激光元器件详细介绍-课件

激光元器件详细介绍概述1960年，美国休斯公司的Maiman研制成功了世界上第一台红宝石激光器激光器由工作物质、泵浦源和光学谐振腔三部分组成。根据工作物质的不同，可将激光器分为气体激光器、固体激光器、染料激光器、半导体激光器、光纤激光器、化学激光器、自由电子激光器等。按照工作方式划分，激光器可分为连续激光器和脉冲激光器。§1气体激光器

1.1气体放电特性正常状态，中性的气体分子是绝缘体气体的“着火”OAB段，电流极微弱，没有辐射光，称为饱和电流区域。OABC段属非自持放电C点电压称为击穿电压，DE段为准辉光放电，EF段称为正常辉光放电，FG段为反常辉光放电GHI段为弧光放电，发出耀眼的强光辐射，电流密度较大，阴极局部温度升高，负阻特性He-Ne激光器、CO2激光器、日光灯、等离子显示中的放电形式属于辉光放电。Ar离子激光器、霓虹灯、氙灯、氪灯、闪电、电弧焊中的放电形式属于弧光放电1.2He-Ne激光器He-Ne激光器是典型的惰性气体激光器，Ne是工作物质，He是辅助气体He-Ne激光器输出连续光最常用的工作波长632.8nm，其次是1.52μm和3.39μm以及1.52μm和543.5nm等增益比较低，输出功率一般为毫瓦量级输出光束质量高，单色性好（⊿ν<20Hz），方向性好（<1mrad）,结构简单，价格低廉，广泛用于准直、精密计量、信息处理、医疗和照排印刷等领域。He-Ne激光器的工作原理最强的有3条，即632.8nm（3s2→2p4）3.39μm（3s2→3p4）1.15μm（2s2→2p4）He-Ne激光器是典型的四能级系统He-Ne激光器的工作原理Ne原子激光上能级有三种激发过程。共振能量转移激发电子直接碰撞激发共振能量转移是电子直接碰撞激发的60～80倍。串级跃迁大家有疑问的，可以询问和交流可以互相讨论下，但要小声点He-Ne激光器的工作原理Ne原子激光下能级3p和2p能级向基态的跃迁为选择定则所禁戒，只能通过自发辐射跃迁到1s，能级1s向基态的跃迁也属禁戒，Ne原子只有扩散到放电管管壁，通过与管壁碰撞释放能量后返回基态，称为“管壁效应”。这是He-Ne激光器放电毛细管较细的主要原因He-Ne激光器的基本结构放电管、电极和谐振腔平-凹腔，平面镜为输出镜，透射率1-2%内腔式、外腔式和半内腔式He-Ne激光器的工作特性放电电流的影响总气压和气压比He-Ne激光器的谱线竞争632.8nm、3.39μm与1.15μm三条谱线是He-Ne激光器上百条谱线中最强的三条。3.39μm谱线与632.8nm谱线共用一个激光上能级3s2,且增益都很高。因此,二者之间存在激烈的谱线竞争。3.39μm谱线的振荡,将大量消耗激光上能级的粒子,导致632.8nm谱线的增益与输出功率下降,甚至振荡被抑制遵循的原则是增大3.39μm谱线的损耗或者降低其增益He-Ne激光器的谱线竞争棱镜色散法腔内放置甲烷吸收盒外加非均匀磁场法

其原理是利用塞曼效应。塞曼效应指磁场将引起谱线的分裂，谱线分裂的大小与磁感应强度成正比。施加非均匀磁场后，造成放电管内各处谱线分裂程度不同，其作用相当于把谱线展宽He-Ne激光器的谱线竞争1.3CO2激光器CO2激光器是分子气体激光器中应用最广泛的器件连续输出功率可达数十万瓦,是所有激光器中连续输出功率最高的器件;脉冲输出能量可达数万焦,脉宽可压缩到纳秒量级,脉冲功率密度可达太瓦量级。能量转换效率高（可达20-25%）输出波长10.6μm，处于大气窗口中，既可连续运转，也可脉冲工作。广泛应用于材料加工、医疗、激光测距、激光制导、大气通信和科学研究等领域。工作物质是CO2气体，辅助气体有N2

、He、CO、Xe、H2O、H2

与O2等。CO2激光器工作原理CO2分子的振动有三种基本形式：对称振动、形变（弯曲）振动、反对称振动CO2分子上述三种振动方式相互独立,其振动能量为三种振动方式的能量之和。我们用4个对应的量子数标记其振动能级,标记符号为(v1,vl2,v3

)CO2激光器工作原理CO2分子可能产生的跃迁谱线很多，其中强度最强和最有价值的是0001→1000跃迁产生10.6μm波长的激光和0001→0200跃迁产生9.6μm波长的激光。由于以上跃迁具有同一上能级,而且0001→1000跃迁的几率大得多,所以C02激光器通常只输出10.6μm激光。CO2

分子的能级结构属四能级系统CO2激光器工作原理C02分子激发到0001能级直接电子碰撞电子与基态(0000)C02分子碰撞使其激发到激光上能级

CO2(0000)+e(快)→CO2(0001)+e(慢)级联跃迁电子与基态CO2分子碰撞使其跃迁到000n能级,基态C02分子与高能级C02分子碰撞后跃迁到激光上能级

CO2(0000)+CO2(000n)→CO2(0001)+CO2(000n-1)共振转移N2分子(v=0)能级和电子碰撞后跃迁到v=1的振动能级。基态CO2分子与亚稳态N2分子发生非弹性碰撞并跃迁到激光上能级。

CO2(0000)+N2(v=1)→CO2(0001)+N2(v=0)CO2激光器工作原理从能级1000和0200向基态能级的跃迁为选择定则所禁戒，他们的弛豫只能通过气体分子之间的碰撞 C02(1000)+C02(0000)→2C02(0100)+52cm-1 C02(0200)+C02(0000)→2C02(0100)+50cm-1 C02(0100)+C02(0000)→2C02(0000)+667cm-1 C02(0100)+M→2C02(0000)+ΔEM为其他气体分子。前两个过程是激光下能级向0100能级的弛豫，该过程进行速度很快，后两个过程是向基态排空的过程，进行得速度很慢。常用的方法是使用辅助气体C02激光器的结构封离型C02激光器输出功率都低于200瓦内腔式、半内腔式和外腔式为防止器件发热，放电毛细管外加有水冷套管平-凹腔，输出反射镜一般采用红外材料C02激光器的结构轴快流C02激光器千瓦-万瓦级放电管内气体流动速度在亚音速，一般采用罗茨泵风机两端都装有热交换器气流方向、电流方向和光输出方向同轴光束质量好，功率密度高，电光效率达25%C02激光器的结构横流C02激光器气流方向、放电方向和光方向相互垂直一般在千瓦到万瓦量级，但是光束质量要比轴流激光器差C02激光器的结构横向激励高气压C02激光器（TEAC02激光器）工作气压为1-2个大气压，以脉冲方式工作能量可高达10-50J/L，脉冲峰值功率可达1012W，脉冲宽度为纳秒量级快速放电回路，如火花隙，减少回路中的电感。采用多组电极放电方式和预电离技术1.4其他气体激光器Ar离子激光器蓝绿光区，488.0nm和514.5nm是常用的谱线大电流弧光放电激发1.4其他气体激光器准分子激光器惰性气体原子受到激发时，由于电子被激发到更高的轨道上而打破最外的满层电子分布时，可以和另一个原子形成一个短寿命的分子，这种处于激发态的分子称为准分子。准分子回复到基态时迅速离解成原子，所以在准分子激光器中，不存在下能级的阻塞现象，容易形成粒子数反转，增益较高。一般工作在紫外、远紫外和真空紫外区。采用快速放电或电子束泵浦，输出脉冲激光能量百焦量级，平均功率大于200W，重复频率可达1kHz。光子能量高，在同位素分离、光化学、医学、生物学、微电子、精细加工等获得广泛应用。§2固体激光器典型红宝石激光器、Nd:YAG激光器和掺钛蓝宝石激光器等波长覆盖可见到近红外波段输出能量大、运转方式、结构紧凑、易于与光纤耦合固体激光介质通常在基质材料，如晶体或玻璃中掺入少量的金属离子光泵浦的方式:灯泵、LD泵平平腔或平凹腔，光学玻璃镀膜2.1Nd:YAG激光器钇铝石榴石Y3Al5O12中掺入少量Nd2O3，Nd3+部分取代Y3+,其激活离子是Nd3+YAG晶体的熔点高，可人工生长，机械性能好，硬度较高，热导性能也好，化学稳定性号，抗光照性能较好可脉冲工作，可连续工作和高重复频率工作Nd：YAG的能级结构4F3/2是激光上能级。也是亚稳能级，寿命约0.23ms，4I11/2、4I13/2、4I9/2是激光下能级，其中4I9/2也是基态能级。位于4F3/2能级的粒子可以向多个终端能级跃迁产生辐射，显而易见，向能级4I11/2、4I13/2的跃迁属于四能级系统，阈值低，向能级4I9/2的跃迁属于三能级系统，器件阈值高，室温下很难实现激光振荡。Nd：YAG的荧光光谱1.35μm，对应4F3/2→4I13/2跃迁，分支比0.141.064μm，对应4F3/2→4I11/2跃迁，分支比0.600.94μm，对应4F3/2→4I9/2跃迁，分支比0.251.064μm的荧光强度是1.35μm的4倍，谱线竞争的结果，1.35μm谱线被抑制由于受到晶格场的影响，能级发生分裂，4F3/2能级分裂成两个能级，4I11/2能级分裂成六个能级，共产生8条谱线Nd：YAG的吸收光谱大于0.4μm的范围内，主要有五个吸收光谱带，中心波长分别在0.525μm、0.585μm、0.75μm、0.81μm和0.87μm，分别对应能级结构中的基态到吸收能级的跃迁。0.75μm、0.81μm两个吸收带最为重要，吸收也最强。在光泵浦时需要考虑泵浦光源的谱线与Nd:YAG晶体的吸收谱线相匹配。光泵浦系统固体激光器一般采用光泵浦，惰性气体放电灯（脉冲氙灯、连续氪灯）半导体激光二极管金属蒸气灯（汞灯、钠灯）卤化物灯（碘钨灯、溴钨灯）前两类泵浦光源最为常用惰性气体放电灯由工作气体、电极和灯管三部分组成工作气体一般采用氙气或氪气电极采用高熔点、高电子发射率和低溅射率的金属材料，如钨、釷钨等材料灯管采用耐高温、透光性好、机械强度高的石英玻璃弧光放电状态，放电电流密度大，发光强结构上有直管式和螺旋式两种惰性气体放电灯脉冲氙灯在不同气压和电流密度下的发射光谱分布。高放电电流密度下,脉冲氙灯的辐射光谱显然有利于红宝石晶体的吸收(吸收峰在400～550nm)惰性气体放电灯连续氪灯的发射光谱。聚光腔作用是将泵浦光有效、均匀地传输到工作物质上聚光腔通常是一个封闭的空心几何体灯泵浦系统中,侧面泵浦棒状工作物质应用最为广泛椭圆柱聚光腔是最常见的聚光腔一般采用金属材料，如铜、铝等，某些小功率场合也使用玻璃材料内表面要求高反射率。镀高反射率的反射膜层，有金属反射膜层和多层介质膜层。热应力、热透镜效应等，统称为热效应。水冷却LD泵浦系统目前激光器在向全固态方向趋势发展用半导体激光器代替闪光灯来泵浦固体工作物质，实现高效、小型、稳定振荡。是固体激光技术领域的一次革命光谱匹配好总体效率高（25%以上）光束质量好（降低了热透镜效应）体积小、结构简单，装调方便，寿命长LD泵浦系统直接端面泵浦、光纤耦合端面泵浦和侧面泵浦2.2红宝石激光器红宝石晶体是在刚玉Al2O3中，掺入了少量Cr2O3，Cr3+部分取代Al3+，其激活离子是Cr3+2E是激光上能级，寿命约3ms，由于晶格场的作用，分裂为两个子能级2A和E（ΔE=29cm-1），向基态跃迁产生692.9nm和694.3nm两条谱线。4A2能级是激光下能级，是基态，属三能级系统，器件阈值比较高，只能以脉冲方式运转。4F1和4F2为两个吸收能级，寿命为纳秒量级2.2红宝石激光器红宝石晶体在可见光区有两个强吸收带。蓝带,中心波长位于410nm附近,带宽为360～450nm,对应于4A2向4F1能级的跃迁吸收绿带,中心波长位于550nm附近,带宽为510～600nm,对应于4A2向4F2能级的跃迁吸收适于采用脉冲氙灯这类强可见光光源进行泵浦2.2红宝石激光器红宝石晶体有两条强荧光谱线,分别称为R1线和R2线。R1线中心波长为694.3nm,对应于E→4A2能级的自发辐射跃迁。R2线中心波长为692.9nm,对应于2A→4A2能级的自发辐射跃迁。红宝石激光器只产生694.3nm激光，692.9nm不能形成激光振荡。激光上能级2A和E上的粒子数服从玻尔兹曼分布，E能级上粒子数略微占优（53%）694.3nm荧光强度高于692.9nm谱线，受激辐射几率也高694.3nm线先达到阈值条件形成激光振荡，而这两个能级差很小，粒子交换频繁，谱线竞争的结果抑制了692.9nm谱线的振荡2.3掺钛蓝宝石激光器钛宝石晶体具有良好的热传导和机械性能具有高增益、低泵浦阈值，可获得超大功率宽于500nm的波长调谐范围，使用频率变换技术可将波长范围拓宽到从紫外至红外利用锁模技术可获得飞秒量级的光脉冲2.3掺钛蓝宝石激光器钛宝石晶体是掺有Ti3+的氧化铝单轴晶体上能级2Eg和下能级2T2g分裂出的各能级分别连成两个宽带属于四能级系统。泵浦激发到振动能带,快速驰豫落于带底，上能带底与下能带各子能级之间形成粒子数反转,并产生受激辐射。粒子在基态各能级寿命非常短。钛宝石的吸收光谱和发射光谱吸收谱带宽度约为200nm（400-600nm），主吸收峰488nm（对应于2T2g→E1/2）和吸收次峰556nm（对应于2T2g→E3/2），适合使用蓝绿光泵浦，π偏振荧光峰波长745nm，π偏振方向可获最佳激光输出，增益峰值波长约785nm，波长范围为650～1200nm,带宽(FWHM)约122nm荧光谱与吸收谱相互错开泵浦方式与激光器结构激光束泵浦，采用Ar+激光器或倍频Nd:YAG激光，耦合方式分为同轴泵浦和傍轴泵浦闪光灯泵浦脉冲氙灯2.3掺钛蓝宝石激光器钛宝石晶体具有极宽的增益带宽,除了可作为可调谐激光器外，它在锁模激光器产生超短脉冲方面为人们所青睐。近几年来,锁模钛宝石超短脉冲激光是一热门课题,从理论上讲,如果将纵模全部锁定,用钛宝石晶体可以直接产生1fs宽度的输出光脉冲。目前可以实现锁模的方法有主动锁模、被动锁模、同步泵浦锁模、附加脉冲锁模(APM)、共振被动锁模(RPM)、碰撞锁模以及自锁模等,另外也有混合锁模方式§3半导体激光器以半导体作为工作物质的激光器称为半导体激光器体积小、效率高、易于调制、价格低光通信、光存储、激光打印、测距和制导等领域有重要应用半导体的基础知识半导体中，低温下，未激发情况下,价带为满带，导带空带，不导电。温度较高时，价带中部分电子激发到导带，价带中形成空穴，表现出导电性。在纯净的半导体中，热运动而产生的自由电子和空穴数量很少掺杂电子型半导体或N型半导体空穴型半导体或P型半导体电子和空穴的统计分布一个电子占据能量为E的能级的几率为费米能级EF一个表征电子在各个能级分布情况的参数，不表示电子可以实际占据的能级。T=0的情况下，E>EF时，fn(E)=0；E<EF时，fn(E)=1。也可以将理解为T=0时完全填满和完全空缺能级的边界。P-N结的能带结构未加电场时，扩散作用，形成空间电荷区，产生自建场，方向N指向P。自建场引起漂移运动，当扩散运动和漂移运动达到热平衡时，P区和N区的费米能级必然达到同一水平，在结区造成了能带的弯曲P-N结的势垒高度eVD。P区的价带顶充满了空穴，N区的导带底充满了电子。P-N结的能带结构加正向电压V，势垒降低了eV，多数载流子流入对方，两边的少数载流子增加了，称为“非平衡载流子”。这种现象叫做“载流子注入”。费米能级分离，形成准费米能级，分别描述空穴和电子的分布。在结区的一个很薄的作用区，形成了双简并能带结构。半导体中粒子数反转重掺杂PN型半导体，费米能级分别进入导带和价带内部未加电压时，势垒高度eVD，两区间载流子相互扩散正好被自建场抵消加正向电压V时，势垒降为e(VD-V),费米能级分离，且eV=(EF)N-(EF)P，P-N结的附近，导带中有电子而价带中有空穴，称为“作用区”。如果电子从导带中向价带中跃迁，则将释放光子，并在谐振腔的反馈作用下，产生受激辐射价带顶空穴的占据几率价带顶电子占据几率则为

结区导带底和价带顶实现粒子（电子）数反转的条件

（1）导带能级的电子占有几率大于价带能级中的电子占有几率。

（2）发射的光子能量基本等于Eg，因而要求(EF)N-(EF)P>Eg，而P－N

结两边都必须高掺杂，从而使电子和空穴的准费米能级分别进入导带和价带。（3）所加的正向偏压必须满足导带底电子的占据几率N

区的费米能级来计算要产生激光，要求受激发射，大于受激吸收

，要求导带能级被电子占据的几率应大于价带能级被电子占据的几率，即载流子反转分布同质结、异质结半导体激光器GaAs类半导体激光器,由同种材料—GaAs构成的p-n结即为同质结。若一侧为GaAs,而另一侧为GaAlAs所构成的结为"异质结“仅有一个异质结则称为单异质结(SH)激光器,两个异质结构为双异质结(DH)激光器同质结、异质结半导体激光器同质结激光器有难以得到克服的缺点激活区宽（1-2μm），工作电压高；激活区与两侧邻近区折射率相近，光波导效应不明显，光损耗大这使得阈值电流很高，（2-5）*104A/cm2，使器件发热，只能低温和低重复频率脉冲工作。异质结将载流子约束在有源区内，成结时，禁带宽度差异，界面附件势垒增高，正向偏置下，有源区可视为电子势阱与空穴势阱，从N区注入的电子和从P区注入的空穴都被这些势阱束缚在有源区内，使粒子数反转条件容易满足。有源区折射率大于其相邻区域，光波导效应显著，可将光波有效的约束在有源区内阈值电流密度大大降低，约102-103A/cm2异质结半导体激光器双异质结GaAs/GaAlAs激光器的典型结构，将厚度0.1-0.3um的GaAs（带隙1.4eV）GaAlAs层（1.7eV）中间，利用结两端自然解理面（110）构成平行平面腔。发射波长取决于Al的掺杂，一般为0.85μmInGaN/GaAs480~490nmInGaAlP/GaAs630~680nmAlGaAs/GaAs720~900nmInGaAs/GaAs980nmInGaAsP/InP1.3um1.48um1.55um半导体激光器阈值条件阈值要求增益系数和粒子数反转的关系阈值电流密度JthGaAs半导体激光器阈值条件电流小于阈值电流，光功率变化较小（自发辐射）；电流超过阈值电流，光功率随电流的增加而急剧上升降低Jth的值是提高半导体水平的关键Jth与激光器的具体结构及制备工艺有密切关系，αin值阈值电流密度与腔长L成反比

Jth与反射率R1R2有关，一个端面镀金反膜会使Jth降低Jth与温度的依赖关系随温度升高而增加，输出功率随温度升高而下降。要维持输出功率，必须增大电流，但电流增大，温度升高，阈值电流又增大，造成恶性循环。所以必须采取温控措施半导体激光器的方向性谐振腔短小,方向性差。有源区厚度很薄,条宽比厚度大很多倍,垂直于和平行于结的方向的光束发散角是不对称的,前者要大数倍。光束的远场分布一般呈椭圆状垂直方向的发散角d为有源层厚度水平方向的发散角

w为有源层宽度通常，垂直方向发散角达20-30°；水平方向达10°采取一定措施，垂直方向发散角达~150；水平方向发散角达~50

。半导体激光器的光谱GaAs激光器的发射光谱GaAs激光器的发射光谱线宽比固体和气体激光器要宽，单色性就要差转换效率与输出功率电功率直接转化为光功率，转化效率很高功率效率内量子效率i：