ch其他类型激光器PPT学习教案

1、会计学1ch其他类型激光器其他类型激光器第1页/共39页第2页/共39页2上能级的激发上能级的激发下能级的激发下能级的激发弛豫过程弛豫过程辅助气体辅助气体N2 CO He Xe H2 H2O第3页/共39页第4页/共39页第5页/共39页第6页/共39页能级图能级图第7页/共39页第8页/共39页第9页/共39页激光机理激光机理弧光放电弧光放电第10页/共39页第11页/共39页主要的准分子激光器主要的准分子激光器第12页/共39页第13页/共39页第14页/共39页跃迁过程跃迁过程泵浦要求泵浦要求电子束泵浦机理电子束泵浦机理脉冲放电泵浦机理脉冲放电泵浦机理第15页/共39页第16页/共39页

2、染料激光器染料激光器 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。光工作物质。 适用作激光工作物质的染料是包含共辄双键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。的有机化合物。第17页/共39页第18页/共39页第19页/共39页第20页/共39页图1 若丹明6G结构式图 2 染料分子能级图第21页/共39页 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

3、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页图3 单纵模环行染料激光

4、器光路图第23页/共39页第24页/共39页第25页/共39页6.7 半导体激光器半导体激光器 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。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面却正是方面广泛应用。而在光信息处理、光计算机和固

5、体激光器泵浦等方面却正是方兴未艾。方兴未艾。 自自1962年半导体砷化嫁（年半导体砷化嫁（GaAs）同质结激光器问世后，半导体从同质）同质结激光器问世后，半导体从同质结、单异质结、双结、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。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，同样要

6、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27页/共39页第28页/共39页1注入式同质结半导体GaAs激光器的结构

7、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 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

8、二、注入式同质结半导体激光器第29页/共39页 GaAs的激射光谱线宽比固体和气体激光器要宽。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页横模特性。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。激光束发散角激光束

9、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页三、异质结半导体激光器三、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 四、新型半导体激光

10、器四、新型半导体激光器 1.可见光半导体激光器可见光半导体激光器 可见光激光二极管(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

11、见度,特别在633nm(He-Ne气体激光器波长)上,VLD更显出其小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页目前目前,实现可见光波长的半导体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 2.大功率激光二极管阵列大功率激光二极管阵列 一般

12、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

13、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

14、光二极管组成的大面阵,其发射第35页/共39页面积为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.分布反馈式分布反馈式(DFB)半导体激光器半导体激光器 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,它将被波纹所衍射。如图所示

15、,由布拉格衍射可知=，入射平面波在界面B、C点反射后,光程差l=BC-AC=2Tsin,若l是波长的整数倍时,即2Tsin=m时,反射波加强。在介质内前后传播的光波的。=90。,因而有2T=m/n,n为介质的折射率。因此,这种光栅式的结构完全可以起到一个谐振腔的作用,它所发射的激光频率,完全由光栅的周期T来决定。分布反馈原理 图为典型的DFB激光器及其发射光谱.比DFB激光器的阈值电流为2.6A,峰值波长为2112nm,光栅周期T为341.6nm,光谱线宽度为0.03nm。第36页/共39页DFB剖面及其发射光谱 4.外腔式半导体激光器外腔式半导体激光器 通常,半导体激光器的谐振腔是由管芯前后两个自然解理面构成,称为内腔或本征腔。在管芯之外附加反馈元件,便构成外腔式半导体激光器。外腔半导体激光器还可分为长外腔和短外腔两种。前者指外腔长Lnl(n为半导体介质折射率,l为本征腔长),其优点是选模线宽可以压得很窄,缺点是结构复杂且稳定性差.短外腔是指Lnl的情况,其结构小巧,易于稳定运行。 第37页/共39页依外腔反馈元件不同依外腔反馈元件不同,还可将外腔分为还可将外腔分为:平平(或凹或凹面腔面腔, 它的几种典型结构它的几种典型结构,若用压电陶瓷改变腔长若用压电陶瓷改变