应用光电-第四讲..

2020 4 8 1 先进战术激光系统 20090613 在2009年完成摧毁助推阶段导弹的演示试验 2 波尔兹曼分布 由n0个相同原子组成的系统 在热平衡条件下 原子数按能级分布服从波尔兹曼定律 热平衡条件下 处于高能级状态的粒子数总是小于处于低能级状态的粒子数 玻尔兹曼统计分布 3 3激光产生的条件 2020 4 8 3 3 3 1激光产生的必要条件1 粒子数反转光束通过原子与分子系统时 总是同时存在受激发射与受激吸收的过程 从爱因斯坦关系可知 一般受激吸收远大于受激发射 粒子处于基态 如果激发态的电子数远远多于基态电子数 就会使激光工作物质中受激发射占主导地位 这种状态即 3 3激光产生的条件 必要条件 粒子数反转分布减少振荡模式充分条件 起振稳定振荡 形成稳定激光 2020 4 8 4 考虑一个二能级 系统的粒子数的分布情况 设有一光束通过此系统 频率为 由于受激吸收和发射的存在 光束的能量要发生变化 经dt时间后有 单位体积因吸收减少 单位体积因发射增加 能量总的变化为 由爱因斯坦关系得 2020 4 8 5 由上式可知 光束在传播过程中能量密度的增减由括号中运算的值决定 据此可以把工作物质状态分为两类 1 粒子数正常分布满足 当物质处于热平衡时有 由于 于是粒子数分布总有 工作物质中具有较低能量的一个能级上的粒子数大于较高能量的一个能级上的粒子数即 2020 4 8 6 2 粒子数反转满足 光束在此工作物质中传播光能密度不断增加 正常分布 2020 4 8 7 在激活介质中 粒子数是反转分布的 粒子在能级上的分布情况与波尔兹曼分布情况相反 是 上多下少 而要达到粒子数反转分布 需要一个机构将低能级粒子抽到高能级 这种机构称为泵浦源 2 减少振荡模式数基于方向性 单色性的考虑 右图表示了谐振腔中光的振荡 R1 1 R2 1 a 激活介质中的光放大 b 谐振腔中光的振荡 2020 4 8 8 3 3 2激光产生的充分条件1 起振条件 阈值条件由于R2 1 光在镜面上总有透射损失 镜面和腔内激活介质还存在吸收 散射等损失 因此光的增益超过损失时 光波才能被放大 进而振荡 即有阈值 设激活介质的增益系数为 谐振腔长为L 则光束通过单程L后 强度变化关系为 为单程增益 谐振腔两面分别有反射率 透射率 损耗 则 光束在腔内往返一次强度的变化情况为 2020 4 8 9 于是 可见 形成激光振荡条件为 激光振荡必须满足的最起码条件为 又因为 于是反转粒子数阈值公式为 2020 4 8 10 2 稳定振荡条件 增益饱和效应激光强度将随传播距离的增加而呈指数关系上升 但是激光强度不会无限制的增大 当入射光强度足够弱时 增益系数与光强无关 是一个常量 而当入射光强增加到一定时 增益系数将减小 即应写成这种现象称为增益饱和现象 设想工作物质在泵浦作用下实现了粒子数反转 即 2020 4 8 11 当外加光强出现时 感应了的受激发射和的受激吸收 两种跃迁的过程概率相等 由于 因此粒子数大于粒子数 其结果使新平衡反转粒子数 变小 由于越强 造成反转粒子数的减少越严重 因而随着往返振荡 不断增大 使得不断减小 直到光所获得的增益恰好等于激光腔内的损耗 就建立了稳态的振荡 形成稳定的输出 2020 4 8 12 作业 受激辐射与自发辐射的相同之处与区别之处 受激辐射下光谱线展宽的类型有哪些 2020 4 8 13 3 4激光器的基本结构及输出 3 4 1激光器的基本结构激光工作物质 泵浦源 光学谐振腔 2020 4 8 14 三能级系统 1 激光工作物质二能级系统不能充当激光工作物质 激光物质是三能级或四能级结构 2020 4 8 15 四能级系统 2020 4 8 16 2 泵浦源必须用外界能量来激励工作物质 建立粒子数反转分布状态 将粒子从低能级抽运到高能级态的装置 称为 它是形成激光的外因 激光器是一个能量转换器件 它将泵浦源输入的能量转变为激光能量 从直接完成粒子数反转的方式来分 泵浦方式可分为 1 光激励方式 2 气体辉光放电或高频放电方式 3 直接注入电子方式 4 化学反应方式还有 热激励 冲击波 电子束 核能等方式 2020 4 8 17 3 谐振腔 典型的稳定腔有法 珀腔 共焦腔等 如图 a b 傍轴光线在这类谐振腔内往返多次而不至于横向逸出腔外 a 珐 珀腔 b 共焦球面腔 限制输出模式 同时还对激光频率 功率 光束发散角及相干性都有影响 2020 4 8 18 限制输出模式 同时还对激光频率 功率 光束发散角及相干性都有影响 设激光器腔长L 反射镜曲率半径分别为 凸面镜 凹面镜 谐振腔可分为稳定腔 低损耗腔 和非稳定腔 高损耗腔 两类 1 稳定腔 a b 满足 2 非稳定腔 c d 满足 或 3 谐振腔 d 双凹非稳腔 c 双凸腔 2020 4 8 19 3 4 2激光器的输出1 输出功率实际激光器工作在阈值以上 设小信号增益系数为腔长L 单程损耗为 I在腔内往返一次后变为 则有 开始时某一振荡频率的小信号增益系数大于阈值系数 则有腔内光强将逐渐增加 由于受饱和效应的影响 若大信号增益系数仍然大于 则这一过程便继续下去 随着光强的增加 逐渐减少 直到 激光器建立起稳定的工作状态 有了恒定的输出功率 稳定工作时激光器的信号增益总是稳定在 2020 4 8 20 2 输出模式激光器输出的独立频率分量称为 激光器的稳定含义包括 1 确定频率 2 振幅在空间的相对分布确定 不随时间改变 3 相位在空间的相对分布确定 不随时间改变 2020 4 8 21 3 5激光器的种类可按功率 输出激光连续性状况 泵浦 激光工作物质来分 3 5 1气体激光器以气体为工作物质 大多数气体激光器能连续工作 其激励过程涉及的能级比较固定 利用气体放电中的电子碰撞来激发 1 原子气体激光器2 离子气体激光器3 分子气体激光器4 准分子激光器 2020 4 8 22 例如 气体激光器 1 He Ne激光器He Ne气体 1 5 10 充入放电管中构成 He为辅助气体 Ne产生受激辐射发光 主要输出波长632 8nm 1 15 m 3 39 m 2 氩离子激光器放电管中充入低气压氩气 电离的氩离子产生受激辐射发光 输出蓝绿光 有很多波长 488 0nm 514 5nm二谱线最强 3 CO2激光器放电管中充入CO2气体和少量的N2和He 1 4 5 CO2分子发光 输出波长9 11 m 典型波长10 6 m 2020 4 8 23 4 准分子激光是由气态氟化氩 ArF 在激发状态下激发的 冷激光 之所以称为准分子 是因为它不是稳定的分子 是在激光混合气体受到外来能量的激发所引起的一系列物理及化学反应中曾经形成但转瞬即逝的分子 其寿命仅为几十毫微秒 准分子激光是一种脉冲激光 因谐振腔内充入不同的稀有气体和卤素气体的混合物而有不同波长的激光产生 波长范围为157 353nm 例如 气体激光器 2020 4 8 24 原理图 He Ne激光 此类激光器的结构大体可分为三部分 即放电管 谐振腔和激发电源 He Ne激光器 最外层是用硬质玻璃制成 钨针 铝圆筒 放电的内管直径约2 3mm 管长几厘米到十几厘米 放电管越长功率越大 相应的放电电压就高 管内主要按5 1 10 1的比例充入氦氖混合气体达到总气压约2 66 3 99Pa 电激励 2020 4 8 25 诞生于1960年 可见光及红外区 有632 8nm红光 和1 15 m及3 39 m632 8nm氦 氖激光器最大连续输出功率可达到一W 寿命也达到一万小时以上 借助调节放大电流大小 使功率稳定性达到30秒内的误差为0 005 十分钟内的误差为0 015 的功率稳定度 发散角仅为0 5毫弧度 氦氖激光器除了具有一般的气体激光器所固有的方向性好 单色性好 相干性强诸优点外 还具有结构简单 寿命长 价廉 频率稳定等特点 氦氖激光在精确指示 激光测量 医疗卫生方面有很广泛的用途 He Ne激光器 2020 4 8 26 He Ne激光器的工作原理 钨针 铝圆筒 电激励 e 高速 He He Ne 碰撞 He 碰撞 Ne He Ne Ne 辐射 红色 激发态 黑丝 基态 2020 4 8 27 如何输出一种波长的光波 2020 4 8 28 采用的方法 主要取决于谐振腔介质膜反射镜的波长选择借助腔内棱镜色散使某种波长激光不能起振 在腔内插入对某种波长的光吸收元件 借助轴向非均匀磁场使某种谱线展宽 从而使其增益下降 2020 4 8 29 3 5 2液体激光器 激光工作物质 液体 可分为无机液体激光器和有机液体激光器 优点 波长连续可调 调谐范围从紫外直到红外 价格低 增益高 效率较高 制备容易 激光均匀性好 输出功率可与固体和气体激光器相比 可以循环操作 利于冷却 典型例子 若丹明6G染料激光器 泵浦 波长稍短于激光器输出波长的光泵 泵浦方式 1 横向泵浦 泵浦光束与染料激光束垂直 2 纵向泵浦 泵浦光束与染料光束同轴 3 倾斜入射式泵浦 泵浦光束与染料激光束成一锐角 a 脉冲激光激励型 b 连续激光器激励型 层流式染料激光器结构示意图 2020 4 8 31 3 5 3固体激光器 最有代表性的是红宝石激光器和钕钇铝石榴石 Nd3 YAG 激光器 我们具体分析一下红宝石激光器 特点 体积小 结构稳 易维护 输出功率大且适于调Q产生高功率脉冲 锁模产生超短脉冲红宝石激光器的结构如下图所示 棒状红宝石 Al2O3 单晶体中掺入0 05 的铬离子 Cr3 Cr3 为激活粒子 产生受激辐射发光 脉冲氙灯为泵浦源 它位于椭圆柱形聚光镜的一个焦点上 发出的强光经聚光镜反射后 被位于另一个焦点的红宝石棒吸收 形成Cr3 的粒子数反转 发出受激辐射 红宝石棒的两个端面研磨抛光再镀以多重介质膜 形成两个反射镜构成谐振腔 对受激辐射进行放大 最后输出激光 红宝石激光器输出694 3nm的红色激光 2020 4 8 32 红宝石激光器结构 红宝石激光器结构原理 特点 体积小 结构稳 易维护 输出功率大且适于调Q产生高功率脉冲 锁模产生超短脉冲 2020 4 8 33 红宝石激光器 1960年梅曼研制成功世界上第一台可实际应用的红宝石激光器 它标志着激光技术的诞生 34 红宝石激光 能级结构 红宝石晶体在光泵激励下 处于其态4A2的Cr3 吸收能量后跃迁到激发态4F1和4F2上 粒子在4F1和4F2上的寿命很短 约为10 9s 由于晶体内部晶格振动 大部分粒子通过无辐射跃迁 到达亚稳态能级2e上 因其能级寿命较长 约为3 10 3s 因此2e上积累大量粒子 在2e与4A2 基态 间形成粒子数反转分布 受激辐射将产生694 3nm和692 nm的谱线输出 由于R1线 694 3nm 比R2线 692 9nm 的荧光强度大 R1线先达阈值输出激光 因此 通常红宝石激光器的输出波长为694 3nm 2020 4 8 35 3 5 3半导体激光器 与发光二极管类似 半导体p n结为激活介质 加电 电注入 实现导带价带之间的粒子数反转 发出受激辐射 再由晶体解理面构成谐振腔对光进行放大 输出激光 不同材料的半导体激光器输出波长不同 一般在0 33 m 44 m之间 常见的GaAs输出波长为0 83 m 0 91 m 2020 4 8 36 半导体激光器 2020 4 8 37 半导体激光器 光电子学的飞速发展主要是建立在量子力学和材料科学的发展上的 其中尤其瞩目的就是光电子半导体的发展 LED LD这些神气的电子器件便是这一发展的结果 尤其是近期有机光电材料的发展 更加是极大的推动着光电材料的进步 首先半导体为什么会发光 2020 4 8 38 半导体激光器 半导体激光器是以直接带隙半导体材料构成的pn结或pin结为工作物质的一种小型化激光器 半导体激光工作物质有几十种 目前已制成激光器的半导体材料有砷化稼 GaAs 砷化铟 InAs 氮化镓 GaN 锑化铟 InSb 硫化镉 CdS 蹄化镉 CdTe 硒化铅 PbSe 蹄化铅 PbTe 铝镓砷 A1xGa1 xAs 等 2020 4 8 39 场致发光 PN结场致发光 受激辐射 Vp n Eg e 若果正向偏压足够强 满足 则能形成和热平衡状态相反的载流子分布 也就是离子束反转 2020 4 8 40 半导体激光器 半导体激光器的激励方式主要有三种 即电注入式 光泵式和高能电子束激励式 绝大多数半导体激光器的激励方式是电注入 即给pn结加正向电压 以使在结平面区域产生受激发射 也就是说是个正向偏置的二极管 因此半导体激光器又称为半导体激光二极管 对半导体来说 由于电子是在各能带之间进行跃迁 而不是在分立的能级之间跃迁 所以跃迁能量不是个确定值 这使得半导体激光器的输出波长展布在一个很宽的范围上 它们所发出的波长在0 3 34um之间 2020 4 8 41 半导体激光器 世界上第一只半导体激光器是1962年问世的 经过几十年来的研究 半导体激光器得到了惊人的发展 它的波长从红外 红光到蓝绿光 被盖范围逐渐扩大 各项性能参数也有了很大的提高 其制作技术经历了由扩散法到液相外延法 LPE 气相外延法 VPE 分子束外延法 MBE MOCVD方法 金属有机化合物汽相淀积 以及它们的各种结合型等多种工艺 2020 4 8 42 3 6激光脉冲技术 普通激光器输出的光脉冲只是一群宽度只有微秒量级 强度不同的小尖峰脉冲序列 激光短脉冲技术包括 激光调Q技术和激光锁模技术 3 6 1脉冲激光器的尖峰效应不加任何特殊装置的固体脉冲激光器 在一次输出中 激光脉冲的宽度大约是ms的数量级 而且这个脉冲并不是平滑的 包含着很多宽度更窄的短脉冲序列 其中每一个短脉冲宽度只在微秒量级 而且随着激励的增强短脉冲的时间间隔越小 这种现象被人称做弛豫振荡效应或尖峰振荡效应 2020 4 8 43 一个短脉冲的形成和消失 可以由激光系统反转粒子数密度的增减变化来解释 造成系统反转粒子数密度增加的因素是光泵的激励 其增加速率在一个短脉冲的长消过程中可以看成是不变的 使反转粒子数密度减少的因素是受激辐射 其减少速率则因腔内光子数密度的多少而变化 一个短脉冲的生成过程可以分成四个阶段 如图所示 2020 4 8 44 2020 4 8 45 由上述的尖峰结构可见 脉冲激光输出具有如下几个特点 1 总在附近振荡变化 的总水平不高 因此 增益也就达不到较高的值 总输出水平不会太高 2 在光泵灯闪光的整个时间宽度中 激光出现的时间较早 结束较晚 也就是指整个激光脉冲宽度很宽 3 激光脉冲不够平滑 2020 4 8 46 3 6 2激光调Q技术调Q原理 泵浦开始时 增大损耗 使振荡难以形成 从而使上能级的反转粒子数密度增大 当积累达到最大值时 突然使谐振腔损耗变小 于是Q值突增 在腔内以极快的速度建立极强的振荡 输出极强的激光脉冲 称为激光巨脉冲或调Q脉冲 谐振腔损耗包括 反射损耗 吸收 衍射 散射 透射损耗 不同的方法 控制不同类型的损耗 就形成不同的调Q方法 2020 4 8 47 1 转镜调Q技术通过转镜来控制谐振腔的两个反射镜的平行度 从而控制损耗 如图 2020 4 8 48 利用染料对光的吸收系数随光强度变化的特性来调Q的方法的技术 这种Q开关的延迟时间由材料本身的特性决定 不受人为控制 属被动调Q技术 2 染料调Q技术 2020 4 8 49 3 电光调Q技术晶体经过特殊方向切割后 在某个方向上加电压 就可以使通过它的线偏振光改变振动方向 且外加电压的数值与振动方向的改变有一定的函数关系 辅一光学器件就构成一个快速光开关 达到调Q目的 2020 4 8 50 4 声光调Q技术声光器件在腔内按布拉格条件放置 外加高频振荡的超声信号时 光束沿布拉格偏折 偏离了轴向 此时腔内损耗严重 Q值很低 不能形成振荡 但这一阶段使粒子在亚稳态上大量积累 一段时间后 撤销外加声场 光无偏折通过晶体 Q值突然增大 从而输出强的脉冲 2020 4 8 51 3 6 3激光锁模技术激光器有多个振荡模式 它们是非相干的 各自独立的 把激光中所有的模耦合在一起并把各个模的彼此相位关系锁定的方法成为锁模 调Q技术是压缩激光脉冲宽度 提高峰值功率的一种办法 其脉宽下限决定于光子平均驻腔寿命 约为纳秒量级 称为短脉冲 锁模技术可以获得更窄的脉冲 称为超短脉冲 2020 4 8 52 锁模方法有以下几种 1 主动锁模2 被动锁模3 自锁模 2020 4 8 53 3 7激光选模技术限制参与振荡的模式的相关技术称为激光选模技术 一般分四类 激光谱线选择 激光偏振选择 压缩振荡激光束的发散角 横模选择技术 限制激光振荡频谱数目的纵模选择技术 1激光谱线选择在腔内放置棱镜 通过调整棱镜位