第三章 激光器.ppt

1、第三章 激光器件 3.1 激光器的种类 1. 按工作物质分类 固体激光器 红宝石（Al 2O3：Cr+3）、掺钕钇铝石榴石（YAG：Nd3+） 、钕玻璃 气体激光器 原子气体（He-Ne) ; 分子气体（CO2） ;离子气体（Ar+ Kr+ ） 半导体激光器 双异质结构电注入式GaAs二极管激光器 液体激光器 有机染料液体；无机化合物溶液,2.按运转方式分类 单脉冲运转激光器 可提供中等水平脉冲激光功率和较高水平脉冲激光能量 重复脉冲运转激光器 可提供中等水平脉冲激光功率和中等水平脉冲激光能量 连续运转激光器 稍低于脉冲运转方式输出的功率水平 Q突变运转激光器 可提供极高的脉冲激光功率输出,3

2、.按激励方式分类 光泵激励激光器 电激励激光器 化学反应激励激光器 热激励激光器 核能激励激光器 4.按波段范围分类 红外区：远红外（251000m）;中红外（2.525 m ）; 近红外（0.752.5 m ） 可见区：(0.40.75 m) 紫外区：近紫外（ 0.20.4 m);真空紫外(0.0050.2 m) X射线区：,4,3.2 固体激光器的基本结构与工作物质,一、固体激光器基本上都是由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤光系统构成的。下图是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,二、红宝石激光器,红宝石是在三氧化二铝(A12O3)中掺

3、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)，如图所示为简化能级模型 ，它属于三能级系统。,红宝石中铬离子的能级结构,E3能级寿命109秒， E2能级寿命103秒，激光波长6943埃。,8,3.3 固体激光器的泵浦系统,1. 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。,3.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

4、面，其横截面是一个椭圆。,椭圆柱聚光腔,4. 固体激光器的泵浦系统还要冷却和滤光。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。,5.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。,9,3.4 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。红宝石激光器的效率0.10.4， YAG：Nd3+激光器的效率12。,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(0.11)m，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

5、包络峰值并不增加。,10,3.5气体放电激光器氦-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，如图所示。,与产生激光有关的Ne原子的部分能级图，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。,11,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 0.6328 2S2P 1.15 3S3P 3.39,(1)电子碰撞激发 (2)共振转移激发 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) 管壁效应,13,2. 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

7、曲线,输出功率与放电电流的关系曲线,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 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。 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。,14,3.6 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。,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

8、个完全没有电子的导带组成。,本征半导体的能带,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,15,1.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，下图给出了温度极低时的情况。,2.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,16,3.7 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。,PN能带,在P-N结上加以正向电压V

9、时，形成结区的两个费米能级 和 ，称为准费米能级，如图。,正向电压V时形成的双简并能带结构,17,2. 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,18,1. 半导体激光器的基本结构和工作原理,GaAs激光器的结构,3.8 半导体激光器的工作原理和阈值条件,图示为GaAs激光器的结构。,2. 半导体激光器工作的阈值条件,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,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,20,3.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,21,3.9 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,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，如图所示。,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。,激光束的空间分布示意图,22,光谱特性:下图是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