常用氣體激光器講解

1、關(guān)于常用氣體激光器講解第一張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月1.CO2氣體是工作物質(zhì)，輔助氣體有N2、He、Xe和H2等； 2.N2在氣體中起能量轉(zhuǎn)移作用。N2分子受電子碰撞的概率很大，放電中使大量N2處于亞穩(wěn)態(tài)。通過近共振碰撞把內(nèi)能轉(zhuǎn)移給CO2分子，實現(xiàn)粒子數(shù)反分布 ； 3.He對CO2分子有冷卻作用，也可加速下能級粒子數(shù)抽空； 4.Xe的電離電位低，激光器內(nèi)的氣體易電離，使CO2分子能量轉(zhuǎn)換效率提高1015。同時在維持放電電流相同的情況下，加入Xe后可使放電電壓下降2030。 5.H2或(H2O蒸汽)可促使低能粒子抽空，H2O蒸汽有利于CO2分 子的還原，可延長壽命。 2、工作

2、物質(zhì)第二張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 N2分子受到電子碰撞后被激發(fā)并和CO2分子發(fā)生碰撞， N2分子把獲得的能量傳遞給CO2分子，使大量的CO2分子被激發(fā)到 001能級時，能級001和能級 100之間形成粒子數(shù)的反分布。 3、CO2分子激發(fā)機理第三張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 He原子質(zhì)量小，運動速度快，頻繁地碰撞CO2分子，高效地抽運010能級上的CO2分子，大大提高了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度。 100能級和020能級的分子迅速躍遷到亞穩(wěn)態(tài)010能級上。因此必須把躍遷到010能級上的CO2分子立即抽空，否則不利于粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)。 第四張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2

3、022年6月二、基本結(jié)構(gòu) 縱向電激勵水冷內(nèi)腔式封離型 CO2激光器的典型結(jié)構(gòu) 所謂封離型是指工作氣體被密封在放電管內(nèi)(由放電管、水冷管和儲氣管三層結(jié)構(gòu)組成 )。 它的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、緊湊。但它的單位放電長度可輸出的功率比其他結(jié)構(gòu)的（如流動型和氣動型）CO2激光器要低。第五張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月第六張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月折疊式CO2激光器（水冷套未畫出）橫向循環(huán)流動CO2激光器縱向流動CO2激光器第七張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月三 、輸出特性1、能量轉(zhuǎn)換效率高 ： 2025% (氦氖激光器的能量轉(zhuǎn)換效率僅為千分之幾) ； 2、常用

4、的CO2激光器輸出波長為10.6 ，屬于中紅外區(qū)，對人眼損害?。?3、連續(xù)輸出功率可達(dá)萬瓦級，常用電激勵 ； 4、溫度效應(yīng) 轉(zhuǎn)換效率最高也不會超過40，這就是說有60以上的能量轉(zhuǎn)換為氣體的熱能，氣體溫度的升高，將引起CO2分子的分解，降低放電管內(nèi)的CO2分子濃度。使激光器的輸出功率下降，因此，冷卻問題是CO2激光器正常運轉(zhuǎn)的重要技術(shù)問題。第八張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 原子或分子因某種原因失去電子或獲得電子的過程稱為電離。若原子失去電子，稱為正離子，反之則稱為負(fù)離子。 利用離子的能級躍遷所獲得的激光器件稱為離子激光器。氖、 氬、氪、氙、鎘蒸氣、硒蒸氣等均能作離子激光器的工作

5、物質(zhì)。它們的激光輸出功率比原子氣體激光器要高，達(dá)幾十瓦，可連續(xù)或脈沖輸出。氬離子激光器第九張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月一、工作原理 激發(fā)過程一般分兩步：氣體放電后，放電管中的高速電子與中性氬離子碰撞，從氬離子中打出一個電子，使之電離，形成處在基態(tài)上的氬離子；該基態(tài)Ar+再與高速電子碰撞，被激發(fā)到高能態(tài)，當(dāng)激光上下能級間產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)時，即可產(chǎn)生氬離子激光。 因此，氬離子激光器的激活粒子是Ar+。第十張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 采取兩次電子碰撞將氬原子激發(fā)到 3p44P態(tài)要比直接碰撞、一次將氬原子激發(fā)到3p44P態(tài)的電子能量要小，后者只能在低氣壓放電中才有如

6、此大的能量（35.5eV）。 由于3p44P 和3p44S能級上有許多不同的電子態(tài)，所以氬離子激光輸出由豐富的譜線。最強的譜線波長是488.0nm、514.5nm。 第十一張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月二、基本結(jié)構(gòu) 氬離子激光器包括：放電管、電極、回氣管、諧振腔、軸向磁場等。第十二張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月氬離子激光器分段石墨放電管 第十三張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月國產(chǎn)的氬離子激光管 第十四張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月三、輸出特點 1、是一種惰性氣體離子激光器 ，在離子激光器中輸出效率最高； 2、其輸出波長較多，主要有

7、514.5nm和488.0nm兩個藍(lán)綠色 的譜線，是可見光區(qū)域中最強的激光器。 ； 3、一般連續(xù)輸出幾瓦到十幾瓦，甚至上百瓦。 4、輸出波長易 被血紅蛋白吸收，所以氬離子激光器對生物止血效果最好。 在臨床上主要用于外科手術(shù)，用它作“光刀” ，尤其是上、下消化道出血時，氬離子激光器可以利用光纖導(dǎo)人內(nèi)鏡進行止血等非手術(shù)治療。目前它廣泛用于眼科凝固、皮膚科、內(nèi)科等綜合治療領(lǐng)域。第十五張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月表 氬離子激光的可見光光譜線激光躍遷能級 波長(nm) 或率（W） 4P2S01/24S2P1/2 457.9 0.35 4P2D03/24S2P3/2 472.7 0.30

8、 4P2P03/24S2P1/2 476.5 0.75 4P2D05/24S2P3/2 488.0 1.50 4P2D03/24S2P1/2 496.5 0.70 4P4D05/24S2P3/2 514.5 2.00 4P4D03/24S2P3/2 528.7 0.34第十六張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月準(zhǔn)分子激光器一、工作物質(zhì) “準(zhǔn)分子” ：不是穩(wěn)定分子。它是混合氣體受到外來能量激發(fā)所引起的一系列物理和化學(xué)的反應(yīng)中曾經(jīng)形成但轉(zhuǎn)瞬即逝的分子，其壽命僅為幾十毫秒。 這類激光器的工作物質(zhì)是受激的氣體原子(如Ar、Kr、Xe，用Rg表示)和鹵元素(例如F、Cl，用X表示)結(jié)合而成的準(zhǔn)

9、分子，如氟化氬(ArF)、氯化氪(KrCl)、氟化氙(XeF)等; 第十七張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月二、工作原理 通常情況下，基態(tài)的稀有氣體原子化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，因此呈兩種氣體混合狀態(tài)（Rg+X） 。但當(dāng)它們受到激發(fā)時，如電子束的轟擊或高壓激勵等，稀有氣體原子就可能從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，甚至被電離，這時很容易和另一個原子形成一個壽命極短的分子（RgX） ，這種處于激發(fā)態(tài)的分子稱受激二聚物，簡稱準(zhǔn)分子。 RgX基態(tài)分子壽命極短，為10-13s量級，它沿著自己的勢能曲線想核間距增大的方向移動，直至最終離解成獨立的原子Rg+X。激發(fā)態(tài)RgX*能級壽命為10-8s量級，比基態(tài)穩(wěn)定，因此很

10、容易形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。第十八張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月三、基本結(jié)構(gòu)準(zhǔn)分子激光器的結(jié)構(gòu) 第十九張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月1功率特性：準(zhǔn)分子基態(tài)的電子迅速排空造成激光下能級總是空的，這樣有利于離子數(shù)反轉(zhuǎn)的形成，即使在超短脈沖下運轉(zhuǎn)，從而可以獲得較高的輸出功率（10瓦量級）。2. 輸出波長: 從真空紫外到可見光區(qū)域 。3脈沖特性： 由于基態(tài)壽命短，即使是超短脈沖情況下，基態(tài)也可被認(rèn)為是空的，因此準(zhǔn)分子激光對產(chǎn)生巨脈沖特別有利。 4. 能夠精確聚焦和控制，其切削精度非常高，每個光脈沖切削深度為0.2微米，能夠在人的頭發(fā)絲上刻出各種花樣來。 第二十張，PPT共一百一

11、十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 近視眼由于眼球的前后徑太長，眼角膜前表面太凸，外界光線不能準(zhǔn)確會聚在眼底所致。 準(zhǔn)分子激光矯正近視是用電腦精確控制的準(zhǔn)分子激光，根據(jù)近視度數(shù)和有無散光在瞳孔區(qū)的角膜基質(zhì)層進行刻蝕，使眼角膜前表面稍稍變平。從而使外界光線能夠準(zhǔn)確地在眼底視網(wǎng)膜上會聚成像，達(dá)到矯正近視的目的。準(zhǔn)分子激光治療近視眼的原理 第二十一張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 什么是LASIK手術(shù)?LASIK手術(shù)即準(zhǔn)分子激光原位角膜磨鑲術(shù)（Laser in Situ Keratomileusis）：醫(yī)生用角膜刀掀開一個角膜瓣，在瓣下角膜基質(zhì)層上用準(zhǔn)分子激光根據(jù)近視、遠(yuǎn)視、散光度數(shù)進行精確

12、切削?；颊咝g(shù)前檢查的數(shù)據(jù)卡輸入計算機，由計算機控制切削的范圍和深度，削出一個光滑的曲面，相當(dāng)于在角膜上切削出一個眼鏡片，使視力變得清晰。它采用自動微型角膜板層節(jié)削僅進行手術(shù)，在角膜表面切削一直徑8毫米，厚0.16毫米的帶蒂板層角膜瓣，翻轉(zhuǎn)角膜瓣后，應(yīng)用準(zhǔn)分子激光電腦控制多步分區(qū)角膜基質(zhì)內(nèi)切削，最后將角膜瓣復(fù)位。 第二十二張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月制做角膜瓣 準(zhǔn)分子激光切削 角膜瓣復(fù)位 第二十三張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 LASIK手術(shù)示意圖 角膜微切器切割角膜 角膜瓣形成并翻轉(zhuǎn) 第二十四張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月角膜中間基質(zhì)切削區(qū)準(zhǔn)備

13、 準(zhǔn)分子激光切削角膜基質(zhì) 第二十五張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月角膜瓣復(fù)位 準(zhǔn)分子激光角膜原位磨鑲術(shù)完成 第二十六張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月智慧型大小光斑技術(shù): 根據(jù)不同的個人數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自動調(diào)整光斑大?。汗獍咧睆娇稍?.65-6.5mm范圍內(nèi)變化。可使復(fù)雜的角膜切削變得極為輕松。三維主動眼球跟蹤技術(shù): 除對眼球在XY軸運動進行追蹤外，還可以追蹤眼球在Z軸的立體位移，可隨眼球運動自動將激光調(diào)整到切削點，極大的加強了手術(shù)的安全性和精確性。第二十七張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月高精度200Hz飛點掃描、193nm氟化氬（ArF)準(zhǔn)分子激光和最優(yōu)光傳

14、輸系統(tǒng)的完美結(jié)合形成光斑直徑0.8mm優(yōu)化高斯光束 第二十八張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 染料激光器 固體或其它激光所輸出的波長已幾乎覆蓋了真空紫外至紅外波段，還出現(xiàn)了X射線波激光器。但是，一般激光器輸出的波長都是固定單一的，至多也只是有幾個波長，這在應(yīng)用上有一定的局限性。為此人們研究了可調(diào)諧激光。 染料激光器是液體激光器的一種，以染料為工作物質(zhì)，如若丹明6G等，溶劑有乙醇、苯類、水及其他物質(zhì)。染料的能量轉(zhuǎn)換效率很高，可達(dá)數(shù)百毫瓦。染料激光器的最大特點是其輸出波長在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，所以稱為可調(diào)諧激光器。醫(yī)學(xué)上常用的可調(diào)諧染料激光器有：N2激光泵浦可調(diào)諧染料激光器和Nd：Y

15、AG激光泵浦可調(diào)諧染料激光器等。第二十九張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 工作原理染料分子能級圖 S0是基態(tài)，S1、S2是激發(fā)態(tài)。S0、S1、S2本身是由許多密集的振動轉(zhuǎn)動能級組成的。 在原子光譜里，不同電子態(tài)之間的躍遷產(chǎn)生一條銳的譜線；在分子光譜里，不同電子態(tài)（例如S1與 S0）之間的躍遷將產(chǎn)生由一簇密集的譜線組成的譜帶。染料分子的這種能級結(jié)構(gòu)是染料激光器的輸出波長在一定范圍內(nèi)可調(diào)的根本原因。一、染料分子能級第三十張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月染料分子能級圖 吸收了外來光子后，分子就從基態(tài)能級躍遷到S1態(tài)的較高的振動轉(zhuǎn)動能上（圖中Ab）。由于頻繁的熱交換，大多數(shù)

16、被激發(fā)的分子無輻射地衰變到S1態(tài)的最低的振動轉(zhuǎn)動能級上（圖中bB）。這樣，在B與基態(tài)S0的較高的振動轉(zhuǎn)動能級（圖中a）之間就實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。當(dāng)反轉(zhuǎn)達(dá)到閾值時，就可以產(chǎn)生激光。 可見染料激光形成過程，經(jīng)歷了兩次無輻射躍遷。二、染料分子的光輻射過程第三十一張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月三、染料分子的三重態(tài)“陷阱” 能級圖中的T1和T2是三重態(tài)。由于三重態(tài)T1較單態(tài)S1低，所以處在S1中的分子很容易無輻射地躍遷到T1上，又因為T1與S0之間不產(chǎn)生輻射躍遷，而且T1的壽命較長，約為10-410-3s，所以T1態(tài)對于激發(fā)分子來說，相當(dāng)于一個“陷阱”。 當(dāng)T1態(tài)上積累了足夠的分子后，T1

17、T2的吸收將很快使激光器的增益下降，以致激光淬滅。通常采用的方法是在染料中加入三重態(tài)淬滅劑，縮短Tl的壽命。 第三十二張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十三張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月直管閃光燈泵浦的染料激光器示意圖 一般由激光工作物質(zhì)、激勵光源、聚光系統(tǒng)和諧振腔及波長選擇裝置組成 第三十四張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十五張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十六張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十七張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 輸出特性1輸出激光波長可調(diào)諧 某些染料激光波長的可調(diào)寬度達(dá)上百納

18、米，所以稱為可調(diào)諧激光器。2由于染料分子能級的準(zhǔn)連續(xù)寬帶結(jié)構(gòu)，其熒光譜范圍也是準(zhǔn)連續(xù)寬帶，這既使得染料激光器在大范圍內(nèi)可調(diào)諧，目前由染料激光器產(chǎn)生的超短脈沖寬度可壓縮至飛秒（10-15秒）量。3染料激光器的輸出功率大，達(dá)數(shù)百毫瓦，可與固體激光器比擬，并且價格便宜。4染料分子是一種四能級級系統(tǒng)，由于S0的較高振動能級在室溫時粒子數(shù)幾乎為0，所以很容易實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，使得染料分子激光器的閾值很低。 第三十八張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月一、光柵調(diào)諧 圖示為一種光柵反射鏡調(diào)諧腔。光束與諧振腔軸成一個小角度（3）。諧振腔由反射光柵G與一個鍍有介質(zhì)膜的反射鏡M組成。光柵G具有擴束和色散作

19、用，轉(zhuǎn)動光柵就可以改變輸出激光的頻率。 腔內(nèi)插入一個法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具，擺動標(biāo)準(zhǔn)具可以進一步選擇輸出激光的頻率。不插入標(biāo)準(zhǔn)具時，輸出激光的線寬為0.05nm，插入標(biāo)準(zhǔn)具后，可獲得線寬約為0.001nm的單模激光。輸出特性第三十九張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 二、棱鏡調(diào)諧 圖示為一種折疊式縱向泵浦染料激光器原理圖，腔內(nèi)放置的棱鏡是一種色散元件。由于棱鏡的色散作用，一束來自M3、M2的不同波長的光，將有不同的折射方向。當(dāng)旋轉(zhuǎn)平面反射鏡M1使其與某一波長的光垂直時，該波長光便能返回諧振腔，形成振蕩。因此，旋轉(zhuǎn)M1便可實現(xiàn)調(diào)諧作用。第四十張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月T

20、unable Lasers Dye Lasers很多有機染料可以被用作激光介質(zhì)。其中最常見的是若丹明6G（Rhodamine 6G），溶于甲醇或者乙二醇。躍遷上下能級由于和溶劑的相互作用而分裂為連續(xù)的能帶。分子被激發(fā)到上能帶后迅速無輻射弛豫到上能帶的最低能級，并由此向基態(tài)各能級躍遷，產(chǎn)生熒光輻射。輻射熒光曲線不隨激發(fā)光源的改變而改變。第四十一張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 如果將充有染料溶液的小室放置于激光腔內(nèi)，并提供足夠的泵浦能 量，則可以放出激光。如果使用寬帶激光反射鏡，受激輻射在熒光發(fā)射曲線頂點的周圍幾十個附近發(fā)生。可以把反射鏡用光柵代替。激發(fā)輻射帶寬降低到0.5 。通過

21、轉(zhuǎn)動光柵，可以讓激光在整個熒光發(fā)射帶范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。泵浦可以用閃光燈來實現(xiàn)，得到的激光脈寬1ms，峰值功率大概幾kW，重復(fù)頻率1Hz。也可以用固定波長激光器，例如氮分子激光器，準(zhǔn)分子激光器，銅蒸氣激光器或倍頻后的Nd: YAG激光器。第四十二張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月幾種典型裝置第四十三張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月通過使用各種染料，脈沖染料激光器工作范圍可以從320到1000nm。對準(zhǔn)分子激光泵浦的染料激光器，能量轉(zhuǎn)換效率可以到1020%。而對于倍頻后的Nd: YAG激光器，則可以達(dá)到40%。第四十四張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月染料激光器脈沖

22、運轉(zhuǎn)較容易，而連續(xù)運轉(zhuǎn)比較困難。主要問題是三重態(tài)布居數(shù)的增加造成的吸收損耗會使激光無法起振。脈沖泵浦時，可以在三重態(tài)集聚足夠的粒子數(shù)之前產(chǎn)生激光。要想達(dá)到連續(xù)泵浦，則必須去掉三重態(tài)分子?？梢栽谌芤褐屑尤肽撤N三重態(tài)猝滅劑，可以有效地使三重態(tài)分子無輻射躍遷到基態(tài)。連續(xù)的染料激光器往往使用氬離子或者氪離子激光器泵浦。目前可以覆蓋的光譜范圍為375950nm。使用染料射流來讓染料高速通過激活區(qū)。第四十五張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月Tunable Solid-State Lasers某些固體激光器的增益曲線范圍較寬，因此可以在某個范圍內(nèi)調(diào)諧。例如釹玻璃激光器可以在1.01.1mm范圍調(diào)

23、諧。 鈦寶石（Ti: Al2O3）激光器可調(diào)諧范圍為660到1100nm。 不使用激光泵浦的可調(diào)諧固體激光器引起人們廣泛的興趣。倍頻以及受激拉曼散射等可以用來進一步擴展調(diào)諧波長。第四十六張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月Tunable CO2 Lasers二氧化碳激光器是最有效地氣體激光器，功率轉(zhuǎn)換率達(dá)到20%。工作波長位于10mm附近，很多工作用的是固定波長的二氧化碳激光器。第四十七張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月因為與加入的N2分子的碰撞，(001)模式充分布居。由放電使得氮分子布居于第一振動能級。由此形成與低能級(100), (020)之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。激光發(fā)射

24、可能在子轉(zhuǎn)動能級間發(fā)生，并形成位于10.210.8mm和9.29.7mm的幾個光譜帶。其中最強的譜線為10.59mm?？梢允褂霉鈻艁磉x擇其一為輸出波長。如果使用同位素分子13CO2，則可以增加可選的波長。二氧化碳激光器也可以工作于高氣壓（1個大氣壓到10個大氣壓）。在較高氣壓下，譜線加寬，不同的振轉(zhuǎn)譜線溶和在一起，從而可以在該波段范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)諧激光。工業(yè)上使用的二氧化碳激光器輸出功率最高可以達(dá)到幾十千瓦的量級。第四十八張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月光纖激光器 光纖激光器是以摻雜光纖本身為工作物質(zhì)，而該光纖本身又起到導(dǎo)波作用的固體激光器。由工作物質(zhì)、諧振腔、泵浦源三個基本部分組成

25、。優(yōu)點：散熱性能好、轉(zhuǎn)換效率高、激光閾值低；諧振腔可以是直接鍍在端面的腔鏡、或光纖耦合器、光纖圈等?？色@得寬帶的可調(diào)諧激光輸出，并調(diào)節(jié)激光輸出。光纖激光器的某些波長適用于光纖通信的低損耗窗口。第四十九張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月1 摻雜光纖2 光纖激光器的諧振腔3 摻稀土元素的光纖激光器4 超熒光光纖激光器(SFS)第五十張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月1 摻雜光纖一、摻雜元素?fù)较⊥猎罔|系Xe6S2，外層都為為5S25P66S2鑭系元素電子結(jié)構(gòu)的差別只在4f殼層的電子占有數(shù)。1、摻雜濃度 最佳在100ppm量級。太低：摻雜離子的總有效數(shù)小于入射光子數(shù)，激發(fā)態(tài)可

26、能被耗盡。太高：稀土離子之間出現(xiàn)非輻射的濃度抑制，躍遷產(chǎn)生激光的能級上有效粒子數(shù)減少；導(dǎo)致玻璃基質(zhì)產(chǎn)生結(jié)晶效應(yīng)，不利于產(chǎn)生激光。第五十一張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月2、摻雜光纖的基質(zhì)（1）石英玻璃 石英玻璃對稀土元素離子的光譜能級的影響：產(chǎn)生斯塔克分裂，使得能級加寬，光譜變寬。（2）重金屬氟化物玻璃優(yōu)點：通光窗口寬，在300-8000 nm范圍透過率很高。易于成纖。易于激活，因為氟化物玻璃是稀土元素的理想宿主。第五十二張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月二、石英光纖中摻稀土元素離子的光譜特性1、Er 3+、Nd 3+的電子能級4I13/24I 15/2Er 3+Nd

27、 3+能級分裂第五十三張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月4F 5/24F 3/24F 5/2第五十四張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月2、摻稀土光纖的光譜特性摻釹光纖：使用800nm、900nm、 530nm波長的泵浦光源，將在900nm、1060nm 、 1350nm波長處得到激光。摻鉺光纖：使用800nm、900nm、 1480nm、530nm波長的泵浦光源，將在900nm、1060nm、 1536nm波長處得到激光。 摻鉺光纖存在最佳光纖長度（約10m）。Er3+Nd3+第五十五張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月3、摻雜光纖的激光特性 摻鉺的三能級系統(tǒng)

28、：基態(tài)E1、亞穩(wěn)態(tài) E2、 高能級E3。從E3 E1 ，泵浦幾率為WP，躍遷幾率為WP 。 E3 非輻射E2 ，幾率為S32； E3 自發(fā)輻射和非自發(fā)輻射E2 、 E1 ，幾率為A32、A31、 S31。選擇工作物質(zhì)要求：A32、A31和S31 S32 以及S32 WP(3-1) ， N2 N1。一般選擇A21較小的工作物質(zhì)。A32第五十六張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月一、FP腔1，結(jié)構(gòu)M1: 對泵浦光高透；對激光高反M2: 對激光高反（低增益系統(tǒng)95%；高增益系統(tǒng) 75%）2，光傳輸特性 理論波動光學(xué)。假設(shè)：諧振腔內(nèi)的光纖伸直；為階躍折射率弱波導(dǎo)光纖。2 光纖激光器的諧振腔第

29、五十七張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 光在腔內(nèi)傳輸來回一次后的光強為：要保證激光在腔內(nèi)振蕩，要求：反射光與入射光發(fā)生干涉，為了在腔內(nèi)形成穩(wěn)定振蕩，要求干涉加強。則腔長與波長滿足(駐波條件)：增益系數(shù)平均損耗系數(shù)第五十八張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月縱模和橫模 在腔內(nèi)，軸向駐波場為腔的本征模式光場。特點：與軸線垂直的橫截面光場穩(wěn)定均勻分布；軸線方向形成駐波， 稱為縱模。節(jié)數(shù)為q，為縱模序數(shù)。 與軸線垂直的橫截面內(nèi)光場穩(wěn)定分布，稱為橫模，用LPml表示，為線性偏振模。m為方位數(shù)，表示垂直光纖的橫截面內(nèi)沿圓周方向方位角從0到2光場的變化數(shù)（節(jié)線數(shù)）。l為徑向模數(shù)，表示

30、纖芯區(qū)域光場的半徑方向變化數(shù)(節(jié)線數(shù))。 LP01表示基模，它的角向徑向節(jié)線數(shù)沒有變化，為圓形光斑。第五十九張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月二、基于定向耦合器的諧振腔和反射器1、光纖環(huán)行諧振腔 泵浦光由1端進入，經(jīng)耦合器進入環(huán)行腔。激勵的激光與泵光無關(guān)。產(chǎn)生的激光由4端到3端。經(jīng)耦合器分為2束：一束從2端輸出；另一束由4端返回并被諧振放大；如此反復(fù)。其中儲存了能量。摻雜光纖耦合器： 4端出射光比1端入射光停滯后/2。第六十張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月2、光纖圈反射器 普通單模光纖制成的耦合器的重要特性：只要在工作波長下單模運行，在兩個輸出端與輸入端之間存在固定相

31、位差，交叉耦合的光波比輸入光波滯后相位 /2。 光纖圈的功率反射率R、透射率T為：從2端的透射功率總和為0： 134 2 的的順時針光場相位差為0，與從1 4 3 2的逆時針光場的相位差為。兩光場因為振幅相同、相位相反而抵消，總和為0 。光從1返回。SMF第六十一張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月3、光纖圈諧振腔 光纖圈為非諧振的干涉儀結(jié)構(gòu)。注意分束器的取向。其中沒有能量儲存。透射反射反射透射 光波既可以通過另一端輸出；又可以再從輸入端反射。第六十二張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月4、全光纖激光器 兩個光纖圈反射器串聯(lián)起來組成的諧振腔，通過一條摻雜光纖熔錐而成的全光纖

32、激光器。 激光器要實現(xiàn)振蕩，要求光纖圈提供正反饋。由此得到諧振腔的有效腔長為：L1L2L摻雜光纖第六十三張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月三、可調(diào)諧光纖激光器 光纖激光器有較寬的波長調(diào)節(jié)范圍，比染料激光器的化學(xué)性質(zhì)更穩(wěn)定，不需低溫運行，潛在應(yīng)用價值顯著。1，反射鏡+光柵形式可調(diào)諧輸出諧振腔 使用閃耀光柵，若對激光中心的閃耀級次為M級，閃耀角為，光柵常數(shù)為d，則光柵方程為： 只要轉(zhuǎn)動衍射光柵，使光束相對于光柵法線的入射角在 附近變化，就能實現(xiàn)調(diào)節(jié)波長。第六十四張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月可調(diào)諧激光器 采用這種結(jié)構(gòu)，利用氬離子激光器的514nm的光作為泵浦光，分別激勵

33、摻鉺光纖及摻釹光纖,可調(diào)諧的波長范圍分別為25nm和80nm。 由于分束器與光學(xué)元器件帶來了腔內(nèi)損耗，導(dǎo)致閾值功率提高。14 nm11 nm第六十五張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月四、(反射鏡+光纖圈反射器形式)可調(diào)諧輸出激光器光纖圈的功率反射率為：激光反射率大于95%泵浦光反射率為5% 通過改變溫度來調(diào)節(jié)光纖圈的反射率，使摻雜光纖達(dá)到激光諧振放大。第六十六張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月五、窄帶輸出的光纖激光器 通過光纖光柵的選模作用： 達(dá)到窄帶輸出。B是布拉格波長， d是光柵周期，ne是有效折射率。激光線寬0.06 nm第六十七張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2

34、022年6月六、光纖Fox-Smith諧振腔 一般地，14段及13段的諧振頻率不同。復(fù)合腔的縱模頻率間隔為：選擇適當(dāng)?shù)膌3、l4以致于在整個熒光線寬內(nèi)只有一個縱模在振蕩。則可以實現(xiàn)單縱模運轉(zhuǎn)。第六十八張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月?lián)较⊥猎氐墓饫w激光器以980 nm的半導(dǎo)體光源作為泵浦源；摻Er 3+光纖中Er 3+的受激輻射產(chǎn)生Laser。一、摻Er 3+光纖激光器的示例1、Er 3+的三能級系統(tǒng)能級分裂第六十九張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 由合適長度的摻Er 3+光纖、980nm大功率半導(dǎo)體激光器泵浦源和諧振腔構(gòu)成。 世界上第一臺摻Er 3+光纖激光器由英

35、國南安譜敦大學(xué)的L. Reekie教授于1987年實現(xiàn)。斜率效率=輸出功率/吸收功率% =3.3%輸入鏡輸出鏡吸收功率 mW第七十張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月二、摻Nd3+光纖激光器的示例 由合適長度的摻Nd 3+光纖、800nm大功率半導(dǎo)體激光器泵浦源和諧振腔構(gòu)成。 世界上第一臺摻Nd 3+光纖激光器由英國南安譜敦大學(xué)的R.J. Mears教授于1985年實現(xiàn)。第七十一張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月GaAs激光二極管的輸出功率 mW 光纖激光器輸出功率/mW泵浦功率與光纖激光器的輸出功率優(yōu)點：不需要水冷即可工作；不容易飽和。第七十二張，PPT共一百一十五頁，

36、創(chuàng)作于2022年6月分類：根據(jù)泵浦光與超熒光傳播方向的異同，以及光纖兩端是否存在反射分類。5.4 超熒光光纖激光器(Superfluorescent Fiber source)單程反向雙程前向單程前向雙程反向第七十三張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月原理： 由于泵浦光的激勵，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。如果亞穩(wěn)態(tài)的粒子自發(fā)輻射，產(chǎn)生光子的傳輸在光纖接收角內(nèi)，就能夠在光纖內(nèi)傳輸，誘發(fā)許多亞穩(wěn)態(tài)的粒子受激輻射躍遷，并產(chǎn)生完全相同的光子而放大。 如果光纖的增益足夠，就稱之為放大的自發(fā)輻射（Amplified Spontaneous Emitting, ASE） 。特點：與普通光纖激光器相比，沒有諧振腔。

37、SFS的原理、特點第七十四張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月雙程前向及雙程后向摻鉺光纖激光器第七十五張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月Fig.2 輸出功率與摻鉺光纖長度的關(guān)系超過最佳長度將被再吸收Fig.3 不同長度光纖的泵浦功率與波長的關(guān)系第七十六張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月光纖端鏡的反射率與光譜寬度的關(guān)系DPF: 因為1535nm處的ASE信號比1550nm處的ASE信號增長快，所以小的反射率也有大的帶寬DPB: 反射率達(dá)到50%時，1535nm處的ASE信號飽和，而1550nm處的ASE信號繼續(xù)增強，所以帶寬增加。第七十七張，PPT共一百一十五頁

38、，創(chuàng)作于2022年6月第七十八張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月第七十九張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月半導(dǎo)體激光器價帶：是價電子能級分裂出來的價電子能帶，當(dāng)晶體處于絕對零度和無外界激發(fā)時，價電子完全被共價健束縛住，是不導(dǎo)電的。導(dǎo)帶：導(dǎo)帶是自由電子能帶，在沒有自由電子的情況下，這個能級是空著的。當(dāng)有自由電子時，它們在外電場作用下就能參與導(dǎo)電 。禁帶（帶隙）：在價帶和導(dǎo)帶之間存在一段空隙，稱為禁帶或帶隙。第八十張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月（1）半導(dǎo)體的禁帶很窄，滿帶中的電子較易進入導(dǎo)帶。導(dǎo)帶中的電子在外場作用下運動而參與導(dǎo)電。（3）金屬導(dǎo)體沒有禁帶，可

39、顯示很強的導(dǎo)電性。（2）絕緣體的禁帶很寬，滿帶中的電子很難進入導(dǎo)帶，導(dǎo)電性很差。外 場 滿帶導(dǎo)帶滿帶導(dǎo)帶滿帶導(dǎo)帶（1）半導(dǎo)體禁帶禁帶外 場（2） 絕緣體（3）金屬第八十一張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月半導(dǎo)體中的能帶本征半導(dǎo)體： 完全純凈、結(jié)構(gòu)完整沒有雜質(zhì)的半導(dǎo)體。摻雜半導(dǎo)體： 在本征半導(dǎo)體中摻入微量雜質(zhì)可使半導(dǎo)體性質(zhì)發(fā)生顯著變化，稱為摻雜半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體：若摻入的雜質(zhì)提供電子給導(dǎo)帶，稱為N 型雜質(zhì)或施主雜質(zhì)，如摻入錫和碲。摻入N型雜質(zhì)的材料稱為N型半導(dǎo)體 。P型半導(dǎo)體：若摻入的雜質(zhì)提供空穴給價帶，稱為受主雜質(zhì)或P 型雜質(zhì) ，如摻入鍺。摻入P 型雜質(zhì)的材料稱為P 型半導(dǎo)體。第八

40、十二張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月（1）本征半導(dǎo)體純凈的半導(dǎo)體，如硅、鍺等。 半導(dǎo)體禁帶寬度窄、在外場的作用下, 導(dǎo)帶中的電子、滿帶中的空穴都可參與導(dǎo)電。（本征導(dǎo)電性。見下圖）外 場滿帶導(dǎo)帶半導(dǎo)體的分類第八十三張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月（2）雜質(zhì)半導(dǎo)體 當(dāng)四價的元素中 摻入少量五價元素時形成n 型半導(dǎo)體。如：硅中摻入雜質(zhì)磷后，磷原子在硅中形成局部能級位于導(dǎo)帶底附近（稱為施主能級）。 一般溫度下，雜質(zhì)的價電子很容易 被激發(fā)躍遷至導(dǎo)帶，成為導(dǎo)電電子，使導(dǎo)帶中的電子濃度大大增加。 n 型半導(dǎo)體以電子導(dǎo)電為主。* n 型半導(dǎo)體外場滿帶導(dǎo)帶施主能級n 型半導(dǎo)體第八十四

41、張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月* P 型半導(dǎo)體 四價的元素中摻入 少量三價元素時形成 P 型半導(dǎo)體，如：在硅中摻入三價的雜質(zhì)硼，雜質(zhì)原子的局部能級位于價帶頂附近（稱為受主能級）。 一般溫度下，滿帶中的電子很容易被激發(fā)躍遷至雜質(zhì)能級上，滿帶中留下的空穴也將因此而大大增加，而成為多數(shù)載流子。P 型半導(dǎo)體以空穴導(dǎo)電為主。外場滿帶導(dǎo)帶受主能級P 型半導(dǎo)體附：幾個3、4、5價的元素第八十五張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月P-N結(jié)：正向連接時，P中的空穴和N中的電子都易于通過P-N 結(jié)， 形成P N的正向宏觀電流。 （2）作用： PN結(jié)具有單向?qū)щ娮饔?是制造整流器和集成電路

42、的基本結(jié)構(gòu)。結(jié)果：交界處出現(xiàn)正、負(fù)電偶層，阻擋繼續(xù)擴散達(dá)到平衡，形成P-N結(jié)。P型材料中的空穴將向N型材料擴散；N型材料中的電子將向P型材料擴散。 正向連接反向連接反向連接時，P中的空穴和N中的電子都難以通過P-N 結(jié)。故 P-N結(jié)具有單向?qū)щ姷男阅堋＃?）形成：P與N密切接觸第八十六張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月PN結(jié)的能帶圖(EF)PP型區(qū)N型區(qū)(EF)N(EF)P(EF)NqVD=(EF)N-(EF)P第八十七張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月PN結(jié)的特性 PN結(jié)的特性：當(dāng)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合后，在它們之間就出現(xiàn)了電子和空穴的濃度差別，電子和空穴都要從濃

43、度高的地方向濃度底的地方擴散，擴散的結(jié)果破壞了原來P區(qū)和N區(qū)的電中性，P區(qū)失去空穴留下帶負(fù)電的雜質(zhì)離子，N區(qū)失去電子留下帶正電的雜質(zhì)離子，由于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的原因，它們不能任意移動，形成一個很薄的空間電荷區(qū)，稱為PN結(jié)。其電場的方向由N指向P，稱為內(nèi)電場。該電場的方向與多數(shù)載流子（P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子）擴散的方向相反，因而它對多數(shù)載流子的擴散有阻擋作用，稱為勢壘。第八十八張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月半導(dǎo)體器件的發(fā)光機理 如果在PN結(jié)上加正向電壓，外電場與內(nèi)電場的方向相反，擴散與漂移運動的平衡被破壞。外電場驅(qū)使P區(qū)的空穴進入空間電荷區(qū)抵消一部分負(fù)空間電荷，同時N區(qū)的自由電子進入空間

44、電荷區(qū)抵消一部分正空間電荷，于是空間電荷區(qū)變窄，內(nèi)電場被削弱，多數(shù)載流子的擴散運動增強，形成較大的擴散電流（由P區(qū)流向N區(qū)的正向電流）。在一定范圍內(nèi)，外電場愈強，正向電流愈大，這時PN結(jié)呈現(xiàn)的電阻很低，即PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。 第八十九張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月半導(dǎo)體器件的發(fā)光機理 當(dāng)外加電場正端接P區(qū)負(fù)端接N區(qū)與內(nèi)電場方向相反時，電子被迫從N區(qū)向P區(qū)方向集結(jié)，當(dāng)足夠數(shù)量的電子能級上升到導(dǎo)帶能級，它們的電子能級就超過了勢壘能級，電子流過P-N結(jié)進入P 區(qū)。 此時價帶中有許多空穴存在而導(dǎo)帶中有許多電子存在，這種狀態(tài)稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 來自導(dǎo)帶的電子失去它的一些能量并下降到價帶時，

45、它們和空穴復(fù)合并產(chǎn)生出光子。這種過程稱為復(fù)合。 在理想情況下，能量完全以光子的形式釋放出來。如果這一過程自發(fā)地發(fā)生，則所發(fā)生出的光子能量近似地等于帶隙的能量Eg，所產(chǎn)生的光子在許多隨機的方向上進行。另一方面，若在復(fù)合區(qū)有足夠密度的光子存在，則自發(fā)發(fā)射(或復(fù)合)及受激復(fù)合兩者都會發(fā)生， 所產(chǎn)生的受激光子的行進方向和原始光子相同。為了使發(fā)光半導(dǎo)體(LED)和二極管激光器(LD)能分別正常工作，自發(fā)發(fā)射和受激發(fā)射都是必要的。第九十張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月半導(dǎo)體器件的發(fā)光機理 直接復(fù)合中一個光子產(chǎn)生一個電子和一個空穴，它們碰撞后又放出一個光子；間接復(fù)合中載流子被trap T捕捉到

46、，在trap site中發(fā)生復(fù)合，并放出熱。第九十一張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月半導(dǎo)體激光器（LD）世界上第一只半導(dǎo)體激光器是1962年問世的，經(jīng)過幾十年來的研究，半導(dǎo)體激光器得到了驚人的發(fā)展，它的波長從紅外、紅光到藍(lán)綠光，被蓋范圍逐漸擴大，各項性能參數(shù)也有了很大的提高；其制作技術(shù)經(jīng)歷了由擴散法到液相外延法(LPE)，氣相外延法(VPE) ，分子束外延法(MBE)，MOCVD方法(金屬有機化合物汽相淀積)，化學(xué)束外延(CBE)以及它們的各種結(jié)合型等多種工藝；其激射閉值電流由幾百mA降到幾十mA，直到亞mA，其壽命由幾百到幾萬小時，乃至百萬小時；輸出功率由幾毫瓦提高到千瓦級(陣

47、列器件)。它具有效率高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、能將電能直接轉(zhuǎn)換為激光能、功率轉(zhuǎn)換效率高(已達(dá)10%以上、最大可達(dá)50%)。便于直接調(diào)制、省電等優(yōu)點，因此應(yīng)用領(lǐng)域日益擴大。目前，固定波長半導(dǎo)體激光器的使用數(shù)量居所有激光器之首，某些重要的應(yīng)用領(lǐng)域過去常用的其他激光器，已逐漸為半導(dǎo)體激光器所取代. 第九十二張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月半導(dǎo)體激光器（LD）半導(dǎo)體激光器的激勵方式主要有三種，即電注人式、光泵式和高能電子束激勵式。絕大多數(shù)半導(dǎo)體激光器的激勵方式是電注人，即給PN結(jié)加正向電壓，以使在結(jié)平面區(qū)域產(chǎn)生受激發(fā)射，也就是說是個正向偏置的二極管，因此半導(dǎo)體激光器又稱為半導(dǎo)體激光二

48、極管。對半導(dǎo)體來說，由于電子是在各能帶之間進行躍遷，而不是在分立的能級之間躍遷，所以躍遷能量不是個確定值，這使得半導(dǎo)體激光器的輸出波長展布在一個很寬的范圍上.它們所發(fā)出的波長在0.3 -34pm之間.其波長范圍決定于所用材料的能帶間隙，最常見的是AlGaA:雙異質(zhì)結(jié)激光器，其輸出波長為750 - 890nm。第九十三張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月5.4.2 PN結(jié)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)1. P-N結(jié)的雙簡并能帶結(jié)構(gòu) 把P型和N型半導(dǎo)體制作在一起，是否可能在結(jié)區(qū)產(chǎn)生兩個費米能級呢？ 未加電場時，P區(qū)和N區(qū)的費米能級必然達(dá)到同一水平，如圖(5-26)。 圖(5-26) PN能帶在P-N結(jié)上加

49、以正向電壓V時，形成結(jié)區(qū)的兩個費米能級 和 ，稱為準(zhǔn)費米能級，如圖(5-27)。 圖(5-27) 正向電壓V時形成的雙簡并能帶結(jié)構(gòu)第九十四張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 5.4.2 PN結(jié)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生受激輻射的條件是在結(jié)區(qū)的導(dǎo)帶底部和價帶頂部形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。 激光器在連續(xù)發(fā)光的動平衡狀態(tài)，導(dǎo)帶底電子的占據(jù)幾率為價帶頂空穴的占據(jù)幾率可以用P區(qū)的準(zhǔn)費米能級來計算 價帶頂電子占據(jù)幾率則為 在結(jié)區(qū)導(dǎo)帶底和價帶頂實現(xiàn)粒子（電子）數(shù)反轉(zhuǎn)的條件是第九十五張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu) 最簡單的半導(dǎo)體激光器由一個薄有源層（厚度約0.1m

50、）、P型和N型限制層構(gòu)成，如圖示。有源層夾在P型和N型限制層中間，由此產(chǎn)生的PN異質(zhì)結(jié)通過歐姆接觸正向偏置，電流在覆蓋整個激光器芯片的較大面積注入。這樣的激光器面積大，稱為大面積激光器。由于在平行于結(jié)平面的側(cè)向無光限制結(jié)構(gòu)，沿激光器的整個寬度上都存在光輻射，損耗太大，閾值電流較高，這是大面積激光器的主要特點。為解決側(cè)向輻射和光限制問題，實際的激光器采用了增益導(dǎo)引型和折射率導(dǎo)引型結(jié)構(gòu)。P型N型電流金屬接觸有源層解理面第九十六張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 圖(5-28) GaAs激光器的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的工作原理和閾值條件 圖(5-28)示出

51、了GaAs激光器的結(jié)構(gòu)。 2. 半導(dǎo)體激光器工作的閾值條件 激光器產(chǎn)生激光的前提條件除了粒子數(shù)發(fā)生反轉(zhuǎn)還需要滿足閾值條件 增益系數(shù)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的關(guān)系也取決于諧振腔內(nèi)的工作物質(zhì) 第九十七張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月第二章 電光信息轉(zhuǎn)換98光學(xué)諧振腔與激光器的閾值條件 激光器穩(wěn)定工作的必要條件 : (1) 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生增益 (2) 提供光的反饋 : 其中最簡單的是法布 里珀羅腔 激光二極管的諧振腔 注入電流有源區(qū)解理面解理面L增益介質(zhì)R1R2z=0z=L第九十八張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu) 2.2.2 半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu) 最簡單的半導(dǎo)體激光器

52、由一個薄有源層（厚度約0.1m）、P型和N型限制層構(gòu)成，如圖2.2.2-1所示。圖2.2.2-1 大面積半導(dǎo)體激光器解理面金屬接觸電流有源層P型N型300m100m200m第九十九張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 1. 同質(zhì)結(jié)砷化鎵(GaAs)激光器的特性 圖(5-29) GaAs激光器的伏安特性伏安特性: 與二極管相同，也具有單向?qū)щ娦裕鐖D(529)所示。 閾值電流密度: 影響閾值的因素很多 方向性: 圖(5-30)給出了半導(dǎo)體激光束的空間分布示意圖。 圖(5-30) 激光束的空間分布示意圖 第一百張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月同質(zhì)結(jié)

53、和異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 1. 同質(zhì)結(jié)砷化鎵(GaAs)激光器的特性 光譜特性:圖(5-31)是GaAs激光器的發(fā)射光譜。其中圖(a)是低于閾值時的熒光光譜，譜寬一般為幾百埃，圖(b)是注入電流達(dá)到或大于閾值時的激光光譜，譜寬達(dá)幾十埃。 圖(5-31) GaAs激光器的發(fā)射光譜第一百零一張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 1. 同質(zhì)結(jié)砷化鎵(GaAs)激光器的特性 外微分量子效率: 功率效率:功率效率定義為激光器的輸出功率與輸入電功率之比 2. 異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 單異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器:單異質(zhì)結(jié)器件結(jié)構(gòu)如圖(5-32)(b)所示 雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器:雙異質(zhì)結(jié)

54、半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)如圖(532)(c)所示。 圖(5-32) 同質(zhì)結(jié)、異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)示意圖第一百零二張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月半導(dǎo)體激光器的的主要特性 半導(dǎo)體激光器是半導(dǎo)體二極管，它具有半導(dǎo)體二極管的一般特性，還具有激光器所具有的光頻特性 。1、伏安特性 半導(dǎo)體激光的伏安特性與一般半導(dǎo)體二極管相同，具有單向?qū)щ娦?。其伏安特性曲線如圖所示。由于工作時加正向偏壓，所以其結(jié)電阻很小。其正向電阻值主要由材料的體積電阻和引線的接觸電阻來決定。這些電阻雖然很小，但由于工作電流很大，其作用不能忽略。 正向電壓/ V正向電流（mA）1232004008000第一百零三張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)

55、作于2022年6月半導(dǎo)體激光器的的主要特性2.量子效率與閾值電流 在復(fù)合區(qū)內(nèi)，有兩種復(fù)合。一種叫輻射復(fù)合，一種叫無輻射復(fù)合。前者發(fā)出光子，后者不發(fā)出光子，而是將多余的能量以熱的形式散失掉。因而注入的電子只有一部分對發(fā)光是有效的。通常用內(nèi)量子效率i表示輻射復(fù)合所占的比例。 由于各種損耗的存在，激光器輸出的光子數(shù)會減少，因而又定義了外量子效率 ex.第一百零四張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月半導(dǎo)體激光器的的主要特性3.方向特性 普通氣體激光器和固體激光器方向性很好，光束的發(fā)散角只有 (球面度)。而半導(dǎo)體激光器的方向性要差得多。半導(dǎo)體激光器的作用區(qū)矩形光學(xué)諧振腔，其長、寬、高分別為l、

56、w和d。其端面可近似看做面積為A=wd的相干光源。其輻射圖樣近似一個矩形狹縫的衍射圖形。它的方向性用光束發(fā)散角表示。光束在與P-N結(jié)垂直方向的半功率點的張角叫垂直發(fā)散角，以d表示，光束在平行P-N結(jié)方向半功率點的張角叫水平發(fā)散角，以w表示。 一般d為40度， w為10度。第一百零五張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月半導(dǎo)體激光器的的主要特性 在光纖通訊與光纖傳感技術(shù)中，激光器方向性的好壞影響到它與光纖耦合的效率。單模光纖芯徑小，數(shù)值孔徑小，此項指標(biāo)更為重要。 第一百零六張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月半導(dǎo)體激光器的的主要特性4.光譜特性 由于半導(dǎo)體的導(dǎo)帶，價帶都有一定的

57、寬度，所以復(fù)合發(fā)光的光子有較寬的能量范圍，因而產(chǎn)導(dǎo)體激光器的發(fā)射光譜比固體激光器和氣體激光器要寬。 半導(dǎo)體激光器的光譜隨激勵電流而變化，當(dāng)激勵電流低于域值電流時，發(fā)出的光是熒光。這時的光譜很寬，其寬度常達(dá)百分之幾微米。如圖 (a)所示。當(dāng)電流增大到閾值時，發(fā)出的光譜突然變窄，譜線中心強度急劇增加。這表明出現(xiàn)了激光。其光譜為分布如圖 (b)所示。由此可見知光譜變窄，單色性增強是半導(dǎo)體激光器達(dá)到閾值時的一個特征，因而可通過激光器光譜的測量來確定閾值電流。 第一百零七張，PPT共一百一十五頁，創(chuàng)作于2022年6月半導(dǎo)體激光器的的主要特性 半導(dǎo)體激光器發(fā)射的光譜隨溫度而變化，GaAs激光器在77K下，其光譜寬度為百分之幾微米，室溫下寬度為千分之幾