激光器汇总.docx

第一部分 激光器 CO激光器： 热平衡状态下的CO分子在振转能级上的布居遵Boltzmann分布 ，即绝大多数CO分子处于振动基态。 CO激光器在58um激光输出 CO分子具有非常大电子碰撞激发截面，因而接近90%的放电能量可以转变成CO分子的振动能量。大约每50次碰撞发生1次VV振动能量交换。 CO激光器要求低温运转 CO分子激光器的波长是CO2激光波长的二分之一，有利于材料的吸收，聚焦特性好，切割能力突出。光电转换效率高，最高可达63% CO激光机的应用：应用于大气中有害气体分析；应用于生物学基础研究；柔性加工；金属切割 多量子阱激光器： 工作波长：波长为1.55m-2.7m的InGaAsSb/AlGaAsSb多量子阱激光器 工作原理：一般半导体激光器有源层厚度约为0.1-0.3um.当有源层厚度减薄到波尔半径或德布罗意波长数量级/一般为10的-10数量级时，就出现量子尺寸效应，这时载流子被限制在有源层构成的势阱内，该势阱成为量子阱，这导致了自由载流子特性发生重大变化。由多个势阱构成的量子阱结构为多量子阱 应用：量子阱半导体大功率激光器在精密机械零件的激光加工方面有重要应用, 同时也成为固体激光器最理想的、高效率泵浦光源 。由于它的高效率、高可靠性和小型化的优点, 导致了固体激光器的不断更新 。 量子级联激光器： 波段：能产生“35 m”的中红外波段和 “813 m”的远红外波段。开创了利用宽带隙材料研制中、远红外半导体激光器的先河。 量子级联激光器是一种多层的量子阱结构，每一层结构包括一个注入区和一个激发区。 量子阱（英语：Quantum well）是指具有离散能量值的势阱。 量子级联激光器是一种单极型激光器，只依赖一种载流子电子。 CO2激光器： 发出的激光波长为10.6 微米，它的工作方式有连续、脉冲两种。CO2激光器的工作物质是CO2气体，辅助气体有N2、He、Xe和H2等。结构形式都是由激光管、谐振腔和激励源三部分组成。在国民经济和国防上都有许多应用，如应用于加工（焊接、切割、打孔等），通讯、雷达、化学分析，激光诱发化学反应，外科手术等方面。 其优点如下：一、它有比较大的功率和比较高的能量转换效率。能量转换效率可达3040%，这也超过了一般的气体激光器。二、它是利用CO2分子的振动-转动能级间的跃迁的，有比较丰富的谱线，在10微米附近有几十条谱线的激光输出。三、它的输出波段正好是大气窗口（即大气对这个波长的透明度较高）。除此之外，它也具有输出光束的光学质量高，相干性好，线宽窄，工作稳定等优点。 氦氖激光器： 氦-氖激光器诞生于1961年；氦氖激光器是惰性气体激光器，输出连光；主要产生的0.6328um的红光和1.15um及3.39um红外光。 工作物质：He-Ne，气压比5:17:1，He-Ne激光器是混合气体器件，Ne为产生激光的物质，He为辅助气体，用来提高Ne泵浦效率，起传递能量的作用； 谐振腔：一般采用平凹抢，平面镜为输出镜，透过率为12%，凹面镜为全反射镜； 泵浦源：采用气体放电或电子束激励。 氦氖激光器由激光管和激光电源组成；激光管由放电管、电极和光学谐振腔组成； 放电管：通常由毛细管和贮气室构成，是产生激光的地方；贮气室与毛细管相连，并不发生气体放电。 亚历山大激光器 采用介质：紫翠玉（变石） 基态-受激-激发态-衰减-亚稳态-释放光子和能量-基态 光开关：提高激光器输出功率和压缩激光脉冲宽度的技术。位于谐振腔内。由光电转换器和石英构成，改变石英折射率来改变光传播路线。 输出波长：755nm 常用脉宽：50100nm 输出能量：4.010.0kj/cm2发射形式：脉冲光，脉宽小于1s 热驰豫时间：热量在靶区的驻留时间 准分子激光器： 定义：以准分子为工作物质的一类气体激光器件。属于脉冲激光器的一种。常用相对论电子束（能量大于200千电子伏特）或横向快速脉冲放电来实现激励。当受激态准分子的不稳定分子键断裂而离解成基态原子时，受激态的能量以激光辐射的形式放出。 准分子激光器的优点：光子能量大、易形成粒子数反转、峰值功率高、量子效率高、重复率高。 准分子的概念和形成：准分子是一种在激发态结合成分子，在基态解离为原子的不稳定缔合物。准分子激光器普遍采用电子束或快速放电泵浦。 准分子激光器的基本结构：激光器的谐振腔用于存储气体、气体放电激励产生激光。它由前腔镜、后腔镜、放电电极和预电离电极构成,并通过两排小孔与储气罐相通,以便工作气体的交换、补充。为了获得均匀大面积的稳定放电, 一般的准分子激光器均采用了预电离技术, 在主放电开始之前, 预电离电极和主放电的阴极之间先加上高压, 使它们之间先发生电晕放电, 在阴极附近形成均匀的电离层。一般高压为20kV30kV 。气体放电时,脉冲高压电源加在电极上对谐振腔内的工作气体放电, 发生能级跃迁产生光子, 通过反射镜的反馈振荡, 最后产生激光从前腔镜输出。 典型应用：(1)首先是在眼科应用方面，用ArF准分子激光在眼球上雕刻出细线，使眼球松弛，曲率减小，进一步减小了近视眼手术治疗的难度。(2)其次，准分子激光的切割，与金刚石刀相比，切口位置及深度可精确控制，XeCl准分子激光器用于使动脉粥样硬化斑块气化，具有边缘齐整且周围组织碳化极小的优点，可望取代心脏旁通术和气球血管成形术。 单量子阱激光器： 量子阱是指由2种不同的半导体材料相间排列形成的、具有明显量子限制效应的电子或空穴的势阱。量子阱的最基本特征是，由于量子阱宽度(只有当阱宽尺度足够小时才能形成量子阱)的限制，导致载流子波函数在一维方向上的局域化。 特点：1.波长随阱宽可调 2. 注入载流子能提供高的增益，微分增益系数大，阈值电流低 3. 特征温度高，适合大功率工作 4. 增益变化引起的折射率变化小，所以谱线窄，频率啁啾小 5. 价带的轻重空穴能级分离，TE,TM模式可控 染料激光器： 染料是一种有机化合物，每个染料分子都有许多原子组成，通常是由数十个原子所组成，其能级结构十分复杂。染料分子的光谱特性不同于原子和离子，也不同于其他的分子，很难把染料发出的荧光归结为哪一个原子所发射 染料分子也是一种四能级系统。 已在紫外(330nm)到红外(1.85微米)相当宽的范围内获得了连续可调谐输出。 自由电子激光器： 将在磁场中运动的电子束的动能转换为光能，不需要实现粒子数反转，不依赖于受激发射 优势：与传统激光器相比具有更宽的频带与调谐范围，当前可涵盖微波、太赫兹、远红外、可见光区、紫外甚至X射线 劣势：电子需要具有相对论速度，产生这样速度的电子过程极为复杂；对电子同步质量的要求高，实现设备复杂而昂贵 氩离子激光器： 工作波长：谱线条数众多，主要分布在蓝绿光区。其中以488.0nm(蓝光)和514.5nm(绿光)两条谱线最强。 工作方式：既可以可连续工作，又可以脉冲工作。 输出功率：实验室水平已达500W。商品化的Ar+激光器连续功率一般为几瓦到一百多瓦。 广泛地应用于激光显示、全息照相、信息处理、光谱分析、医疗和工业加工领域。是目前在可见光区连续输出功率最高的激光器之一。 转换效率0.6% 使用寿命超过1000小时 冷却水冷和风冷。 YAG激光器： 钇铝石榴石（yttrium aluminum garnet） Y3Al5O15 由Y2O3和Al2O3反应生成的一种复合氧化物 Nd:YAG晶体是目前综合性能最为优异的激光晶体。激光波长1064nm，广泛用于军事、工业和医疗等行业。 Nd浓度为0.61.1at.。提高光谱利用率；紫外优势 Yb:YAG晶体，量子效率高（91%），晶体光谱简单，无激发态吸收和上转换，且无荧光浓度猝灭，掺杂浓度高(可达30at.%以上)，有较长的荧光寿命（0.91ms），吸收带带宽(18nm)比Nd:YAG的(4nm）宽得多，能与二极管的泵浦波长有效耦合。在相同的输入功率下，Yb:YAG泵浦生热仅为Nd:YAG的1/4。 Er:YAG晶体，激光波长为2.94微米 Er浓度为50at.。 二极管激光器： 半导体激光二极管的基本结构：垂直于PN结面的一对平行平面构成法布里珀罗谐振腔，它们可以是半导体晶体的解理面，也可以是经过抛光的平面。其余两侧面则相对粗糙，用以消除主方向外其它方向的激光作用。 当有源层内的载流子在大量反转情况下，少量自发辐射产生的光子由于谐振腔两端面往复反射而产生感应辐射，造成选频谐振正反馈，或者说对某一频率具有增益。当增益大于吸收损耗时，就可从PN结发出具有良好谱线的相干光激光，这就是激光二极管的简单原理。一、 大气光通信：二、 概念：自由空间光通信（FS0）是光通信与无线通信的结合，它以激光为载波、大气为传输介质实现大容量信息的传递。三、 自由空间光通信技术的优点：低成本、安全性高。四、 阻碍其发展的因素：大气湍流环境、路径损失。五、 影响大气折射率：气象条件 六、 雾：使光能量迅速衰减 七、 雨雪：光信号失真 八、 背景噪声 九、 日光照射到设备的终端接收器上形成的噪声 十、 飞鸟、树叶等 十一、 外来物阻断光路造成的链路终端持续时间通常只有几毫秒，并且概率很低，不会对系统造成很大影响。十二、 激光大气传播特性：十三、 大气吸收：H2O，CO2，O3，O2大气散射：瑞利、米氏、几何 十四、 大气湍流：由于太阳能加热和风压引起的温度和气压不均匀性所造成传输介质的折射率的变化。十五、 热晕效应：光束加热、发散。十六、 紫外光通信的波段：250-275 nm；臭氧层吸收波段：280 nm十七、 紫外光通信的优点：保密性强；抗干扰能力强；可用于非直视通信；十八、 缺点：仿真模型建模较为复杂十九、 1、多用户分集技术二十、 学术上提出的解决办法：差错控制编码、最大似然序列估计、空间分集。二十一、 另一种解决的技术：多用户分集。二十二、 当弱大气湍流时用对数正态分布模拟信道的衰落，当强湍流条件时，用伽马-伽马分布来模拟信道的衰落。二十三、 中断概率：瞬时信噪比低于给定阈值信噪比的概率。二十四、 分集阶数：一种给定技术抵制衰落的能力。二十五、 系统的容量随着用户的增加而增加。二十六、 2、大气影响和接收耦合二十七、 接收机达到预期通信性能的必须功率，叫接收灵敏度。灵敏度取决于影响检测的噪声源。二十八、 大气窗波长808纳米（硅探测器），1064纳米（的Nd-YAG激光器）或1550纳米 （InGaSb检测，掺铒光纤放大器）是适用的，而950 nm和1300 nm的不理想的FSO系统。二十九、 湍流大气结构常数和初始相干长度对部分相干光束的偏振和相干度有影响。三十、 大气闪烁是指在发射端发射强度恒定的条件下光束通过大气湍流传输后，在接收孔径的光强在时间和空间上围绕平均值作随机起伏的现象。三十一、 孔径平滑：当接收孔径小于某一临界尺寸时，整个孔径上的强度起伏可以认为是一致的，这样的孔径称为点接收孔径，其判据是：dsqrt(z)三十二、 当孔径不满足这个条件时将存在接收强度起伏不相关的小区域，总的接收强度起伏因不相关彼此抵消而减弱。这就是“孔径平滑效应”三十三、 孔径平均效应：增大测量孔径从而可以降低闪烁影响。三十四、 光纤耦合效率随着链路距离的增加或湍流强度增强迅速降低，因为入射光的减小的空间相干性； 相干光纤阵列提高了光纤耦合效率。三十五、三十六、 3、改善-FSO与RF的结合三十七、 自由空间光通信(FSO) 传输距离近；容易受到雾、云等的天气影响；同时射频链路易受雨的影响，对雾、云几乎没有影响，特别是在采用网状结构的重要应用场合。 三十八、 如果用射频(RF)传输做后备，构成一种混合FSO/RF 系统，通过比较接收端光电流的大小来决定系统所使用的链路,两种链路互相补充，将满足高有效性要求的宽带传输。当然在实际使用中只有很少的时间需要倒换到射频链路上。三十九、 深空四十、 RF常规方法：X波段（8-12GHZ电磁波段），目前Ka波段（26.5-40GHZ电磁波段，频带宽，但是受雨水衰落很大，对器件工艺要求高）四十一、 Ppm调制（脉冲位置调试）：利用脉冲宽度表示0和1，宽脉冲表示1，窄脉冲表示0.四十二、 优点：空中传播时，信号由两种宽度表示，解码电路中的单片机会自动将不同于0和1的脉宽的干扰去除，降低系统误码率。四十三、 检测器优化操作目的：减少背景噪声和湍流效应来最大限度提高系统的吞吐量四十四、 试验结果：当背景光子数达到一定后，接收光子随尺寸大小会达到一个饱和值四十五、 传输损耗：大部分的损耗集中在传输过程中的自由空间中四十六、 结论：天线数量多，性能下降，天线口径大，性能提升到一个最大值，综合来说, 135台孔径为0.866米的望远镜组成阵列接收机来实现地球火星间理论最大121Mbps数据速率四十七、 望远镜阵列接收机可以有效的提高数据吞吐量，降低误码率，同时带来在维护上的更大的便利。四十八、四十九、 轨道角动量调制五十、 1、原因：目前脉冲位置调制（PPM ） 被广泛用在深空光通信中，但是频谱效率较低。轨道角动量（orbital angular momentum OAM）本征态是正交的，使用（OAM）调制与其它自由度的组合，来解决未来的深空和近地光通信的高频谱效率，高传输速率。五十一、 3、频谱效率比较：轨道角动量（OAM）调制方案的频谱效率比脉位调制（PPM）好N2/log2N倍。五十二、 4、OAM深空通信的主要挑战：飞船探测和地球站之间的链接，因为大气湍流的存在OAM状态之间不再正交。五十三、五十四、五十五、五十六、 水下激光通信 五十七、 方式：无线电通信：水对电磁辐射的吸收比较强。五十八、 声调制解调：应用最广泛的水下通信系统，传播距离在几千米，但每秒只能传输几百比特，延迟比较高。不能对水下机械进行实时控制。五十九、 无线的光调制解调器系统，可获得Mbit/sec的传输速度，延迟比较低。六十、 光的调制解调方式六十一、 开关键控OOK：OOK功率效率较低且信号检测需设定门限.六十二、 脉冲位置调制PPM ：PPM功率效率高,但增加了系统带宽要求,同时解调需要时隙同步与符号同步,增加了系统实现的难度.六十三、 数字脉冲间隔调制(DPIM)：DPIM调制带宽效率较PPM高,且不需要符号同步,大大简化了系统的复杂度,因此应用于大气激光通信系统具有很好的优势. 六十四、 DPIM调制中，对二进制信息是以组为单位进行调制的，每组的比特数相同，用M来表示，每组的二进制信息比特所对应的时隙称为一个DPIM符号，每个符号所包含的时隙数却是变化不固定的，并且可以分为有保护时隙和无保护时隙两种。六十五、六十六、 海洋透光窗口：450-550纳米波段内蓝绿光六十七、 基本原理：是将语音信号及图像信号调制到激光光波上, 经介质( 水) 传输到潜艇, 再经潜艇接收端解调, 还原成语音或图像信号, 来完成通信。六十八、 激光调制方式：将音频电信号加载到激光上一般采用直接调制和间接调制的方法。间接调制也称麦克尔逊干涉调制, 其原理是将音频电信号加到与动镜相连的压电陶瓷上, 使之在干涉仪中产生有规律的周期变动, 从而获得周期变化的干涉来实现激光的调制,六十九、 双折射：晶体的各向异性，寻常光（O光）-折射定律，非常光（e光）-不服从折射定律，折射率（传播速度）和入射光线在晶体内的方向有关。电光效应：电场改变双折射特性。七十、 蓝绿激光对潜通信主要有三种方案：岸基方式 【由陆上基地台发射出强激光束, 经低轨道“反射镜”中继卫星到深海潜艇的激光传输, 实现与水下潜艇的通信。】天基方式【把大功率激光器置于卫星上，效果最好，难度最大】空基方式 【将大功率激光器置于飞机上】七十一、七十二、 菲涅尔透镜：大幅度削减透镜厚度，节省材料；由聚烯烃材料注压而成的薄片七十三、 接收单元：硅光电二极管（PIN）：把光信号转换成电信号的光电传感器件。七十四、 光电倍增管（PMT）：将微弱光信号转换成电信号的真空电子器件第一部分：1、大尺度区域水汽浓度激光检测主要原理：利用水汽的特定吸收波长，选择水汽分子1.27m附近的单根吸收谱线