光电检测技术课件(第三章)

光电检测技术

贾丹平

（办公地点：信息楼536）

SHENYANGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY第三章光电检测中的常用光源

本章主要内容：1、光源的特性参数（掌握）2、热辐射源3、气体放电光源4、激光光源（重点）5、固体发光光源2第三章光电检测中的常用光源按发光机理可分为：热辐射光源、气体辐射光源、固体辐射光源和激光光源在光电检测系统中，电光源是最常用的光源。按照光波在时间、空间上的相位特征，一般将光源分成相干光源和非相干光源说说看：你都知道哪些光源？31.辐射效率和发光效率在给定λ1～λ2波长范围内，某一辐射源发出的辐射通量与产生这些辐射通量所需的电功率之比，称为该辐射源在规定光谱范围内的辐射效率，表示为

某一光源所发射的光通量与产生这些光通量所需的电功率之比，就是该光源的发光效率单位为1m／W(流明每瓦)。§3.1光源的特性参数4§3.1光源的特性参数下表所列的为一些常用光源的发光效率。5§3.1光源的特性参数2.光谱功率分布在选择光源时，它的光谱功率分布应由测量对象的要求来决定。在目视光学系统中，一般采用可见区光谱辐射比较丰富的光源。对于彩色摄影用光源，应采用类似于日光色的光源，如卤钨灯、氙灯等。在紫外分光光度计中，通常使用氘灯、汞氙灯等紫外辐射较强的光源。(a)(b)(c)(d)(a)线状光谱(b)带状光谱(c)连续光谱(d)混合光谱6§3.1光源的特性参数3.空间光强分布

常用发光强度矢量和发光强度曲线来描述光源的这种特性。在空间某一截面上，自原点向各径向取矢量，矢量的长度与该方向的发光强度成正比，称其为发光强度矢量。将各矢量的端点连起来，就得到光源在该截面上的发光强度分布曲线，也称配光曲线。下图是气体发光光源光强分布。

7§3.1光源的特性参数显色性:当用这种光源照射物体时，物体呈现的颜色(也就是物体反射光在人眼内产生的颜色感觉)与该物体在完全辐射体照射下所呈现的颜色的—致性，称为该光源的显色性。光源对物体本身颜色呈现的程度称为显色性，也就是颜色逼真的程度4.光源的颜色光源的颜色包含了两方面的含义，即色表和显色性。色表:用眼睛直接观察光源时所看到的颜色称为光源的色表。例如高压钠灯的色表呈黄色，荧光灯的色表呈白色。和传统意义上的颜色有什么区别？8§3.1光源的特性参数5.光源的色温

黑体的温度与它的辐射特性是一一对应的。从光源的颜色与温度的这种关系，引出了颜色温度的概念，简称色温。一般光源，经常用色温、相关色温和分布温度表示。

1)色温如果辐射源发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐射出的光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温。

2)相关色温若—个光源的颜色与任何温度下的黑体辐射的颜色都不相同，这时的光源用相关色温表示。在均匀色度图中，如果光源的色坐标点与某—温度下的黑体辐射的色坐标点最接近，则该黑体的温度称为这个光源的相关色温。

3)分布温度辐射源在某一波长范围内辐射的相对光谱功率分布，与黑体在某—温度下辐射的相对光谱功率分布一致，那么该黑体的温度就称为这个辐射源的分布温度。选择光源时，应综合考虑光源的强度、稳定性、光谱特性等性能。色温与相关色温主要描述光源发出的光色，并不表示光源的实际温度例如：色温高说明蓝绿光成分多，色温低说明黄红光成分多9§3.1光源的特性参数10根据斯忒藩-玻尔兹曼定律知，物体只要其温度大于绝对零度，都会向外界辐射能量，其辐射特性与温度的四次方有关。物体由于温度较高而向周围温度较低环境发射能量的形式称为热辐射，这种物体称为热辐射源1.太阳太阳直径约为1.392×109m。它到地球的年平均距离是1.496×1011m。从地球上观看太阳时，太阳的张角只有0.533o。太阳光谱能量分布相当于5900K左右的黑体辐射。在大气层外，太阳对地球的辐照度值在不同的光谱区所占的百分比为紫外区(<0.38)6.46%

可见区(0.38～0.78)46.25%

红外区(>0.78)47.29%

§3.2热辐射源阴影部分表示大气的光谱吸收带11§3.2热辐射源2.黑体模拟器在许多光电仪器中，往往需要辐射源的温度特性和光谱特性酷似理想黑体的特性。这种辐射源常称为黑体模拟器，也称基准辐射源。下图给出了几种工程黑体的典型结构。由图可见，工程黑体的内腔呈简单的几何形状——球形、锥形、圆柱型，或者是这些形状的组合。

12§3.2热辐射源

在实际应用中，基准辐射源称为黑体炉，由石墨制做，外壁包上较厚一层可长时间承受工作高温的热绝缘材料，以利于保温。采用电加热线圈加热，其线圈绕制、排列保证均匀加热。此外，腔体内置有高精度的热电偶或热电阻，用其检测辐射器空腔内的温度。为了使温度均匀稳定，全辐射器空腔的几何尺寸中l/d＞1.5。内腔的长度为L,出口直径为d。目前的黑体模拟器最高工作温度为3000K，而实际应用的大多是在2000K以下。13§3.2热辐射源3.白炽灯是最流行的可见光谱辐射源，是光电测量中最常用的光源之—。依靠电能加热金属丝，使它在真空或惰性气体中达到白炽状态而发光。钨的熔点高、电阻大、蒸发率小，在高温下仍有足够的强度，加工容易。辐射光谱限于能够通过玻璃泡的光谱部分，大约在0.3~3.0微米范围。白炽灯发射的是连续光谱，在可见光谱段中部和黑体辐射曲线相差约0.5％，而在整个光谱段内和黑体辐射曲线平均相差2％。白炽灯有真空钨丝灯、充气钨丝灯和卤钨灯。真空钨灯是将玻璃灯泡抽成真空，钨丝被加热到2300~2800K时发出复色光，发光效率约为10lm/W。提高灯丝温度可提高发光效率，但灯丝温度越高蒸发越快，因而灯丝越来越细，玻璃壳易发黑，降低亮度，缩短寿命。充气钨丝灯：充氩氮等惰性气体，工作温度可提高到2700~3000K时发出复色光，发光效率约为17lm/W。

14§3.2热辐射源卤钨灯：如果在灯泡内充入卤钨循环剂(如氯化碘、溴化硼等)，在一定温度下可以形成卤钨循环，即蒸发的钨和玻璃壳附近的卤素合成卤钨化合物，而该卤钨化合物扩散到温度较高的灯丝周围时，又分解成卤素和钨。这样，钨就重新沉积在灯丝上，而卤素被扩散到温度较低的灯泡壁区域再继续与钨化合。这一过程称为钨的再生循环，如下图。卤钨循环延长了灯的寿命。灯的工作温度可达3000~3200K，发光效率也相应提高到30lm／W。白炽灯泡的灯丝形状对发光强度的方向性有影响，普通照明常用W灯丝，使灯360度发光。光栅的莫尔条纹测量用直丝形状灯泡，且灯丝长度方向与光栅刻线方向一致。15§3.3气体放电光源气体放电光源也称气体灯。制作时在灯中充入发光用的气体，如氦、氖、氙、氪等，或金属蒸气，如汞、钠、硫等，这些元素的原子在电场作用下电离出电子和离子，当离子向阴极、电子向阳极运动时，从电场中得到加速，当它们与气体原子或分子高速碰撞时会激励出新的电子和离子。在碰撞过程中有些电子会跃迁到高能级，引起原子的激发。受激原子回到低能级时就会发射出相应的辐射，这样的发光机制被称为气体放电原理。气体放电光源具有下述特点:

1.发光效率高。比同瓦数的白炽灯发光效率高2～10倍

2.由于不靠灯丝发光，电极可以做得牢固紧凑耐震、抗冲击。

3.寿命长。一般比白炽灯寿命长2～10倍。

4.光色适应性强，可在较大范围内选择。由于上述特点，气体放电光源具有很强的竞争力，在光电测量和照明中得到广泛使用。16§3.3气体放电光源一、脉冲灯特点：1、在极短的时间内发出很强的光辐射

2、高亮度工作电路原理：用途：广泛用作摄影光源、激光器的光泵和印刷制版的光源等。17§3.3气体放电光源1、氙灯辐射光谱是连续的，与日光的光谱能量分布相接近；色温约6000K左右，显色指数90以上，因此有“小太阳”之称；氙灯分为长弧氙灯、短弧氙灯和脉冲氙灯三种；长弧氙灯的发光效率为25～30lm／W；18§3.3气体放电光源外形结构产品情况19§3.3气体放电光源20§3.3气体放电光源2、氘灯

氘灯的紫外线辐射强度高、稳定性好、寿命长，因此常用作各种紫外分光光度计的连续紫外光源。

21§3.3气体放电光源二、原子光谱灯空心阴极放电的电流密度比正常辉光高出100倍以上，电流大但温度不高，因此发光的谱线不仅强度大，而且波长宽度很小。如金属钙的原子光谱波长为42267nm时，光谱带宽为33nm。22§3.3气体放电光源三、汞灯23§3.4半导体发光光源在电场的作用下使半导体的电子空穴复合而发光的器件，又称为注入式场致发光光源（LED）。一、工作原理场致激发使载流子由低能级跃迁到高能级，当电子从高能级回到低能级时放出光子，即半导体发光。24§3.4半导体发光光源辐射光的波长决定于半导体材料的禁带宽度：25§3.4半导体发光光源2、主要参数和特性（1）伏安特性GaAs:1VGaAsP:1.5VGaP(红）：1.8VGaP(绿）：2V正向电压1.5~3V反向击穿电压：5~20V26§3.4半导体发光光源（2）光谱特性27§3.4半导体发光光源（3）发光亮度特性28§3.4半导体发光光源（4）温度特性（5）响应时间（6）寿命

在电流密度小于lA／cm2时，寿命可达106小时。但电流密度对二极管的寿命是有影响的，电流密度大时，发光亮度高，寿命就会很快缩短。3、用途

除做光源外，还可以做指示灯、电平指示、安全闪光、交替闪光、电源极性指示、数码显示；高亮度LED广泛用于汽车仪表显示灯、汽车尾灯、交通信号灯。温度特性29

§3.5激光器原理及应用123激光产生的基本原理典型激光器介绍4半导体激光器的应用激光器的发展历史30引言自从1960年由Maiman研制成功世界上第一台红宝石固体激光器以来，激光技术发展极为迅速，并带动一大批相关学科和技术的发展，其应用遍布几乎所有的领域，如信息、医学、工农业和军事技术等各个部门，是具有里程碑意义的重要技术成就。激光技术的广泛应用使之成为力学、物理、化学、材料科学、光电子以及医学工程之间的一门交叉学科。激光是一种高亮度的定向能束，单色性好，发散角很小，具有优异的相干性，既是光电测试技术中的最佳光源，也是许多测试技术的基准。31§3.5.1激光产生的基本原理一、发光机理

激光器的发光过程始终伴随着三个跃迁过程：自发辐射、受激辐射、受激吸收。1、自发辐射：当原子被激发到高能级E2时，它在高能级上是不稳定的，总是力图使自己处于低的能量状态E1.处于高能级的原子自发地向低能级跃迁，并发射出一个能量为的光子。*自发辐射特点：每个原子的跃迁是独立自发进行的，他们彼此毫无关系，因而发出的辐射式杂乱无章的非相干光。32§3.5.1激光产生的基本原理2、受激辐射：在能量为的光子诱发下，处于高能级E2的原子有可能跃迁到低能级E1，同时辐射出一个与诱发光子的状态完全相同的光子，这个过程称为受激辐射跃迁。*受激辐射特点(1)只有入射光子的能量时，才能引起受激辐射。(2)受激辐射所发出的光子与入射光子的特性完全相同，即频率相同、相位相同、偏振方向相同，传播方向相同。*受激辐射的结果：使入射光强得到放大，即光经受激辐射后，特性完全相同的光子数增加。33§3.5.1激光产生的基本原理3、受激吸收：处于低能级E1的原子，在频率为的光场作用（照射）下，吸收一个能量为的光子后跃迁到高能级E2的过程称为受激吸收跃迁。34§3.5.1激光产生的基本原理二、激光产生的条件1、有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质，其激活粒子（原子、分子或离子）有适合于产生受激辐射的能级结构。2、有外界激励源，将下能级的粒子抽运到上能级，使激光上下能级之间产生粒子数反转。处于激发态的载流子数远大于处于基态的载流子数，即把载流子的正常分布倒转过来，称为粒子数反转。3、有一个谐振腔为出射光子提供正反馈及高的增益，用以维持受激辐射的持续振荡。只有与轴线平行的光子在腔内的两个反射面上来回反射，反复通过工作物质，依靠受激辐射，光子每通过一次工作物质便得到一次增强。

因此光学谐振腔增长激活介质的工作长度，控制光束的传播方向，选择被放大的受激辐射光频率以提高单色性。35§3.5.1激光产生的基本原理三、激光器的基本组成36§3.5.1激光产生的基本原理1、激光工作物质*是指用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的物质体系，有时也称为激光增益介质。*要求具有合适的能级结构和跃迁特性*可以是固体（晶体、玻璃）、气体（原子气体、离子气体、分子气体）、半导体和液体等介质。*决定了激光器能够辐射的激光波长。2、泵浦源*作用：对激光工作物质进行激励，将激活粒子从基态抽运到高能级，以实现粒子数反转。*光学激励、气体放电激励、化学激励、核能激励。利用外界光源发出的光来辐照激光工作物质以实现粒子数反转对于气体激光工作物质，通常将气体密封在细玻璃管内，在其两端加电压，通过气体放电的方法进行激励。利用在激光工作物质内部发生的化学反应过程来实现粒子数反转的，通常要求有适当的化学反应物和相应的引发措施。利用小型核裂变反映所产生的裂变碎片、高能粒子或放射线来激励激光工作物质并实现粒子数反转。37§3.5.1激光产生的基本原理3、光学谐振腔*增加激光工作介质的有效长度，使得受激辐射过程有可能超过自发辐射而称为主导。*提供光学正反馈，使激活介质中产生的辐射多次通过介质，并且使光束在腔内往返一次过程中由受激辐射所提供的增益超过光束所受的损耗，从而使光束在腔内得到放大并维持自激振荡。*可以对腔内振荡光束的方向和频率进行限制，以保证输出激光的高单色性和高方向性。38§3.5.1激光产生的基本原理四、激光器的分类1、根据工作物质的不同分类：

固体激光器、气体激光器、半导体激光器、液体激光器、光纤激光器等按照激光器工作方式分类：

连续激光器、脉冲激光器39§3.5.1激光产生的基本原理五、激光器的特点高方向性：用平面发散角来衡量氦氖激光器发散角可达3*10-4rad固体激光器发散角略大10-2rad半导体激光器横向发散角约5~10度，方向性较差不同类型激光器方向性差别很大，与工作物质良好的均匀性、光腔类型和腔长、激励方式以及激光器工作状态有关。单色性好：通常用频谱分布的谱线宽度描述，频带越窄，光源单色性越好。氦氖激光器发出的波长632.8nm的光，光频f为4.74*1014Hz，而高精度稳频后的谱线宽度，即频率变化范围为只有2Hz，普通光源的氦氖气体放电管发出同样频率的激光，其谱线宽度为1.52*109Hz半导体激光器因体积小、功率大，散热又不太好，故单色性较差。40§3.5.1激光产生的基本原理相干性好：普通单色光源（如氦原子的0.6328微米荧光谱线）谱线宽度为2*109Hz，其相干长度仅为0.15m,而激光器谱线宽度为10KHz,相干长度30km.高亮度：高亮度和高相干性的结合是激光与普通光源在特性上的最主要区别。输出功率为1mw的氦氖激光器光强是100w高压汞灯的1000倍。41§3.5.2激光器的发展历史一、激光器的世界发展历史激光器是在1960年正式问世的。但是，激光的历史却已有100多年。确切地说，远在1893年，在波尔多一所中学任教的物理教师布卢什就已经指出，两面靠近和平行镜子之间反射的黄钠光线随着两面镜子之间距离的变化而变化。他虽然不能解释这一点，但为未来发明激光发现了一个极为重要的现象。1917年爱因斯坦提出“受激辐射”的概念，奠定了激光的理论基础。1958年美国科学家肖洛和汤斯发现了一种奇怪的现象：当他们将闪光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。由此他们提出了“激光原理”，受激辐射可以得到一种单色性、亮度又很高的新型光源。1958年，贝尔实验室的汤斯和肖洛发表了关于激光器的经典论文，奠定了激光发展的基础。42§3.5.2激光器的发展历史1960年，美国人梅曼(T.H.Maiman)发明了世界上第一台红宝石激光器。梅曼利用红宝石晶体做发光材料，用发光度很高的脉冲氙灯做激发光源，获得了人类有史以来的第一束激光。1965年，第一台可产生大功率激光的器件--二氧化碳激光器诞生。1967年，第一台Ｘ射线激光器研制成功。1997年，美国麻省理工学院的研究人员研制出第一台原子激光器。43§3.5.2激光器的发展历史激光器的种类很多，可分为固体、气体、液体、半导体和染料等五种类型：（1）固体激光器一般小而坚固，脉冲辐射功率较高，应用范围较广泛。（2）半导体激光器体积小、重量轻、寿命长、结构简单，特别适于在飞机、军舰、车辆和宇宙飞船上使用。半导体激光器可以通过外加的电场、磁场、温度、压力等改变激光的波长，能将电能直接转换为激光能，所以发展迅速。（3）气体激光器以气体为工作物质，单色性和相干性较好，激光波长可达数千种，应用广泛。气体激光器结构简单、造价低廉、操作方便。在工农业、医学、精密测量、全息技术等方面应用广泛。气体激光器有电能、热能、化学能、光能、核能等多种激励方式。44§3.5.2激光器的发展历史（4）以液体染料为工作物质的染料激光器于1966年问世，广泛应用于各种科学研究领域。现在已发现的能产生激光的染料，大约在500种左右。这些染料可以溶于酒精、苯、丙酮、水或其他溶液。它们还可以包含在有机塑料中以固态出现，或升华为蒸汽，以气态形式出现。所以染料激光器也称为“液体激光器”。染料激光器的突出特点是波长连续可调。燃料激光器种类繁多，价格低廉，效率高，输出功率可与气体和固体激光器相媲美，应用于分光光谱、光化学、医疗和农业。

（5）红外激光器已有多种类型，应用范围广泛，它是一种新型的红外辐射源，特点是辐射强度高、单色性好、相干性好、方向性强。

（6）X射线激光器在科研和军事上有重要价值，应用于激光反导弹武器中具有优势；生物学家用X射线激光能够研究活组织中的分子结构或详细了解细胞机能;用X射线激光拍摄分子结构的照片,所得到的生物分子像的对比度很高。

45§3.5.2激光器的发展历史（7）化学激光器有些化学反应产生足够多的高能原子，就可以释放出大能量，可用来产生激光作用。

（8）自由电子激光器这类激光器比其他类型更适于产生很大功率的辐射。它的工作机制与众不同，它从加速器中获得几千万伏高能调整电子束，经周期磁场，形成不同能态的能级，产生受激辐射。

世界第一台自由电子激光器于1977年问世，中国第一台自由电子激光器于1985年问世。自由电子激光器的能量是由外场加速后的自由电子的动能转换而成的。其输出功率可达很高水平，在加工、反导、雷达、通信、光化学等方面都有很大的用途，所以它一问世就受到各国科技界的重视。

46§3.5.2激光器的发展历史

美国电话电报公司贝尔实验室的研究人员于1992年研制出当时世界上最小的固体激光器它在扫描电子显微镜下看起来就像一个个微型图钉，其直径只有2至10微米。在一个大头针的针头上，可以装下1万个这样的新型半导体激光器。1990年美国研制成功畸变量子阱激光器，开关速度达280亿次/秒，这是激光器有史以来达到的最高速度。

1992年日本推出一种高输出半导体激光器，特点是服务寿命长，在室温下可连续工作5000小时。47§3.5.2激光器的发展历史二、我国激光技术发展历史回顾“激光”一词是“LASER”的意译。LASER原是Lightamplificationbystimulatedemissionofradiation取字头组合而成的专门名词，在我国曾被翻译成“莱塞”、“光激射器”、“光受激辐射放大器”等。1964年，钱学森院士提议取名为“激光”，既反映了“受激辐射”的科学内涵，又表明它是一种很强烈的新光源，贴切、传神而又简洁，得到我国科学界的一致认同并沿用至今。

从1961年中国第一台激光器宣布研制成功至今，在全国激光科研、教学、生产和使用单位共同努力下，我国形成了门类齐全、水平先进、应用广泛的激光科技领域，并在产业化上取得可喜进步，为我国科学技术、国民经济和国防建设作出了积极贡献，在国际上了也争得了一席之地。48§3.5.2激光器的发展历史1、我国早期激光技术的发展1957年，王大珩等在长春建立了我国第一所光学专业研究所——中国科学院（长春）光学精密仪器机械研究所（简称“光机所”）。在老一辈专家带领下，一批青年科技工作者迅速成长，邓锡铭是其中的突出代表。早在1958年美国物理学家肖洛、汤斯关于激光原理的著名论文发表不久，他便积极倡导开展这项新技术研究，在短时间内凝聚了富有创新精神的中青年研究队伍，提出了大量提高光源亮度、单色性、相干性的设想和实验方案。1960年世界第一台激光器问世。1961年夏，在王之江主持下，我国第一台红宝石激光器研制成功。此后短短几年内，激光技术迅速发展，产生了一批先进成果。各种类型的固体、气体、半导体和化学激光器相继研制成功。在基础研究和关键技术方面、一系列新概念、新方法和新技术（如腔的Q突变及转镜调Q、行波放大、铼系离子的利用、自由电子振荡辐射等）纷纷提出并获得实施，其中不少具有独创性。

49§3.5.2激光器的发展历史同时，作为具有高亮度、高方向性、高质量等优异特性的新光源，激光很快应用于各技术领域，显示出强大的生命力和竞争力。通信方面，1964年9月用激光演示传送电视图像，1964年11月实现3～30公里的通话。工业方面，1965年5月激光打孔机成功地用于拉丝模打孔生产，获得显著经济效益。医学方面，1965年6月激光视网膜焊接器进行了动物和临床实验。国防方面，1965年12月研制成功激光漫反射测距机（精度为10米/10公里），1966年4月研制出遥控脉冲激光多普勒测速仪。

50名称研制成功时间研制人He-Ne激光器1963.7邓锡铭等掺钕玻璃激光器1963.6干福熹等GaAs同质结半导体激光器1963.12王守武等脉冲Ar+激光器1964.10万重怡等CO2分子激光器1965.9王润文等CH3I化学激光器1966.3邓锡铭等YAG激光器1966.7屈乾华等表一：我国各类激光器的“第一台”§3.5.2激光器的发展历史51§3.5.2激光器的发展历史2、重点项目带动激光技术的发展

激光科技事业从一开始就得到了领导和科学管理部门的高度重视。当时中国科学院副院长张劲夫提出建立专业激光研究所的设想，很快得到国家科委、国家计委的批准。主管科技的聂荣臻副总理还特别批示：研究所要建在上海，上海有较好的工业基础，有利于发展这一新技术。1964年，我国第一所，也是当时世界上第一所激光技术的专业研究所——中国科学院上海光学精密机械研究所（简称“上海光机所”）成立。当年12月在上海召开全国激光会议，张劲夫、严济慈出席并主持会议，140位代表提交了103篇学术报告。

1964年启动的“6403”高能钕玻璃激光系统、1965年开始研究的高功率激光系统和核聚变研究，以及1966年制定的研制15种军用激光整机等重点项目，由于技术上的综合性和高难度，有力地牵引和带动了激光技术各方面在中国的发展。我国的激光科技事业，虽然也遭遇了“文革”十年浩劫，但借助于重点项目的支撑，仍艰难地生存了下来并取得可贵的进展。

52§3.5.2激光器的发展历史(1)6403高能钕玻璃激光系统1964年启动，最后从技术上判定热效应是根本性技术障碍，于1976年下马。这一项目对发展高能激光技术有历史贡献是不可忽视的，它使我国激光技术的水平上了一个台阶。(2)高功率激光系统和核聚变研究

1964年王淦昌独立提出激光聚变倡议，1965年立项开始研究。经几年努力，建成了输出功率10（上标10）瓦的纳秒级激光装置，并于1973年5月首次在低温固氘靶、常温氘化锂靶和氘化聚乙烯上打出中子。1974年研制成功我国第一台多程片状放大器，把激光输出功率提高了10倍，中子产额增加了一个量级。在国际上向心压缩原理解密后，积极跟踪并于1976年研制成六束激光系统，对充气玻壳靶照射，获得了近百倍的体压缩。这一系列的重大突破，使我国的激光聚变研究进入世界先进行列，也为以后长期的持续发展奠定了基础。53§3.5.2激光器的发展历史(3)军用激光研究

1966年12月，国防科委主持召开了军用激光规划会，48个单位130余人参加，会议制定了包括含15种激光整机、9种支撑配套技术的发展规划。虽未正式批准生效，但仍起了有益的推动作用。此后的几年内，这一领域涌现了一批重要成果。例如：

（a）靶场激光距技术初试成功：采用重复频率为20赫兹的YAG调Q激光器，测距精度优于2米，最远测量距离达660公里，加在经纬仪上，可实现对飞行目标的单站定轨。这一成果为以后完成洲际导弹再入段轨迹测量创造了必要条件。54§3.5.2激光器的发展历史（b）红宝石激光人造卫星测距：成功地对美国实验卫星Expl-27号、29号和36号进行了测量、最远可测距离为2300公里，精度2米左右。这是第一代人造卫星的测距成果，为以后更远距离、更高精度的人造卫星测距打下了基础。（c）红宝石激光雷达和机载红外激光雷达，首次实现了地—空和空—空对飞机的跟踪测距。（d）激光航测仪：将激光测距机和航空照相机组合，由飞机机载对地航测，完成对边远地区等复要地形的测绘。重复率6次/分，测距精度1米。55§3.5.2激光器的发展历史（e）地炮激光测距机：可独立完成观察、测距、测角（方向和高低角）及磁针定向等功能。测距范围300-10000米，精度5米。在激光应用方面，Nd:YAG激光通信（3-12路）、He-Ne激光通信、单路/三路半导体激光通信在通信试验中已获得成功；Nd:YAG激光手术刀、CO2激光手术刀、激光虹膜切除仪等医疗设备也已投入使用；激光全息摄影、激光全息在平面光弹中的应用，脉冲激光动态全息照相和拉曼分光光度计已成为计量科学的新手段；数控激光切割机、激光准直仪、激光分离同位素硫、用于农业研究的液体激光器、大屏幕导航显示器等成果也在工农业中获得了应用。1978年3月召开的全国科学大会上，获得奖励的激光项目有近80项，其中民品约70项，军品约10项，综合地反映了我国激光技术发展在这一时期的成绩。

56§3.5.2激光器的发展历史3、改革开放后取得前所未有的进步

改革开放以来，激光技术获得了空前发展的机遇。20多年来，面向应用，面向世界，面向未来，激光科技事业取得了前所未有的进步，涌现出一批国际先进水平的成果，为迈向21世纪打下了坚实的基础。

1980年5月，分别在上海、北京举行了第一次国际激光会议，与会代表218人（国外66人），宣读113篇报告（国外65篇），邓小平同志亲切接见了与会中外代表。1983年在广州和1986年在厦门又举行了第二次、第三次国际会议，改变了我国的激光技术多年来封闭运转的局面，开始走向世界。一大批年轻科技人才出国进修，其中相当一部分优秀人才学成归国。

57§3.5.2激光器的发展历史为了形成高水平的研究开发中心，对科研队伍和布局进行了积极调整，先后成立了一批国家重点实验室、开放实验室、国家工程研究中心和产学研组织。由于拥有国际先进的仪器设备和设施，聚集了高水平的科技人才，又有较为灵活的运行机制，目前正在为激光科技成果转化、创造自主知识产权和促进激光技术产业化发挥重要作用。在多项国家级战略性科技计划中，激光技术受到重视。“863”计划七大领域中有激光技术和光电子技术（包括用于信息领域的激光技术），1995年又增列了“惯性约束聚变”主题。国防预研光电子技术作为跨部门项目正式立项，其中也包括激光技术。国家“六五”和“七五”攻关计划，激光技术被列为重大项目。58§3.5.2激光器的发展历史激光器研究向纵深发展，不断追求高光束质量、高稳定性、长寿命、短脉冲、波长可调谐等目标。这一时期，激光技术成果丰硕，许多具有重大应用价值和达到国际先进水平。其中的代表性成果有：

(1)测距和测卫

新一代实用测距系统投入使用，完成了预定的重要任务。其中，718和G-179激光电影经纬仪投入使用并圆满完成任务；第一台全激光跟踪测距雷达外场试验成功；第一台实用化红外激光雷达（G-168）设计定型，交用户使用；战术军用激光测距仪（炮兵、坦克、手持）批量生产。建成第三代人造卫星激光测距系统达到国际水平。第一代红宝石SLR系统的测距精度为米级，第二代YAG调Q激光器的精度达分米级，第三代锁模激光器加微机系统在大于8000公里距离上精度达厘米级。在上海、武汉、长春、北京等先后建站，形成了中国网，数据参加国际交流。59§3.5.2激光器的发展历史(2)惯性约束聚变（ICF）激光驱动器——“神光”系列

在王淦昌、王大珩的指导下，中国科学院和中国工程物理研究院从80年代开始联合攻关，承担了“神光”系列激光系统的研制和ICF物理实验，取得了国际瞩目的成就。其中，“神光-Ⅰ”激光装置于1986年建成，输出功率2万亿瓦，达到国际同类装置的先进水平。“神光-Ⅰ”连续运行8年，在ICF和X射线激光等前沿领域取得了一批国际一流水平的物理成果。90年代又研制了规模扩大4倍、性能更为先进的“神光-Ⅱ”装置，并即将投入运行。1995年，ICF在“863计划”中立项，开始研制跨世纪的巨型激光驱动器——“神光-Ⅲ”装置，总体设计和关键技术研究已取得一系列高水平的成果。60§3.5.2激光器的发展历史(3)新型激光器

两种高功率连续波化学激光器，3.8微米的氟氘激光器（DF）和1.315微米短波长氧碘激光器（COIL），均取得突破性进展，功率和光束质量仅次于美国，达到当前国际水平。X射线激光方面，碰撞机制的类氖锗软X射线激光（波长为23.2纳米和23.6纳米）达到增益饱和并具有近衍射极限的光束质量，居国际领先水平；复合泵浦X射线激光研究获得一系列国际首次报道的新谱线，并向短波长推进到4.68纳米。自由电子激光器和多波长可调谐激光也取得了可喜进展。61§3.5.2激光器的发展历史(4)中国牌新晶体走向世界

我国发明的BBO、LBO晶体，以及KTP、钛宝石等晶体以优异的质量在国际市场享有盛誉并占有一定的份额。4、方兴未艾的激光行业

尽管早在60年代已在加工（激光打孔）、医疗器械和测距等方面出现了激光产业的雏形，然而当时只是零星的、分散的小量研制性生产，未能形成气候。真正得到重视并实质性起步，还是在改革开放发后，特别是“发展高技术，实现产业化”的政策导向下，我国才有了真正意义上的激光产业。62§3.5.2激光器的发展历史1987年1月，中国光学行业协会成立，后改名为中国光学光电子行业协会，其下设有激光分会。据1998年该行业协会对我国激光产业状况的调研统计，全国主要激光产品生产单位约100多家，从业人员6400人，人均销售额12.5万元，主要分布在湖北、北京和上海。我国的激光产业由1988年的1亿元增加到1998年的8亿元，平均年增长22.3%，10年总销售额达41.2亿元。1998年出口1120万美元，占总值的11.6%。

63§3.5.2激光器的发展历史按国际惯用分类方法，激光产品包括激光加工、医疗、印刷、光存储，测距准直、检测、文娱教育中的各种激光仪器和设备，激光器件和通信用激光组件，以及激光用材料元器件和部件等11类。在我国，销售额最大的是激光测距和准直，发展最快的是激光加工（近两年来YAG激光加工设备以46%-60%的速率增长，达9000万元，超过了CO2激光加工设备）。激光医疗市场开发较早，曾以高速度增长，但现正处于低谷，销售额在5500万元徘徊。高端产品市场几乎全被国外产品占领，但天津大学开发的TD-98型Q开关红宝石激光治疗机以质量取胜，通过了美国FDA认证并批量出口。1998年激光器分类表明固体激光占37.4%，半导体激光占18.5%，呈现出固体激光市场旺盛，半导体激光迅速增长的趋势。二极管泵浦的固体激光器（脉冲、连续、单模稳频、微片、倍频）将成为新的增长点。

64§3.5.3典型激光器介绍一、固体激光器工作物质是由玻璃或晶体等固体材料做为基质，掺入某些离子（激活离子）构成。物理性质取决于基质材料，光谱特性由激活离子的能级结构所决定。主要采用光泵浦闪光灯泵浦：脉冲激光器采用脉冲氙灯，连续激光器采用氪灯或碘钨灯。优点：辐射强度高、既可脉冲工作又能连续工作、工艺简单、使用方便等。缺点：效率低。65§3.5.3典型激光器介绍半导体激光二极管泵浦可以针对某些固体工作物质的吸收光谱来选择与其匹配的激光二极管做为泵浦源，这将大大提高激光器的效率，改善激光器的性能。66§3.5.3典型激光器介绍半导体激光二极管泵浦67§3.5.3典型激光器介绍半导体激光二极管泵浦68§3.5.3典型激光器介绍1、红宝石激光器(Cr3+:Al2O3)694.3nm的激光辐射能量大具有高的泵浦能量阈值，通常以脉冲方式运转。性能随温度变化明显：棒的温度变化10度，可引起波长改变0.07nm.2、掺钕钇铝石榴石（Ed:YAG）1064nm泵浦阈值低可以单脉冲、高重复频率和连续运转，既能做成中小功率和微型激光器，又能做成千瓦级的高功率固体激光器。3、掺钛蓝宝石激光器(Ti3+:Al2O3)最广泛使用的可调谐固体激光器，输出波长范围可调：660~1100nm在700~900nm范围内可调谐功率最高69§3.5.3典型激光器介绍二、气体激光器以气体或蒸汽为工作物质，是目前种类最多、波长分布区域最宽，应用最广的激光器。优点：谱线范围宽，波长覆盖了从亚毫米波到真空紫外线，甚至X射线、γ射线。输出激光束的质量高，其激光束的相干性、单色性和方向性均优于其它激光器。输出激光功率大，既能连续又能脉冲工作，是目前连续输出功率最大的激光器。转换效率高70§3.5.3典型激光器介绍1、氦氖激光器是连续运转的激光器，输出连续光，主要波段在可见光到近红外区，最常用的632.8nm、1.15µm、3.39µm。输出光束质量高：单色性好、方向性好输出功率一般为毫瓦级（0.5~100mw)图9He-Ne激光器的基本结构形式71图10封离式CO2激光器结构示意图§3.5.3典型激光器介绍2、二氧化碳激光器激光波长为10.6µm和9.6µm既能连续工作又能脉冲工作输出功率大，是所有激光器中连续输出功率最高的激光器。转换效率高达20%~25%，是能量利用率最高的激光器之一。72§3.5.3典型激光器介绍3、Ar+离子激光器激光波长为488nm（4.5A)蓝光和514.5nm(7A)绿光476.5nm(8A)\496.5nm(9A)\501.7nm(12A)\472.7nm(14A)既能连续工作又能脉冲工作输出功率一般为几瓦到几十瓦，是目前在可见光区连续输出功率最高的激光器。能量转换效率低，最高达0.6%。73§3.5.3典型激光器介绍三、半导体激光器1、半导体激光器的特点是直接的电子-光子转换器，因而转换效率很高。覆盖的波段范围最广：通过选用不同的有源材料或改变多元化合物半导体各组元的组分，可得到范围很广的激光波长。使用寿命最长，目前通信用可达数十万乃至百万小时。体积小易于组装进其他设备，质量轻、价格便宜。工作电压和电流与集成电路兼容，因而可以与之单片集成，形成集成光电子电路。可用高达GHz的频率直接进行电流调制，以获得高速调制的激光输出。基于半导体的制造技术，适用于大批量生产。发散角比较大。激光性能受温度影响大。74§3.5.3典型激光器介绍2、半导体激光器材料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)、锑化铟(InSb)、硫化鎘(Cds)、碲化鎘(CdTe)、硒化铅(PbSe)、碲化铅(PbTe)、铝鎵砷(A1xGa1-xAs)、铟磷砷(In-PxAS1-x)等.3、半导体激光器的激励方式即电注入式、光泵式和高能电了束激励式.75§3.5.3典型激光器介绍4、半导体激光器的原理在半导体的两个精细加工磨成解理面而构成谐振腔，给半导体施以正向外加电场，从而产生电激励，在外部电场作用下，使半导体PN结中N区多数载流子（即电子)向P区运动，而P区的多数载流子（空穴）向N区运动，高能电子和空穴相遇产生复合，同时将多余的能量以光的形式释放出来。由于解理面谐振腔的共振放大作用实现受激反馈，从而实现定向发射而输出激光。图12同质结、异质结结构示意图76§3.5.3典型激光器介绍5、半导体激光器的种类-同质结半导体激光器它是在一种材料上制作的pn结二极管在正向大电流注入下，电子不断地向p区注入，空穴不断地向n区注入.于是，在原来的pn结耗尽区内实现了载流子分布的反转，由于电子的迁移速度比空穴的迁移速度快，在有源区发生辐射、复合，发射出荧光，在一定的条件下发生激光，这是一种只能以脉冲形式工作的半导体激光器.

有源区厚度为几个微米，工作电压偏高，产生多余而有害的热量。为产生明显的复合辐射所要求的电流密度高，容易导致材料损伤。只能在很低的温度下工作。图13GaAs激光器的结构77§3.5.3典型激光器介绍5、半导体激光器的种类-单异质结半导体激光器（SH）半导体激光器发展的第二阶段是异质结构半导体激光器，它是由两种不同带隙的半导体材料薄层，如GaAs,GaAlAs所组成，最先出现的是单异质结构激光器(1969年).单异质结注入型激光器(SHLD)是利用异质结提供的势垒把注入电子限制在GaAsP一N结的P区之内，以此来降低阀值电流密度，其数值比同质结激光器降低了一个数量级，但单异质结激光器仍不能在室温下连续工作。

78§3.5.3典型激光器介绍5、半导体激光器的种类-双异质结半导体激光器（DH）1970年，实现了室温连续工作的双异质结GaAs-GaAlAs激光器.双异质结激光器的诞生使可用波段不断拓宽，线宽和调谐性能逐步提高，其结构的特点是在P型和n型材料之间生长了仅有0.2µm厚的，不掺杂的，具有较窄能隙材料的一个薄层，因而注入较少的电流就可以实现载流子数的反转.在半导体激光器件中，目前比较成熟、性能较好、应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器.79§3.5.3典型激光器介绍5、半导体激光器的种类-量子阱半导体激光器（QW)在1978年出现了世界上第一只半导体量子阱激光器。QWL在结构上的特点是它的有源区是由多个或单个阱宽约为100埃的势阱所组成，由于势阱宽度小于材料中电子的德布罗意波的波长，产生了量子效应，连续的能带分裂为子能级.具有阈值电流低、输出功率高，频率响应好，光谱线窄和温度稳定性好和较高的电光转换效率等许多优点.量子阱激光器单个输出功率现已大于1w，承受的功率密度已达lOMW/cm3以上。量子阱激光器当采用阵列式集成结构时，输出功率则可达到l00w以上.近年来，高功率半导体激光器(特别是阵列器件)飞速发展，已经推出的产品有连续输出功率5W,10w,20w和30W的激光器阵列.脉冲工作的半导体激光器峰值输出功率50w.120W和1500W的阵列也已经商品化.一个4.5cmx9cm的二维阵列，其峰值输出功率已经超过45kW.峰值输出功率为350kW的二维阵列也已间世.80§3.5.3典型激光器介绍5、半导体激光器的种类-分布式反馈半导体激光器（DFB-LD)分布反馈的实现是基于布拉格衍射原理，在一半导体晶体的表面上，做成周期性的波纹形状，起谐振腔的作用。当介质实现了粒子数反转时，这种光波在来回反射中不断的加强和增大，当满足阈值条件以后，激光就出现了。发射的激光波长完全由光栅的周期来决定，可以通过改变光栅的周期来调整发射波长，其发射频率的选择范围很宽，可以在自发辐射频率范围内自由地选择发射波长。损耗大、发光效率低，工作寿命短，只能以脉冲方式工作。81§3.5.3典型激光器介绍5、半导体激光器的种类-分布布拉格反射半导体激光器（DBR-LD)在有源波导层两外侧的无源波导上，将有源区与波纹光栅分开，这两个无源的周期波纹波导充当Bragg反射镜作用，在自发辐射光谱中，只有在Bragg频率附近的光波才能提供有效地反馈。可减小损耗、提高发光效率，降低阈值电流，实现室温连续工作。82§3.5.3典型激光器介绍5、半导体激光器的种类-垂直腔表面发射半导体激光器（VCSEL)面发射激光器却是在芯片上下表面镀上反射膜构成了垂直方向的F一p腔，光输出沿着垂直于衬底片的方向发出，是一种新型的量子阱激光器。它的工作阈值电流低（1mA甚至接近1µA），因此工作电流也不高（5~15mA).输出光的方向性好，耦合效率高，通过阵列化分布能得到相当强的光功率输出，垂直腔面发射激光器已实现了工作温度最高达71℃。20世纪90年代末，面发射激光器和垂直腔面发射激光器得到了迅速的发展，980nm,850nm和780nm的器件在光学系统中已经实用化.目前，垂直腔面发射激光器已用于千兆位以太网的高速网络。83§3.5.3典型激光器介绍6、半导体激光器常用性能参数（1）波长：即激光管工作波长，目前可作光电开关用的激光管波长有635nm、650nm、670nm、激光二极管690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等。（2）阈值电流Ith

：即激光管开始产生激光振荡的电流，对一般小功率激光管而言，其值约在数十毫安，具有应变多量子阱结构的激光管阈值电流可低至10mA以下。（3）工作电流Iop

：即激光管达到额定输出功率时的驱动电流，此值对于设计调试激光驱动电路较重要。（4）垂直发散角θ⊥：激光二极管的发光带在垂直PN结方向张开的角度，一般在15˚~40˚左右。（5）水平发散角θ∥：激光二极管的发光带在与PN结平行方向所张开的角度，一般在6˚~10˚左右。（6）监控电流Im

：即激光管在额定输出功率时，在PIN管上流过的电流。84§3.5.4半导体激光器在医学中的应用半导体激光器是成熟较早、进展较快的一类激光器，由于它的波长范围宽，制作简单、成本低、易于大量生产，并且由于体积小、重量轻、寿命长，因此，品种发展快，应用范围广，目前已超过300种.最主要应用领域是Gb局域网，850nm波长的半导体激光器适用于>1Gh/s局域网，1300nm-1550nm波长的半导体激光器适用于1OGb局域网系统.半导体激光器的应用范围覆盖了整个光电子学领域，已成为当今光电子科学的核心技术.半导体激光器在激光测距、激光雷达、激光通信、激光模拟武器、激光警戒、激光制导跟踪、引燃引爆、自动控制、检测仪器等方面获得了广泛的应用，形成了广阔的市场.1978年，半导体激光器开始应用于光纤通信系统，半导体激光器可以作为光纤通信的光源和指示器以及通过大规模集成电路平面工艺组成光电子系统.在光通信、光变换、光互连、并行光波系统、光信息处理和光存贮、光计算机外部设备的光耦合等方面有重要用途.85§3.5.4半导体激光器在医学中的应用半导体激光器的问世极大地推动了信息光电子技术的发展，到如今，它是当前光通信领域中发展最快、最为重要的激光光纤通信的重要光源.半导体激光器再加上低损耗光纤，对光纤通信产生了重大影响，并加速了它的发展.因此可以说，没有半导体激光器的出现，就没有当今的光通信.GaAs/GaAlAs双异质结激光器是光纤通信和大气通信的重要光源，如今，凡是长距离、大容量的光信息传输系统无不都采用分布反馈式半导体激光器(DFB一LD).半导体激光器也广泛地应用于光盘技术中，光盘技术是集计算技术、激光技术和数字通信技术于一体的综合性技术.是大容量、高密度、快速有效和低成本的信息存储手段，它需要半导体激光器产生的光束将信息写人和读出.

86§3.5.4半导体激光器在医学中的应用一、生物体的光学特性1.假设生物体中入射的单色平行光强度为I0。若生物体是均匀的吸收物质,入射深度为x处的光强度I为

（at为衰减系数、as为散射系数、a0为吸收系数）图18生物体中的光衰减特性87§3.5.4半导体激光器在医学中的应用3、

在700～1500nm范围的红外光谱带上吸收比较少，因此该光谱带称为生物体光谱学之窗。水对红外光有着很强的吸收，蛋白质在紫外表现出很强的吸收。

2、如图19所示为生物体与光的各种相互作用的示意图图19生物体与光的各种相互作用的示意图图20软组织上各种物质的吸收系数与波长的关系88§3.5.4半导体激光器在医学中的应用图21软组织中各种激光的穿透深度4、光渗透长度在近红外附近较大，在3μm以上的红外域或300nm以下的紫外域中较小。组织的种类不同，光渗透长度对波长的依赖性也变化。89§3.5.4半导体激光器在医学中的应用二、激光对生物体的作用1.激光对生物体的作用是医学应用的物理基础。激光对于受照射的组织有四方面的作用即热力作用、机电作用、激光消融作用和光化学作用。热效应是医学上使用最广泛而且最早被人们认识的组织效应之一。机械效应在医学上多用于泌尿道或胆道结石的粉碎上。光化学效应是基于一种选择性的、光激发的特殊药物，在激光的激发下转化成一种毒性成分，在细胞内产生单氧态，造成细胞产生毒性的代谢产物而死亡。还有组织的焊接作用效应，利用聚焦的激光，对组织器官的结构进行对接和重建。2.各种不同波长的低功率密度的激光照射生物体时，对生物体的刺激作用和提高非特异性免疫功能，可使局部血管扩张，血液循环改变，改善组织的缺氧状态并减轻慢性炎症反应促使炎症吸收好转。90§3.5.4半导体激光器在医学中的应用三、半导体激光器在医学中的应用1、医用半导体激光器的应用现状91§3.5.4半导体激光器在医学中的应用2、眼科约有20种激光器，其中半导体激光主要用于光凝和治疗眼底疾病。典型的是低功率810nm近红外半导体激光器，是眼科中最常用的热源，可用于治疗各种难治性青光眼、硅油注入术后难治性高眼压，以及视网膜的光凝和固定等。3、外科

在外科领域中较常用的有CO2激光器和Nd:YAG激光器。CO2激光器不易用光纤导光，操作不方便，因而在治疗内部脏器方面逐渐呈现劣势。YAG激光器(1064nm)则由于波长较长，气化功能不足，而它的倍频光(530nm)又因波长较短而凝固止血功能欠佳。近年来，带光纤耦合输出的半导体激光手术刀已逐步进入市场，半导体激光对组织照射穿透较深，比较适于组织切割，使其成为目前最新一代的医用激光手术刀。92§3.5.4半导体激光器在医学中的应用

德国塞拉姆公司特别针对PLDD(经皮激光椎间盘减压术)微创手术而生产的最新机型一CeralasD15型980nm半导体激光刀，近年来已由德国、法国和美国等国家的医师作为该领域的一项创新加以使用，使其临床应用日趋成熟，治疗效果立竿见影。北京龙慧珩医疗科技发展有限公司引进德国技术，在全国率先推出”HOP-100半导体激光手术刀”系统,填补了目前国内激光医学领域的一项研究空白，其波长830nm,输出功率0~30W，连续可调或间断脉冲，采用光纤输出，空气冷却，仪器尺寸仅为485x380x230mm，可广泛应用于血管外科、胸外科、神经外科等手术中。目前有研究证实980nm半导体激光在切割、凝固等方面应用效果要好于830nm半导体激光，且所需功率较低。除高功率激光外科手术外，半导体激光还可以用于治疗皮肤带状疤疹、糖尿病性皮肤溃疡、久治不愈的老伤等一般外科疾病。93§3.5.4半导体激光器在医学中的应用3、美容科

在医学美容领域