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1、6.1 CO2激光器 属于气体激光器，分子激光器属于气体激光器，分子激光器 波长波长 911um，最常见，最常见10.6um 效率高效率高 光束质量好光束质量好 功率范围大（几瓦几万瓦）功率范围大（几瓦几万瓦） 运行方式多样运行方式多样 结构多样结构多样第1页/共39页第一页，编辑于星期五：十四点 二十六分。CO2激光器工作原理第2页/共39页第二页，编辑于星期五：十四点 二十六分。CO2激光器的激发机理上能级的激发下能级的激发弛豫过程辅助气体N2 CO He Xe H2 H2O第3页/共39页第三页，编辑于星期五：十四点 二十六分。CO2激光器类型 封离型纵向激励封离型纵向激励CO2激光器激

2、光器 高功率轴快流高功率轴快流CO2激光器激光器 高功率横流高功率横流CO2激光器激光器 横向激励高气压横向激励高气压CO2激光器（激光器（TEA） 波导波导CO2激光器激光器第4页/共39页第四页，编辑于星期五：十四点 二十六分。CO2激光器运行方式第5页/共39页第五页，编辑于星期五：十四点 二十六分。6.2 He-Ne激光器 气体原子激光器 输出谱线：632.8nm，1.15um，3.39um，以632.8nm为最常见。 功率在mW级，最大1W 光束质量好，发散角可小于1mrad 单色性好，带宽可小于20Hz 稳定性高第6页/共39页第六页，编辑于星期五：十四点 二十六分。He-Ne激光

3、器工作原理能级图第7页/共39页第七页，编辑于星期五：十四点 二十六分。He-Ne激光器工作特性 谱线竞争（谱线竞争（3.39um谱线的抑制）谱线的抑制） 输出功率的稳定性输出功率的稳定性 稳频输出稳频输出第8页/共39页第八页，编辑于星期五：十四点 二十六分。6.3 Ar离子激光器 气体离子激光器气体离子激光器 主要波长主要波长488nm，514.5nm 常见功率几十瓦，最高常见功率几十瓦，最高500W 能量转换效率低能量转换效率低第9页/共39页第九页，编辑于星期五：十四点 二十六分。Ar离子激光器工作原理激光机理弧光放电第10页/共39页第十页，编辑于星期五：十四点 二十六分。Ar离子激

4、光器工作特性 等离子参数等离子参数 抽运效应抽运效应 阈值电流强度阈值电流强度 磁场对输出效率的影响磁场对输出效率的影响 输出谱线输出谱线第11页/共39页第十一页，编辑于星期五：十四点 二十六分。6.4 准分子激光器 准分子指在激发态能够暂时结合成的不稳定分子（准分子指在激发态能够暂时结合成的不稳定分子（Excimer） 高重复率高重复率 可调谐可调谐 量子效率高量子效率高 波长短，紫外到可见区波长短，紫外到可见区主要的准分子激光器第12页/共39页第十二页，编辑于星期五：十四点 二十六分。准分子激光器准分子激光器准分子是一种在激发态结合为分子，在准分子是一种在激发态结合为分子，在基态离解为

5、原子的不稳定缔合物。基态离解为原子的不稳定缔合物。跃迁发生在束缚的激发态和排斥的基态跃迁发生在束缚的激发态和排斥的基态之间。准分子跃迁到基态以后立即解离。之间。准分子跃迁到基态以后立即解离。意味着只要激发态存在分子，就处于粒意味着只要激发态存在分子，就处于粒子数反转状态。由于下能级不是确定的子数反转状态。由于下能级不是确定的能级，跃迁是宽带的，所以准分子激光能级，跃迁是宽带的，所以准分子激光器常常可以调谐运转。准分子可由异类器常常可以调谐运转。准分子可由异类或者同类原子构成。或者同类原子构成。常见准分子激光器如：常见准分子激光器如：KrF, 249nm；XeCl, 308nm；ArF, 193

6、nm。第13页/共39页第十三页，编辑于星期五：十四点 二十六分。准分子激光器普遍采用电子束或者快速放电泵浦。准分子激光器普遍采用电子束或者快速放电泵浦。准分子激光器中常加入准分子激光器中常加入He, Ne等惰性气体，其作用是降等惰性气体，其作用是降低电子温度，以便产生更多的激发态粒子，避免产生过低电子温度，以便产生更多的激发态粒子，避免产生过多离子。与缓冲气体的碰撞还可以使高振动能级的准分多离子。与缓冲气体的碰撞还可以使高振动能级的准分子向低振动能级弛豫。子向低振动能级弛豫。准分子激光器脉冲能量可以达到几百准分子激光器脉冲能量可以达到几百mJ，平均输出功率，平均输出功率可以超过可以超过100

7、W。铜蒸气激光器铜蒸气激光器需要加热至高温来产生足够的铜蒸气。输出波长为需要加热至高温来产生足够的铜蒸气。输出波长为510nm和和578nm。工作频率可以达到。工作频率可以达到10kHz。平均功率。平均功率超过超过10W。如果将铜换为金，则可以得到。如果将铜换为金，则可以得到628nm的输出。的输出。第14页/共39页第十四页，编辑于星期五：十四点 二十六分。准分子激光器工作原理跃迁过程泵浦要求电子束泵浦机理脉冲放电泵浦机理第15页/共39页第十五页，编辑于星期五：十四点 二十六分。6.5 染料激光器 以某种有机染料溶解于一定溶剂中作为激活介质的激光器以某种有机染料溶解于一定溶剂中作为激活介质

8、的激光器 波长可调谐，调谐范围宽波长可调谐，调谐范围宽 光谱分辨率高光谱分辨率高 结构简单结构简单 价格便宜价格便宜 稳定性差稳定性差第16页/共39页第十六页，编辑于星期五：十四点 二十六分。染料激光器 染料激光器采用溶于适当溶剂中的有机染料作激光工作物质。 适用作激光工作物质的染料是包含共辄双键的有机化合物。第17页/共39页第十七页，编辑于星期五：十四点 二十六分。染料激光器的工作原理第18页/共39页第十八页，编辑于星期五：十四点 二十六分。染料激光器的工作方式 脉冲染料激光器脉冲染料激光器 闪光泵浦闪光泵浦 激光器泵浦激光器泵浦 连续染料激光器连续染料激光器 波长调谐波长调谐 光栅光

9、栅 棱镜棱镜 FP 双折射滤光片双折射滤光片第19页/共39页第十九页，编辑于星期五：十四点 二十六分。设计染料激光器应考虑的几个问题 染料的选择染料的选择光谱特性，转换效率，化学稳定性，浓度，寿命光谱特性，转换效率，化学稳定性，浓度，寿命 溶剂的选择溶剂的选择 染料盒的结构染料盒的结构 泵浦源泵浦源第20页/共39页第二十页，编辑于星期五：十四点 二十六分。图1 若丹明6G结构式图 2 染料分子能级图第21页/共39页第二十一页，编辑于星期五：十四点 二十六分。 通常采用闪光灯、N2分子激光器、准分子激光器或倍频Nd3+:YAG激光器发射的532nm激光等作脉冲染料激光器的泵浦光源,而连续染

10、料激光器则常用氩或氪离子激光器作泵浦源。显然,泵浦光的波长必须小于染料激光器的输出激光波长。可以采用光栅、棱镜、标准具及双折射滤光片等波长选择元件对染料激光器进行波长调谐。 由于染料具有较宽的频带,所以可从锁模染料激光器得到很窄的脉冲,以若丹明6G为工作物质的碰撞锁模染料激光器可产生约30fs的超短激光脉冲,这种光脉冲还可压缩成脉宽仅为6fs的超短光脉冲,这是目前世界上最窄的光脉冲。 在掺钛蓝宝石出现之前,染料激光器是最理想的可调谐激光器。目前已在紫外(330mn)到近红外(1.85um)相当宽的范围内获得了连续可调谐输出。由于它的可调谐和可产生极窄光脉冲的特点,在激光光谱、同位素分离、医学及

11、其他科技领域获得了广泛应用。染料激光器有很宽的调谐范围。第22页/共39页第二十二页，编辑于星期五：十四点 二十六分。图3 单纵模环行染料激光器光路图第23页/共39页第二十三页，编辑于星期五：十四点 二十六分。6.6 自由电子激光器 真空中自由电子通过与泵浦场（周期磁场或电磁场）相互作用产生激光。真空中自由电子通过与泵浦场（周期磁场或电磁场）相互作用产生激光。 高功率（高功率（MW） 高效率（理论上高效率（理论上50） 宽波长调谐范围（原则上从微波到宽波长调谐范围（原则上从微波到X射线射线）第24页/共39页第二十四页，编辑于星期五：十四点 二十六分。自由电子激光组成及类型 组成组成 高能电

12、子加速器高能电子加速器 摆动器摆动器 光学谐振腔光学谐振腔 类型类型 磁韧致辐射自由电子激光器磁韧致辐射自由电子激光器 康普顿型自由电子激光器康普顿型自由电子激光器 拉曼型自由电子激光器拉曼型自由电子激光器 切伦科夫辐射自由电子激光器切伦科夫辐射自由电子激光器第25页/共39页第二十五页，编辑于星期五：十四点 二十六分。6.7 半导体激光器 以半导体材料为工作物质的激光器称为半导体激光器。其特点为超小型、高效率、低成本、工作速度快和波长范围宽等。它是激光光纤通信的重要光源。目前在光存储、激光高速印刷、全息照相、激光准直、测距及医疗等许多方面广泛应用。而在光信息处理、光计算机和固体激光器泵浦等方

13、面却正是方兴未艾。 自1962年半导体砷化嫁（GaAs）同质结激光器问世后，半导体从同质结、单异质结、双 异质结到半导体激光器阵列，波长范围履盖了可见光到长波红外，逐渐地成为现代激光器件中的应用面最广、发展最为迅速的一种重要器件类型。 同以气体或固体作为工作物质的激光器一样，欲使半导体材料产生激光，同样要使半导体材料中电子能态发生变化，以形成一定的粒子数反转，并且要有一个合适的光学共振腔。但是，由于半导体材料中电子运动的特殊性半导体激光器又有着许多不同于气体和固体激光器的特性。因此，要深入了解半导体激光器的特性和原理，我们必须从有关半导体材料的理论着手.第26页/共39页第二十六页，编辑于星期

14、五：十四点 二十六分。Semiconductor Lasers典型半导体激光器介质是掺杂典型半导体激光器介质是掺杂GaAs。激光是从。激光是从p型掺杂和型掺杂和n型掺杂的型掺杂的介质之间发出。外加电场使得电子和空穴都向中间靠近，从而在导带形成相介质之间发出。外加电场使得电子和空穴都向中间靠近，从而在导带形成相对于价带空穴的粒子数反转。可以产生能量相当于带隙能量的受激发射光子。对于价带空穴的粒子数反转。可以产生能量相当于带隙能量的受激发射光子。半导体激光器可以做的非常小，典型尺寸小于半导体激光器可以做的非常小，典型尺寸小于1mm。第27页/共39页第二十七页，编辑于星期五：十四点 二十六分。半导

15、体激光器可以用于红光，特别是红外波段。多数介质需要在使半导体激光器可以用于红光，特别是红外波段。多数介质需要在使用的时候进行冷却，用的时候进行冷却，GaAs则可用于室温。通过改变温度，可以在则可用于室温。通过改变温度，可以在800到到900nm之间调谐激光器。之间调谐激光器。使用几种不同的介质，可以覆盖红外光谱波段使用几种不同的介质，可以覆盖红外光谱波段40m mm左右的范围。左右的范围。第28页/共39页第二十八页，编辑于星期五：十四点 二十六分。1注入式同质结半导体GaAs激光器的结构 注入式同质结GaAs激光器是于1962年最早研制成功的半导体激光器，同质结是指pn结由同一种基质材料(如

16、 GaAs)的 p型和N型构成，而注入式是指直接给半导体激光器通电，靠注入电流来激励工作物质的一种泵浦方法。CaAs导体同质结激光器的典型结构 2半导体的粒子数反转分布在半导体中粒子数就是载流子数。正常情况下，电子总是从低能态的价带填充起，填满价带后才填充导带。如果我们能利用光或电注入的办法，便Pn附近够成大量的非平衡载流子，在比其复合寿命更短的时间内电子在导带、空穴在价带分别达到暂时的平衡，则在这一段时间内简并化分布的导带电子和价带空穴就处于相对反转分布的状态。二、注入式同质结半导体激光器第29页/共39页第二十九页，编辑于星期五：十四点 二十六分。 GaAs的激射光谱线宽比固体和气体激光器

17、要宽。这是因为半导体产生激光时,粒子反转分布并不是在两个分立的能级之间,而是在导带和价带之内。每个能带都包含了许多级,这就使复合发光的光子能量有一个较宽的能量范围。由于增益谱线宽,其发射光谱的单色性就要差一些。 图激光峰值位置随温度的变化第30页/共39页第三十页，编辑于星期五：十四点 二十六分。横模特性。一般只有条型异质结激光器在一定条件下可实现单横模运转。实际振荡的模式比较复杂,可以由一套模式占主导变化为另一套模式占主导。在实际激光器中经常出现多模振荡。一般作用区的厚度较薄,条宽较窄时,在阑值附近容易得到基横模振荡。激光束发散角。因为半导体激光器的谐振腔反射镜很小,所以激光束的方向性较之其

18、他典型的激光器要差很多。而且由于有源区厚度很薄,有源区的条宽比厚度大很多倍,所以在垂直于结的方向平行于结均方向的光束发散角是不对称的,前者要大数倍。 半导体激光器的调解频率响应特性。半导体激光器的时间响应决定于注入非平衡载流子的寿命s。第31页/共39页第三十一页，编辑于星期五：十四点 二十六分。三、异质结半导体激光器 理论分析及实验研究表明，同质结激光器难以得到低阈值电流和实现室温连续工作。为此,在同质结的基础上发展了异质结半导体激光器,从而大大提高了半导体激光器的实际应用价值。第32页/共39页第三十二页，编辑于星期五：十四点 二十六分。 四、新型半导体激光器 1.可见光半导体激光器 可见

19、光激光二极管(VLD)是用于高密度光信息处理系统，如光盘、激光束打印机和条形码读出器的极有吸引力的光源，也是塑料光纤通信系统的重要光源。这些应用领域对短波长(60Onm波长区)激光光源的需求日益增长,有力地促进了VLD的研究开发工作。目前,在激光准值、指示和激光教学中,半导体可见光二极管激光器将以其方便、可靠、廉价和高效率逐渐代替传统的He -Ne等气体激光器。可见光半导体激光器于1988年开始实用化,它的发展主要是围绕着缩短发射波长和提高输出功率。 相对于传统的近红外半导体激光器,可见光激光器输出的较短的波长能提供较高的能见度,特别在633nm(He-Ne气体激光器波长)上,VLD更显出其小

20、体积和低功耗的优势。而对光信息处理系统中,较短的波长能提高记录分辨率。例如,在激光打印中,将波长从780nm改为670nm时,分辨率则由300点/英寸,增加到600点/英寸。第33页/共39页第三十三页，编辑于星期五：十四点 二十六分。目前,实现可见光波长的半导体激光器主要采用了三种技术措施来缩短波长:(1)使用晶向偏离衬底;(2)采用AlGaInP四元有源层;(3)利用量子阱结构。HBB结构的VLD的截面图宽有源区SBR激光器的截面图第34页/共39页第三十四页，编辑于星期五：十四点 二十六分。 2.大功率激光二极管阵列 一般单个腔二极管激光器只能发射几十至几百毫瓦光,为提高输出功率发展了二

21、极管阵列激光器。这些阵列中的二极管在电气上并联藕合,发射一致,形成了部分相干光束。近年来由于采用了先进的制作工艺和冷却技术,高功率二极管阵列激光器的发展极快。目前半导体二极管阵列(线阵)连续输出功率已达120W,二极管面阵泵浦的固体激光器平均输出功率超过千瓦,成为激光器发展中最为活跃的领域。 阻碍激光二极管大功率化的原因,一是随注入电流产生的结温升,二是端面激射区的高光功率密度引起的突发性光学损伤。解决第一个问题的办法是降低阈值,提高量子效率。实现的途径是采用特殊工艺把有源区厚度控制在几十纳米以内。解决第二个问题的办法是扩大器件的发光区面积,另一个就是采用阵列技术。 常见的线阵激光二极管是由许

22、多平行排列的激光二极管组成。图示出了一个线阵激光二极管的结构。其中的每一个二极管的发光面有大于微米的宽度,二极管之间的中心距为10um,每一线阵由几十至几百个二极管组成.它可工作在连续或在低重频长脉冲(如100Hz,200us脉宽)的准连续工作状态。线阵激光二极管 一个1cm长的线阵二极管激光器在连续工作时,阈值电流为2.5A,微分效率为1W/A,输出可超过12W；在准连续工作状态下,若重频40Hz,脉宽150us时,最大的输出功率为l00W。 若把多个二极管线阵重叠可组成二维面阵激光器。它取得的输出功率更大,例如由13个线阵激光二极管组成的大面阵,其发射第35页/共39页第三十五页，编辑于星期五：十四点 二十六分。面积为0.4cm4时,其准连续输出功率可达800W.但二极管面阵的发热问题比线阵更严重,一般只工作在较低的重复频率和较低的发射功率下。 3.分布反馈式(DFB)半导体激光器 为把调制器、开关、波导和光源共同制作在单片上(集成光路)的需要,导致了对不用自解理面来作反射端面的半导体激光器的需要,分布反馈式激光器就是这种需求的产物,除了不用解理端面的优点外,它还能限制纵模,使发射的光谱变窄。 DFB的原理为z在介质表面做成周期性的波纹形状,设波纹的周期为T。根据布拉格衍射原理,一束与界面成角的平面波入射时,它