激光原理-第五章课件

激光原理1激光原理1

激光原理第五章典型激光器介绍5.1固体激光器5.2气体激光器5.3染料激光器5.4半导体激光器5.5其他激光器2激光原理第五章典型激光器介绍5.1固体激光器2§5.1

固体激光器3§5.1固体激光器31960-5-17，TedMaiman发明第一台激光器方向性好、单色性好、相干性好、高亮度41960-5-17，TedMaiman发明第一台激光器方5.1.1固体激光器的基本结构与工作物质图5-1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)。

图5-1固体激光器的基本结构示意图激光工作物质泵浦源聚光腔谐振腔冷却与滤光输出能量大峰值功率高结构紧凑，牢固耐用55.1.1固体激光器的基本结构与工作物质图5-1是长脉冲2.红宝石激光器红宝石是在三氧化二铝(A12O3)中掺入少量的氧化铬(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5-2所示。它属于三能级系统，相应于图5-3的简化能级模型图(5-2)红宝石中铬离子的吸收光谱0.55um0.4um62.红宝石激光器红宝石是在三氧化二铝(A12O3)中掺入少量图(5-3)红宝石中铬离子的能级结构0.6943um0.6929um优点:容易单模输出缺点:阈值高且温度效应严重红宝石激光器的优点和主要缺点。

机械强度高，容易生长大尺寸晶体7图(5-3)红宝石中铬离子的能级结构0.6943um0.63.掺钕钇铝石榴石(Nd3＋：YAG)

工作物质:将一定比例的A12O3、Y2O3，和Nd2O3在单晶炉中进行熔化结晶而成的，呈淡紫色。它的激活粒子是钕离子(Nd3＋).图(5-4)Nd3＋:YAG晶体的吸收光谱83.掺钕钇铝石榴石(Nd3＋：YAG)工作物质:将一定比例图(5-5)Nd3＋:YAG的能级结构YAG中Nd3＋与激光产生有关的能级结构如图(5-5)所示。它属于四能级系统。

优点:阈值低，具有良好的热学性质9图(5-5)Nd3＋:YAG的能级结构YAG中Nd3＋与5.1.2固体激光器的泵浦系统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。

泵浦光源应当满足两个基本条件发光效率高辐射光的光谱特性应与激光工作物质的吸收光谱相匹配105.1.2固体激光器的泵浦系统固体激光工作物质是绝缘晶体，3.图(5-6)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面，其横截面是一个椭圆。图(5-6)椭圆柱聚光腔4.固体激光器的泵浦系统需要冷却。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。

焦线位置焦线位置113.图(5-6)所示的椭圆柱聚光腔是小型固体激光器中最常采用5.1.3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。对于连续激光器(用功率描述)和脉冲激光器(用能量描述)分别表示为：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(0.1

1)s，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，其包络峰值并不增加。

可用调Q技术得到激光巨脉冲125.1.3固体激光器的输出特性1.固体激光器的激光脉冲特13135.1.4新型固体激光器1.半导体激光器泵浦的固体激光器

图(5-7)半导体激光器泵浦固体激光器的结构示意图半导体激光器泵浦固体激光器与闪光灯泵浦固体激光器相比有其主要优点

半导体激光器泵浦固体激光器的结构，有如图(5-7)(a)所示的端泵浦方式和图(5-7)(b)所示的侧泵浦方式。能量转换效率高工作时无功热量小、介质温度稳定、激光谱线更窄寿命长,结构简单145.1.4新型固体激光器1.半导体激光器泵浦的固体激光器2.可调谐固体激光器——输出波长可变化

可调谐固体激光器主要有两类：色心激光器用掺过渡族金属离子的激光晶体制作的可调谐激光器。

3.高功率固体激光器

高功率固体激光器主要是指输出平均功率在几百瓦以上的各种连续、准连续及脉冲固体激光器，它一直是军事应用和激光加工应用所追求的目标。

关键技术：克服固体工作物质中的热效应152.可调谐固体激光器——输出波长可变化可调谐固体激光器主§5.2

气体激光器16§5.2气体激光器165.2.1

氦-氖(He-Ne)激光器1.He-Ne激光器的结构和激发机理

图(5-9)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。175.2.1氦-氖(He-Ne)激光器1.He-Ne激光器图(5-10)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:3S2P0.6328m2S2P1.15m3S3P3.39m

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。

18图(5-10)与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图He-N2.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(5-11)是实验测得的输出功率与放电电流的关系曲线图(5-11)输出功率与放电电流的关系曲线192.He-Ne激光器的输出特性(1)谱线竞争:He-NeHe-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。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

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。

20He-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1.Threebasicprocessesofradiation.2.Howisalaserproduced?

LASER(1)Absorption(2)SpontaneousEmission(3)StimulatedEmission(1)Stimulatedemission(2)PopulationInversion(3)OpticalCavity211.Threebasicprocessesofra1.CO2激光器的结构和激发过程

图(5-12)封离式CO2激光器结构示意图图(5-12)是一种典型的结构示意图。构成CO2激光器谐振腔的两个反射镜放置在可供调节的腔片架上，最简单的方法是将反射镜直接贴在放电管的两端。

5.2.2

CO2激光器221.CO2激光器的结构和激发过程图(5-12)封离式CCO2激光器中与产生激光有关的CO2分子能级图如图(5-13)所示。

图(5-13)与产生激光有关的CO2分子能级图跃迁几率大23CO2激光器中与产生激光有关的CO2分子能级图如图(5-132.CO2激光器的输出特性

相应于CO2激光器的输出功率，其放电电流有一个最佳值。CO2激光器的最佳放电电流与放电管的直径，管内总气压，以及气体混合比有关。

(1)放电特性

CO2激光器的转换效率是很高的，但最高也不会超过40％，这就是说，将有60％以上的能量转换为气体的热能，使温度升高。而气体温度的升高，将引起激光上能级的消激发和激光下能级的热激发，这都会使粒子的反转数减少。并且，气体温度的升高，将使谱线展宽，导致增益系数下降。特别是，气体温度的升高，还将引起CO2分子的分解，降低放电管内的CO2分子浓度。

(2)温度效应

242.CO2激光器的输出特性相应于CO2激光器的输出功率，5.2.3Ar+离子激光器1.Ar＋激光器的结构

Ar＋激光器一般由放电管、谐振腔、轴向磁场和回气管等几部分组成。如图(5-14)所示为石墨放电管的分段结构。

图(5-14)分段石墨结构Ar+激光器示意图255.2.3Ar+离子激光器1.Ar＋激光器的结构Ar2.Ar＋激光器的激发机理

Ar＋激光器与激光辐射有关的能级结构如图(5-15)所示

图(5-15)与产生激光有关的Ar+的能级结构262.Ar＋激光器的激发机理Ar＋激光器与激光辐射有3.Ar＋激光器的工作持性Ar＋激光器可以产生多条激光谱线，对应每条谱线都有一个阈值电流。最强谱线:0.4880um,0.5145um(1)多谱线工作(2)输出功率与放电电流的关系由于Ar＋激光器特殊的激发机制，其输出功率随放电电流的变化规律与其它激光器有所不同，图(5-16)示出了其间的关系曲线。

图(5-16)Ar+激光器输出功率随放电电流变化曲线273.Ar＋激光器的工作持性Ar＋激光器可以产§5.3

染料激光器28§5.3染料激光器285.3.1染料激光器的激发机理1.染料分子能级

染料分子能级图是如图(5-17)所示的准连续态能级结构。

图(5-17)染料分子能级图295.3.1染料激光器的激发机理1.染料分子能级染料分子2.染料分子的光辐射过程

如图(5-18)所示染料的吸收-荧光光谱图图(5-18)染料的吸收-荧光光谱图3.染料分子的三重态“陷阱”

302.染料分子的光辐射过程如图(5-18)所示染料的吸收-荧5.3.2染料激光器的泵浦1.闪光灯脉冲泵浦

泵浦用闪光灯有两种结构，普通直管式和同轴式。

2.激光脉冲泵浦

能够用于泵浦染料激光器的激光种类很多，主要有氮分子激光器(0.337m)，红宝石激光器(0.6943m)，YAG激光器(1.06m)，铜蒸气激光器(0.5106m、0.5782m)，准分子激光器(主要在紫外区)以及这些激光的二次、三次谐波等。

315.3.2染料激光器的泵浦1.闪光灯脉冲泵浦泵浦用Nd:YAGBrilliantBDyeLaserTDL-90LaserSourceTunableDyeLaserPumpedByNd:YAGLaser32Nd:YAGDyeLaserLaserSource32AlignmentofthedyelaserOptics33AlignmentofthedyelaserOpt5.3.3染料激光器的调谐1.光栅调谐

图(5-20)是一种光栅-反射镜调谐腔，放在腔中的光栅G具有扩束和色散作用。

图(5-20)光栅-反射镜调谐腔345.3.3染料激光器的调谐1.光栅调谐图(5-20)是2.棱镜调谐

图(5-21)是一种折叠式纵向泵浦染料激光器原理图，腔内放置的棱镜是一种色散元件。图(5-21)棱镜调谐腔352.棱镜调谐图(5-21)是一种折叠式纵向泵浦染料激光器§5.4

半导体激光器36§5.4半导体激光器365.4.1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，见图图(5-23)固体的能带375.4.1半导体的能带和产生受激辐射的条件1.在一个具有N2.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个完全没有电子的导带组成，如图图(5-24)本征半导体的能带结构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382.纯净(本征)半导体材料，如单晶硅、锗等，在绝对温度为零4.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，图(5-25)给出了温度极低时的情况。5.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图(5-25)费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度关系394.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5.4.2PN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(5-26)。

图(5-26)PN能带405.4.2PN结和粒子数反转1.P-N结的双简并能带结构在P-N结上加以正向电压V时，形成结区的两个费米能级和，称为准费米能级，如图(5-27)。

图(5-27)正向电压V时形成的双简并能带结构41在P-N结上加以正向电压V时，形成结区的两个费米能级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422.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1.半导体激光器的基本结构和工作原理

图(5-28)GaAs激光器的结构5.4.3半导体激光器的工作原理和阈值条件

图(5-28)示出了GaAs激光器的结构。

431.半导体激光器的基本结构和工作原理图(5-28)Ga2.半导体激光器工作的阈值条件

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

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

442.半导体激光器工作的阈值条件激光器产生激光的前提条件除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453.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5.4.4同质结和异质结半导体激光器

1.同质结砷化镓(GaAs)激光器的特性图(5-29)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。

阈值电流密度:影响阈值的因素很多

465.4.4同质结和异质结半导体激光器1.同质结砷化镓(方向性:图(5-30)给出了半导体激光束的空间分布示意图。

图(5-30)激光束的空间分布示意图47方向性:图(5-30)给出了半导体激光束的空间分布示意图。光谱特性:图(5-31)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)是注入电流达到或大于阈值时的激光光谱，谱宽达几十埃。

图(5-31)GaAs激光器的发射光谱48光谱特性:图(5-31)是GaAs激光器的发射光谱。其中转换效率

直接将电功率转换为光功率，转换效率极高

外微分量子效率:

功率效率:功率效率定义为激光器的输出功率与输入电功率之比

49转换效率直接将电功率转换为光功率，转换效率极高外微单异质结半导体激光器

双异质结半导体激光器图(5-32)同质结、异质结结构示意图2.异质结半导体激光器50单异质结半导体激光器双异质结半导体激光器图(5-32)同高亮度半导体激光器

小功率半导体激光器

小功率光纤耦合半导体激光器

大功率光纤耦合输出的半导体激光

光通信系统固体激光泵浦医疗、微加工、打标、照明、激光打印机、全息照相、激光准直、测距等领域超小型高效率结构简单价格便宜51高亮度半导体激光器小功率半导体激光器小功率光纤耦合半导体§5.5

其他激光器52§5.5其他激光器525.5.1准分子激光器1.准分子激光器的特点