光能量在时间和空间上高度集中，能在极 小区域产生几百万度的高温。,激光加工、激光手术、激光武器等就利用 了高亮度的特点。,激光打孔,激光切割,低能激光武器,高能激光武器,2.7 高斯光束及其光学变换,高斯光束,光学谐振腔激光器所发出的光波场规律呈高斯曲线分布，在波阵面上振幅分布是不均匀的,一）基模高斯光束,与传播轴线相交于z点的 等相位面的光斑半径,与传播轴线相交于z点的 等相位面的曲率半径,基模高斯光束的腰斑半径,高斯光束的共焦参数,基模高斯光束的特征参数,1. 用w0 (或f )及位置表征； 已知 w0 (或 f) w(z), R(z),等参数,2. 用w(z)及R(z)表征; 已知 w(z), R(z) w0 , z,设,q(z)高斯光束的复数曲率半径,3. 高斯光束的q参数,q 参数物理意义：同时反映光斑尺寸及波面曲率半径随z的变化,q 参数表征高斯光束的优点: 将描述高斯光束的两个参数w(z)和R(z)统一在一个参数中, 便于研究高斯光束通过光学系统的传输规律 高斯光束三种描述方法的比较,q0参数将w0和f联系一起,二）高斯光束的传输规律,1）高斯光束在自由空间的传输规律,由此可得,2）高斯光束通过薄透镜的变换,薄膜透镜成像规律,高斯光束经焦距F的薄透镜变换,即,薄透镜对高斯光束复数 曲率半径与球面波曲率 半径有相同的变换规律,已知F、l、w0,求通过透镜后,一）高斯光束聚焦,像方高斯光束腰斑的大小,a）F一定时， 随 变化情况曲线图,设束腰放大率M（像方束腰大小与物方束腰大小之比）,即,当l=0时，不论透镜焦距多大，只要焦距大于0它总会有聚焦作用，且像距始终小于F，即像方腰斑位置在透镜后焦点以内。,当,时,透镜焦距F越小聚焦效果越好,高斯光束的聚焦方法,二）高斯光束的准直,改善方向性，压缩发散角,高斯光束的发散角,经薄透镜变换,a)单透镜对高斯光束发射角准直,因,所以,如何借助透镜改善高斯光束的方向性,？,b）用倒装望远镜对高斯光束准直,由上式可知，一个给定望远镜对高斯光束的 准直倍率不仅与望远镜的本身结构有关，还 与高斯光束的腰斑及腰斑与副镜的距离有关,三）高斯光束匹配,模匹配问题的提出： 使一个激光谐振腔振荡的单模高斯光束注入到另一个谐振腔内能激发出相同的模式。（注入到光学系统的是基横模，激发的也是该光学系统的一个相应单模，使注入模的能量转变为激发模的能量） 问题实质透镜变换, 情况1：已知w0, w0, 确定透镜焦距F及透镜的距离 l, l,同乘,若F 确定 便可确定 l, l ( Ff0 ), 情况2: 两腔相对位置固定 (即两个光腰之间的距离),及w0, w0确定, 为了实现模匹配, F 如何选择,固体激光器,1960-5-17，Ted Maiman 发明第一台激光器,方向性好、单色性好、相干性好、高亮度,固体激光器的基本结构与工作物质,长脉冲固体激光器的基本结构示意图(冷却、滤光系统未画出)。,固体激光器的基本结构示意图,激光工作物质 泵浦源 聚光腔 谐振腔 冷却与滤光,输出能量大 峰值功率高 结构紧凑，牢固耐用,图 红宝石中铬离子的能级结构,0.6943um,0.6929um,优点: 容易单模输出,缺点: 阈值高且温度效应严重,红宝石激光器的优点和主要缺点。,机械强度高，容易生长大尺寸晶体,红宝石激光器,红宝石是在三氧化二铝(A12O3)中掺入少量的氧化铬(Cr2O3)生长成的晶体。它的吸收光谱特性主要取决于铬离子(Cr3)。如图所示。它属于三能级系统-简化能级模型,图 红宝石中铬离子的吸收光谱,0.55um,0.4um,掺钕钇铝石榴石(Nd3：YAG),工作物质:将一定比例的A12O3、Y2O3，和Nd2O3在单晶炉中进行熔化结晶而成的，呈淡紫色。它的激活粒子是钕离子(Nd3).,图 Nd3:YAG 晶体的吸收光谱,图 Nd3:YAG 的能级结构,YAG中Nd3与激光产生有关的能级结构如图所示。 它属于四能级系统。,优点: 阈值低， 具有良好的热学性质,固体激光器的泵浦系统,固体激光工作物质是绝缘晶体，一般都采用光泵浦激励。目前的泵浦光源多为工作于弧光放电状态的惰性气体放电灯。,2. 常用的泵浦灯在空间的辐射都是全方位的，因而固体工作物 质一般都加工成圆柱棒形状，所以为了将泵浦灯发出的光能 完全聚到工作物质上，必须采用聚光腔。,泵浦光源应当满足两个基本条件,发光效率高 辐射光的光谱特性应与激光工作物质的吸收光谱相匹配,图所示的椭圆柱聚光腔是小型固体激光器中最常采用的聚光腔， 它的内表面被抛光成镜面，其横截面是一个椭圆。,图 椭圆柱聚光腔,固体激光器的泵浦系统需要冷却。常用的冷却方式有液体冷却、 气体冷却和传导冷却等，其中以液冷最为普遍。,泵浦灯和工作物质之间插入滤光器件滤去泵浦光中的紫外光谱。,焦线位置,焦线位置,固体激光器的输出特性,1. 固体激光器的激光脉冲特性,2. 转换效率,总体效率定义为激光输出与泵浦灯的电输入之比。对于连续激光 器(用功率描述)和脉冲激光器(用能量描述)分别表示为：,一般的脉冲固体激光器产生的激光脉冲是由一连串不规则振荡 的短脉冲(或称尖峰)组成的，各个短脉冲的持续时间约为(0.1 1)s，各短脉冲之间的间隔约为(510) s。泵浦光愈强，短脉 冲数目愈多，其包络峰值并不增加。,可用调Q技术得到激光巨脉冲,新型固体激光器,1. 半导体激光器泵浦的固体激光器,半导体激光器泵浦固体激光器的结构示意图,半导体激光器泵浦固体激光器与闪光灯泵浦固体激光器相比有 其主要优点,半导体激光器泵浦固体激光器的结构，有如图a所示的端泵浦方式和图b所示的侧泵浦方式。,能量转换效率高 工作时无功热量小、介质温度稳定、激光谱线更窄 寿命长,结构简单,2. 可调谐固体激光器输出波长可变化,可调谐固体激光器主要有两类： 色心激光器 用掺过渡族金属离子的激光晶体制作的可调谐激光器。,3. 高功率固体激光器,高功率固体激光器主要是指输出平均功率在几百瓦以上的各种 连续、准连续及脉冲固体激光器，它一直是军事应用和激光加 工应用所追求的目标。,关键技术：克服固体工作物质中的热效应,气体激光器,氦-氖(He-Ne)激光器,1. He-Ne激光器的结构和激发机理,He-Ne激光器的基本结构形式,He-Ne激光器可以分为内腔式、外腔式和半内腔式三种。,与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图,He-Ne激光器是典型的四能级系统，其激光谱线主要有三条 : 3S2P 0.6328m 2S2P 1.15m 3S3P 3.39m,Ne原子的激光上能级是3S和2S能级，激光下能级是3P和2P能级。,2. He-Ne激光器的输出特性,(1)谱线竞争:He-Ne激光器三条强的激光谱线(0.6328m， 1.15m，3.39m)中哪一条谱线起振完全取决于谐振腔介质膜 反射镜的波长选择。,(2)输出功率特性: He-Ne激光器的放电电流对输出功率影响很大。图是实验测得的输出 功率与放电电流的关系曲线,输出功率与放电电流的关系曲线,He-Ne激光器存在着最佳混合比和最佳充气总压强，即存在最佳充气条件。 在最佳充气条件下，使输出功率最大的放电电流叫最佳放电电流 若放电毛细管的直径为d，充气压强为p，则存在一个使输出功率最大的最佳 pd值。 在最佳放电条件下，工作物质的增益系数和毛细管直径d成反比。,1. Three basic processes of radiation.,2. How is a laser produced?,LASER,(1) Absorption (2) Spontaneous Emission (3) Stimulated Emission,(1) Stimulated emission (2) Population Inversion (3) Optical Cavity,1. CO2激光器的结构和激发过程,封离式CO2激光器结构示意图,图是一种典型的结构示意图。构成CO2激光器谐振腔的两个反射镜放置在可供调节的腔片架上，最简单的方法是将反射镜直接贴在放电管的两端。,CO2激光器,CO2激光器中与产生激光有关的CO2分子能级图如图所示。,与产生激光有关的CO2分子能级图,跃迁几率大,2. CO2激光器的输出特性,相应于CO2激光器的输出功率，其放电电流有一个最佳值。CO2 激光器的最佳放电电流与放电管的直径，管内总气压，以及气体混合比有关。,(1) 放电特性,CO2激光器的转换效率是很高的，但最高也不会超过40，这就是说，将有60以上的能量转换为气体的热能，使温度升高。而气体温度的升高，将引起激光上能级的消激发和激光下能级的热激发，这都会使粒子的反转数减少。并且，气体温度的升高，将使谱线展宽，导致增益系数下降。特别是，气体温度的升高，还将引起CO2分子的分解，降低放电管 内的CO2分子浓度。,(2)温度效应,Ar+离子激光器,1. Ar激光器的结构,Ar激光器一般由放电管、谐振腔、轴向磁场和回气管等几部分组成。如图所示为石墨放电管的分段结构 。,分段石墨结构Ar+激光器示意图,2. Ar激光器的激发机理,Ar激光器与激光辐射有关的能级结构如图所示,与产生激光有关的Ar+的能级结构,3. Ar激光器的工作持性,Ar激光器可以产生多条激光谱线，对应每条谱线都有一个 阈值电流。最强谱线:0.4880um,0.5145um,(1)多谱线工作,(2)输出功率与放电电流的关系,由于Ar激光器特殊的激发机制，其输出功率随放电电流的变化规律与其它激光器有所不同，图示出了其间的关系曲线。,Ar+激光器输出功率随放电电流变化曲线,染料激光器,5.3.1 染料激光器的激发机理,1. 染料分子能级,染料分子能级图是如图所示的准连续态能级结构。,染料分子能级图,2.染料分子的光辐射过程,如图所示染料的吸收-荧光光谱图,染料的吸收-荧光光谱图,3. 染料分子的三重态“陷阱”,染料激光器的泵浦,1.闪光灯脉冲泵浦,泵浦用闪光灯有两种结构，普通直管式和同轴式。,2.激光脉冲泵浦,能够用于泵浦染料激光器的激光种类很多，主要有氮分子激光器(0.337m)，红宝石激光器(0.6943m)，YAG激光器(1.06m)，铜蒸气激光器(0.5106m、0.5782m)，准分子激 光器(主要在紫外区) 以及这些激光的二次、三次谐波等。,Nd:YAG Brilliant B,Dye Laser TDL-90,Laser Source Tunable Dye Laser Pumped By Nd: YAG Laser,Alignment of the dye laser Optics,染料激光器的调谐,1. 光栅调谐,图是一种光栅-反射镜调谐腔，放在腔中的光栅G具有 扩束和色散作用。,光栅-反射镜调谐腔,2. 棱镜调谐,图是一种折叠式纵向泵浦染料激光器原理图，腔内放置的棱镜是一种色散元件。,棱镜调谐腔,半导体激光器,半导体的能带和产生受激辐射的条件,1.在一个具有N个粒子相互作用的晶体中，每一个能级会分裂成为N个能级，因此这彼此十分接近的N个能级好象形成一个连续的带，称之为能带，见图,固体的能带,2. 纯净(本征)半导体材料，如单晶硅、锗等，在绝对温度为零的理想状态下，能带由一个充满电子的价带和一个完全没有电子的导带组成，如图,本征半导体的能带结构,3.热平衡时，电子在能带中的分布不再服从玻尔兹曼分布，而服从费米分布，能级E被电子占据的几率为,4.杂质半导体中费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度有密切关系。为了说明问题，图给出了温度极低时的情况。,5.在半导体中产生光放大的条件是在半导体中存在双简并能带，并且入射光的频率满足,费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度关系,PN结和粒子数反转,1. P-N结的双简并能带结构,把P型和N型半导体制作在一起，是否可能在结区产生两个费米能级呢？,未加电场时，P区和N区的费米能级必然达到同一水平，如图所示。,PN能带,在P-N结上加以正向电压V时，形成结区的两个费米能级 和 ，称为准费米能级，如图所示。,正向电压V时形成的双简并能带结构,2. 粒子数反转,产生受激辐射的条件是在结区的导带底部和价带顶部形成粒子数反转分布。,激光器在连续发光的动平衡状态，导带底电子的占据几率为,价带顶空穴的占据几率可以用P区的准费米能级来计算,价带顶电子占据几率则为,在结区导带底和价带顶实现粒子（电子）数反转的条件是,1. 半导体激光器的基本结构和工作原理,图 GaAs激光器的结构,半导体激光器的工作原理和阈值条件,图示出了GaAs激光器的结构。,2. 半导体激光器工作的阈值条件,激光器产生激光的前提条件除了粒子数发生反转还需要满足阈值条件,增益系数和粒子数反转的关系也取决于谐振腔内的工作物质,3.半导体激光器的阈值电流,在一定的时间间隔内，注入激光器的电子总数与同样时间内发生的电子与空穴复合数相等而达到平衡,同质结和异质结半导体激光器,1. 同质结砷化镓(GaAs)激光器的特性,图 GaAs激光器的伏安特性,伏安特性: 与二极管相同，也具有单向导电性。,阈值电流密度: 影响阈值的因素很多,方向性: 图给出了半导体激光束的空间分布示意图。,图 激光束的空间分布示意图,光谱特性: 图是GaAs激光器的发射光谱。其中图(a)是低于阈值时的荧光光谱，谱宽一般为几百埃，图(b)是注入电流达到或大于阈值时的激光光谱，谱宽达几十埃。,图(5-31) GaAs激光器的发射光谱,转换效率 直接将电功率转换为光功率，转换效率极高,外微分量子效率:,功率效率:功率效率定义为激光器的输出功率与输入电功率之比,单异质结半导体激光器,双异质结半导体激光器,图同质结、异质结结构示意图,2. 异质结半导体激光器,高亮度半导体激光器,小功率半导体激光器,小功率光纤耦合半导体激光器,大功率光纤耦合输出的半导体激光,光通信系统 固体激光泵浦 医疗、微加工、打标、 照明、激光打印机、 全息照相、激光准直、测距等领域,超小型 高效率 结构简单 价格便宜, 其他激光器,准分子激光器,1.准分子激光器的特点,图准分子的能级结构,能级结构有明显的特点。如图所示，A表示较高激发态，B表示激光上能级，C表示基态。,由于基态寿命很短，即使是超短脉冲情况下，基态也可认为是空的，因此准分子体系对产生巨脉冲特别有利。,激光下能级是基态，基本上没有无辐射损耗。因此量子效率很高，这是准分子激光器可能达到高效率的主要原因。,由于激光下能级的离子迅速离解，因而拉长脉宽和高重复率工作都没有困难。,由于准分子的荧光光谱为一连续带，故可做成频率可调谐器件。,2.准分子激光器的泵浦方式,电子束泵浦,快速放电泵浦 快速放电泵浦方式多采用所谓布鲁姆莱(Blumlein)电路,横向泵浦 纵向泵浦 同轴电子束泵浦,小型准分子激光器,自由电子激光器,1.自由电子激光器的工作物质是自由电子束，它和普通激光器的根本区别在于：辐射不是基于原子、分子或离子的束缚电子能级间的跃迁。,2.自由电子激光的特点,3.目前，自由电子激光器仍处于试验阶段，离实际应用尚有相当一段距离。,将化学能直接转换成激光。,化学激光器,1.化学激光器是指基于化学反应来建立粒子数反转而产生受激辐射的一类激光器。化学激光器的工作物质可以是气体或液体，但目前大多数是用气体。,2.化学激光器具有如下三方面的特点,输出的激光波长丰富。,高功率、高能量激光输出。,激光高能加工技术及应用,1. 激光加工概况,2. 常见工业激光加工技术,2.1 淬火技术,2.2 激光表面熔凝技术,2.3 激光焊接技术,2.4 激光去除材料技术激光打孔,2.5 激光武器,激光高能加工技术及应用,无论是哪一种激光加工的方法，都要将一定功率激光束聚焦于被加工物体上，使激光与物质相互作用。,一般都是利用激光的热效应,激光加工概况,吸收激光,材料加热,熔化与汽化,等离子体屏蔽,加工材料范围广：适用于加工各种金属材料和非金属材料，特别适用于加工高熔点材料，耐热合金及陶瓷、宝石、金刚石等硬脆材料。 加工性能好：工件可离开加工机进行加工，可透过透明材料加工，可在其他加工方法不易达到的狭小空间进行加工。,激光加工的特点,可进行微细加工：激光聚焦后焦点直径理论上可小至1以下，实际上可实现0.01mm的小孔加工和窄缝切割。 非接触加工方式，热变形小，加工精度较高。 加工速度快，效率高。 不仅可以打孔和切割，也可进行焊接、热处理等工作。 可控性好，易于实现自动控制。加工设备昂贵。,是利用聚焦后的激光束照射到钢铁材料表面，使其温度迅速升高到相变点以上。当激光移开后，由于仍处于低温的内层材料的快速导热作用，使表层快速冷却到马氏体相变点以下，获得淬硬层。,硬度 强度 耐磨性,常见工业激光加工技术,淬火,齿轮轴激光表面淬火,卷曲机大面积激光相变,影响：疲劳强度、耐腐蚀性、耐磨性等,激光表面熔凝技术,激光表面融凝技术,激光融覆技术,杂质、气孔、化合物释放出来,基层表面添加熔覆材料,激光辐射能量作用于材料表面并转化为热量，表面热量通过热传导向内部扩散，使材料融化，在两材料连接区的部分形成熔池。在激光束向前运动后，熔池中的熔融金属随之凝固，形成连接两块材料的焊缝,激光焊接技术,LOGO,激光焊接的优点 激光焊接所需能量密度较低，因不需将材料气化蚀除，而只要将工件的加工区烧熔使其粘合在一起。 没有焊渣，不需去除工件氧化膜，可实现不同材料之间的焊接，特别适宜微型机械和精密焊接。,当激光束照射到工件表面时，光能被吸收，转化成热能，使照射斑点处温度迅速升高、熔化、气化而形成小坑，由于热扩散，使斑点周围金属熔化，小坑内金属蒸气迅速膨胀，产生微型爆炸，将熔融物高速喷出并产生一个方向性很强的反冲击波，于是在被加工表面上打出一个上大下小的孔。,激光去除材料技术激光打孔,激光切割的特点 激光切割具有切缝窄、速度快、热影响区小、省材料、成本低等优点，并可以在任何方向上切割，包括内尖角。 可以切割钢板、不锈钢、钛、钽、镍等金属材料，以及布匹、木材、石头、纸张、塑料等非金属材料。,激光去除材料技术激光切割,(1) 气化切割 工件在激光作用下快速加热至沸点，部分材料化作蒸汽逸去，部分材料为喷出物从切割缝底部吹走。激光功率密度一般为108cm2左右，是无熔化材料的切割方式（木材、碳素、塑料等）。 (2) 熔化切割 激光将工件加热至熔化状态，与光束同轴的氩、氦、氮等辅助气流将熔化材料从切缝中吹掉。熔化切割所需的激光功率密度一般为107cm2左右.,激光切割的分类,LOGO,(3) 氧助熔化切割 这种方法主要用于金属材料的切割。切割过程可归结为预热燃烧去渣的重复进行。实现激光氧助熔化切割必须满足下列加工的条件： a.被切割金属的燃点要低于其熔点 b.生成的熔渣的熔点应低于金属的熔点 c.燃烧能放出大量的热；,激光去除材料技术激光打标,激光去除材料技术激光雕刻,激光雕刻,激光雕刻,激光雕刻,激光内雕机采用定光式和动光式相结合的工作方式，在计算机控制下，通过水晶体与激光聚焦点的相对运动，激光聚焦点在水晶内微爆炸形成一个小点，由无数有序的点组成一幅精致、完美的立体图案。,激光雕刻,2.5 激光武器,激光武器是指利用激光的能量直接摧毁目标或杀伤破坏其组成部分使之丧失战斗力的武器称为激光武器。,激光武器的结构,光束定向器,激光器,作战指挥系统,三. 激光准直技术,1. 激光光刻,2. 激光测距,3. 激光制导,集成电路制造中利用光学-化学反应原理和化学、物理刻蚀方法，将电路图形传递到单晶表面或介质层上，形成有效图形窗口或功能图形的工艺技术。 随着半导体技术的发展，光刻技术传递图形从常规光学技术发展到应用电子束、X射线、微离子束、激光等新技术；使用波长已从4000埃扩展到0.1埃数量级范围。光刻技术成为一种精密的微细加工技术。,1. 激光光刻（有掩模板）,光复印工艺：经曝光系统将预制在掩模版上的器件或电路图形按所要求的位置，精确传递到预涂在晶片表面或介质层上的光致抗蚀剂薄层上。 刻蚀工艺：利用化学或物理方法，将抗蚀剂薄层未掩蔽的晶片表面或介质层除去，从而在晶片表面或介质层上获得与抗蚀剂薄层图形完全一致的图形。,激光光刻主要过程,利用激光测量目标距离的方法叫激光测距。激光测距技术可根据不同用途，研制不同的测距仪，目前世界上各种型号的激光测距仪已有200多种。,2. 激光测距,激光测距的原理主要是用激光器发射激光信号，然后利用接收器接收到激光回波，通过计时器计算时间差，就可探测出目标的距离。,二、激光在军事上的应用,激光测距特点 优点：操作简便，速度快，只要瞄准目标，几秒钟便可测得数据；测量精度高，例对卫星测轨，精度可达4厘米；体积小，重量轻；抗电磁干扰能力强。 缺点：不能全天候使用；作用距离受天气和战场条件影响较大。,利用激光控制弹体的飞行方向，引导风形体沿着预订轨道运行的技术叫激光制导技术。,3. 激光制导,激光显示技术,激光显示技术分为三种类型,（一）是激光阴极射线管LCRT（Laser Cathode Ray Tube） ，基本原理是用半导体激光器代替阴极射线显像管的荧光 屏来实现的一种新型显示器件。,（二）是激光光阀显示，基本原理是激光速仅用来改变某 些材料（如液晶等）的光学参数（折射率或透过率），而 再用另外的光源把这种光学参数变化而构成的像投射到屏 幕上，从而实现图像显示。,（三）是直观式（点扫描）电视激光显示，它是将经过信 号调制了的RGB三色激光束直接通过机械扫描方法偏转扫 描到显示屏上。,激光面板基本结构,1964年尼古拉G巴索夫博士（诺贝尔物理学奖获得者）提出用电子束激发半导体导致受激发射或得到激光的设想。 60年代中列别捷夫物理研究所在液氦温度下实现了绿光的发射。直到近年来才研制出几种主要颜色的室温下工作半导体材料。 1999年，Principia Optics Inc公司获得4.5万伏阳极电压下能在室温下工作的红、绿、蓝激光CRT样机，完成了商业化的第一步。,LCRT结构图,LCRT的工作原理除了用半导体激光器代替荧光面板外，激光CRT实质上就是一个标准的投影用阴极射线管。（LCRT的基本结构如图所示。） 半导体材料的两面与镜面相邻接从面形成一个激光器的谐振腔，并与一片衬底相结合从而形成一块激光面板。用电子束扫描激光面板时，在电子束轰击到的地方就产生出激光来。这种激发的物理机制和荧光CRT相似，只是产生的是激光而不是荧光。,单片半导体是由宽谱带间隙的II-VI族单晶化 合物（如ZnS、ZnSe、CdS、CdSSe、ZnO等） 构成的。通过选择合适的材料，完全可以获 得可见光谱上的任何一个波长。为了减少损 耗，激光腔只有几个微米厚。激光面板预计 能承受长时间的高能电子束轰击，达到10000 至20000小时的寿命。,激光功率与阳极电压关系,激光输出功率与注入功率的关系,表对应5504K和6504K色温所需的红、绿、蓝发光功率,LCRT的分辨率能够做得很高，在CRT电流为2mA时， 电子束直径为25m，其激光束直径略小于电子束斑 直径为20m，目前激光面板的光栅尺寸为40mm30 mm，它可以给出20001500个像素。目前正在向真正 的影院放映质量的方向努力。,表 数字电影放映机预期参数,LCRT同时也是一种理想的影院放映光源，它不会产生 损害胶片的红外和紫外强光。预期可以延长胶片的放映 寿命，所以可以做为兼容的数字/胶片放映机。,激光光阀显示,图所示为激光光阀显示。优点是清晰度极高。它是 利用激光束对液晶进行热写入寻址，,激光光阀显示,激光束写入原理为：把介电各向异性为正的近晶相液晶夹于两片带有透明电极的玻璃基板之间（其中一片玻璃基板内涂有激光吸收层），构成液晶光阀。 把聚焦约为10m的YAG激光束照射到液晶光阀上，被吸收膜吸收后变成热能并传给液晶。于是照射部分的液晶随温度上升，从近晶相，经由向列相变成各向同性液体。 当激光束移向他处，液晶温度急剧下降，出现由各相同性液体-向列液晶-近晶相的转变的相变过程。由于速冷作用，相变过程中形成一种具有光散射的焦锥结构，这种结构一直保持到图像擦除。别一方面没有照射部分的液晶仍为垂直于表面取向的透明结构。这样通过对激光束的调制和扫描，便可在整个画面上形成光散射结构和透明结构的稳定共存。,擦除过程是：用电擦除法，即在液晶层上施加高于条件 阈值（约70kV/cm）的高电场E，使之反加到初始的透明 结构。这种擦除方式速度极快，已被广泛使用。,点扫描激光电视,直接扫描式激光电视系统如图所示。其中应包括RGB 激光光源，扫描装置，光强调制，和扫描同步控制部分。,显示原理 外部视频/PC信号被分解为三原色经颜色转换后调制三束激光的强度；被调制的光信号经过光缆传输到扫描系统，激光束被偏转（行扫描：转镜，帧扫描：振镜）投射到屏幕上，“写”出图像。 基本结构 RGB激光光源 激光调制 扫描投射系统 图像变换光学系统 光导传输 电子控制和软件,直接激光扫描激光电视利用了激光器的色纯度高，色域比一般彩色电视大的特点。 显示的图像色彩更加鲜艳、逼真。 直接扫描方式与光学系统成像不同，无聚焦范围限制，可以在任何反光物体上显示，所以可以在建筑物上，水幕上（水幕电视），烟雾上（空中显示）等特殊效果。,激光器选择,激光电视扫描的屏幕时，屏幕亮度可由人眼 视觉暂留时间内平均输出亮度来计算。屏蔽 幕亮度用L，光通量用表示，可得：,采用氩离子激光器可以得到上述大多数蓝、 绿光谱线。下面以美国相干公司Innova激光 产品为例，它所包括的谱线及功率如下表所 示。氪离子激光器可以得到红光谱线，以及 混合气体激光器可以得到全彩色谱线。,表 氩氪混合气体激光器输出谱线,表 Innova氩离子激光器谱线及功率分布,固体激光器以及半导体激光泵浦的全固态激光器是当今发展最快的激光器，可以产生连续输出的谱线主要为YAG的1064nm，1319nm及946nm。如果用这些谱线倍频，可以得到532nm绿光，660nm红光及473nm蓝光。它们也可以做为RGB全色激光显示的光源。 用固体激光器泵浦的非线性光学参量激光器也可以得到RGB全色激光输出。,蓝光446nm：4.8W 绿光532nm：6.5W 红光628nm：7.0W 脉宽：80MHz 光束质量M2：100:1（线性） 振幅噪声：2% rms 寿命：1000小时/5年,该系统采用半导体激光泵浦的钒酸钇SESAM高重负 率锁模激光输出的1064nm功率为42W的基频光，倍 频后得到532nm绿光，部分透过的基频光泵浦KTA 晶体的参量振荡产生1535nm的参量振荡光，628nm 的红光是由1535nm的参量光与1064nm基频光在 KTA晶体中和频产生，446nm的蓝光是由1535nm的 参量光与前级产生的628nm红光在LBO晶体中和频 产生。采用锁模激光器可以得到高重负率，同时也 可以由锁模激光短的相干长度减少屏幕视觉的散斑 效应。,激光的基本技术,调Q技术的基本思想,当激光上能级积累的反转粒子数不多时，人为地控制 阈值使其很高，由于阈值很高，激光输出变得困难，从而 抑制激光振荡产生，但是，光泵不断地激励，从而使激光 上能级将不断积累粒子数，当反转粒子数达到最大值时， 突然降低激光器的阈值，由于此时的反转粒子数大大超过 激光器的阈值反转粒子数，因此，在腔内以极快的速度建 立极强的激光振荡，在很短的时间内大量抽空激光上能级 粒子数，同时输出一个极强的尖锐脉冲 调Q技术。,调Q脉冲技术,调Q技术的实质,人为地控制激光器的阈值,激光器的阈值反转粒子数,2. 调Q方法,激光器Q值,调节Q值可通过调节腔内的损耗实现,二）电光调Q利用晶体的电光效应来实现调Q,依据： 放在谐振腔内的电光晶体在外加电场的作用下，使入射偏振光的振动方向发生变化，人为的在腔内引入可控的等效反射损耗。,YAG晶体在Xe灯的激励下产生无规则偏振自然光，该自然光通过偏振器后，变成线偏振光（如X方向线偏振光），若调Q晶体未加电压，该光沿轴线方向（光轴）通过晶体，其偏振状态不发生变化，经全反射镜反射后，将再次无变化地通过调Q晶体和偏振器，电光Q开关处于“打开”状态。,电光调Q激光器的工作原理,假设调Q晶体施加 电压时，自然光经偏振器变成线偏振光，线偏振光经电光晶体、全反镜、电光晶体后，因电光效应，会在相应的感应主轴x、y方向上产生新的 相位差，从晶体再次出射时，总的相位差就为 ，合振动会变成线偏振光，但它的振动方向会与原起偏方向垂直，此偏振光不能通过偏振器，电光Q处于“关闭”状态。,调Q激光脉冲的建立过程，各参量随时间的变化情况，如图所示。 图(a)表示泵浦速率Wp随时间的变化； 图(b)表示腔的Q值是时间的阶跃函数(蓝虚线)； 图(c)表示粒子反转数n的变化； 图(d)表示腔内光子数随时间的变化。,电光调Q激光器的关键技术：,精确地保证调Q晶体上加入 电压时，Q开关处于 “关闭”状态；,精确地控制退掉调Q晶体上所加电压的时间。,可以分储能和振荡两个阶段讨论它的调Q原理。,单块双 电光Q开关,带偏振器的Q开关激光器需加偏振器，使腔内元件增多，因而增加了腔内损耗，降低了调Q效率。把晶体做成双 的形式，使晶体起着偏振、Q开关两个作用，克服了上述Q开关激光器的缺点。,双 Q开关的特点 优点： （1）双 电光Q开关可以省去偏振器，适用于产生自然光的YAG、钕玻璃等。一块晶体相当于三个元件。 （2）输出的光是自然光，因此比输出线偏光的激光器效率高一倍。 缺点： （1）晶体的结构复杂，加工困难。保证双 以及晶体的方位也不容易。 （2）由于加 电压，因此实用起来有一定的困难。单 Q开关可以克服上述缺点。,单块单 电光开关,分两个阶段讨论其工作原理： 粒子数积累阶段和脉冲形成阶段。 结论： 单 Q开关相当于带一个偏振器的Q开关。,单 Q开关的特点 优点：结构简单，加工容易，插入损耗小；加电压 比双 Q开关低一倍；适合各种工作物质。 缺点：输出的是线偏光，比 双 输出功率低；存在口径效应。,4.5、锁模技术,超短脉冲技术,1、自由运转（非锁模）多模激光器的输出特性,纵模频率,每个纵模的电场表达式,总的输出,自由运转多模激光器的各个振荡模式的振幅和相位是 彼此独立的、随机的，则总的是各个模式光场的非相 干叠加,各纵模Eq, wq, jq不同，输出为多个纵模无规叠加的结果,2、锁模原理 多纵模相位锁定,锁模物理机制：采取措施使腔内各个纵模的初始相位 保持一致或各纵模间有确定的相位关系, 输出为等间 隔短脉冲序列。,举例: 三个纵模锁定后的光波叠加,n1 , n2 , n3 n2 = 2n1, n3 = 3n1 E1 = E2 = E3 = E0 , j1 = j2 = j3 = 0,讨论: 假设