光電子技術(shù)PPT精品課件

1、光電子技術(shù)PPT第1頁，共23頁，2022年，5月20日，4點19分，星期一按激光工作介質(zhì)分：固體激光器(光纖激光器）氣體激光器半導體激光器染料激光器自由電子激光器第2頁，共23頁，2022年，5月20日，4點19分，星期一化學組成原子激光器分子激光器離子激光器自由電子激光器準分子激光器第3頁，共23頁，2022年，5月20日，4點19分，星期一1.氣體激光器工作物質(zhì)（氣體）均勻性好，輸出光束的質(zhì)量（單色性、方向性）相當高。以氣體或金屬蒸汽為工作物質(zhì)，大多數(shù)氣體激光器能連續(xù)工作，其激勵過程涉及的能級比較固定利用氣體放電中的電子碰撞來激發(fā)。按氣體激光工作物質(zhì)的能級躍遷類型，又可分為： (1) 原

2、子氣體激光器：中性氣體原子，如He-Ne激光器工作氣體：He和Ne，比例為：1:10。其中產(chǎn)生激光躍遷的是Ne氣。He是輔助氣體，用以提高Ne原子的泵浦速率。諧振腔：多用平凹腔，或由球面鏡構(gòu)成的共焦諧振腔泵浦源：采用直流高壓電使氣體放電的泵浦形式主要輸出波長：632.8nm（紅光）、1.15m、3.39 m（紅外光） 輸出功率：1mW-100mW，可連續(xù)工作能量轉(zhuǎn)換效率：較低，萬分之幾 第4頁，共23頁，2022年，5月20日，4點19分，星期一HeNe激光器的結(jié)構(gòu)形式很多，但都是由激光管和激光電源組成。激光管由放電管、電極和光學諧振腔組成。放電管是氦一氖激光器的心臟，它是產(chǎn)生激光的地方。放電

3、管通常由毛細管和貯氣室構(gòu)成。放電管中充入一定比例的氦（He）、氖（Ne）氣體，當電極加上高電壓后，毛細管中的氣體開始放電，受電場加速而獲得足夠能量的電子與氖原子碰撞時，將氖原子激發(fā)到高能態(tài)，使氖原子受激，產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。貯氣室與毛細管相連，這里不發(fā)生氣體放電，它的作用是補償因慢漏氣及管內(nèi)元件放氣或吸附氣體造成He,Ne氣體比例及總氣壓發(fā)生的變化，延長器件的壽命。放電管一般是用GG17玻璃制成。輸出功率和波長要求穩(wěn)定性好的器件可用 熱脹系數(shù)小的石英玻璃制作。HeNe激光器由于增益低，諧振腔一般用平凹腔，平面鏡為輸出端，透過率約1%2，凹面鏡為全反射鏡。第5頁，共23頁，2022年，5月20日，4

4、點19分，星期一HeNe激光器的壽命 HeNe激光器使用一段時間或存放一段時間后，它的輸出功率會逐漸降低，以致最后沒有激光輸出?，F(xiàn)在一般規(guī)定輸出功率下降到最高功率的1e的工作時間為器件的壽命。影響器件壽命的因素大致有以下幾方面：1慢漏氣 當放電管密封不嚴密時，空氣中的氮、氫等氣體分子會滲透到管內(nèi)，使放電條件改變并加快氦、氖原子激發(fā)態(tài)的消失速率，無疑，這將影響器件輸出功率。出現(xiàn)慢漏氣時，激光器的放電顏色將由正常放電時的橙紅色變?yōu)樽仙ㄗ仙堑肿虞x光放電產(chǎn)生的）。容易出現(xiàn)慢漏氣的地方有：電極與玻璃封接處；諧振腔反射鏡或布儒斯特窗與放電管粘合處以及吹制管坯時可能留下來的微小漏氣孔。為防止慢漏氣，要

5、提高封接工藝水平并改革現(xiàn)有封接方法。2放電管內(nèi)元件放氣 放電管內(nèi)的元件及放電管內(nèi)壁都會吸附雜質(zhì)氣體，如果除氣不徹底，以后就會慢慢釋放出來。同時激光管清洗得不干凈時，污物和洗液也會放出大量雜質(zhì)氣體，這些雜質(zhì)氣體會改變原充氣的氣體成分，影響輸出功率。為克服放氣，要對放電管及其內(nèi)部元件進行認真清潔處理和除氣。此外，在放電管內(nèi)可放置吸氣劑，例如鋇鈦、鋇鋁鎳等，它們可吸收大量氮氣、二氧化碳、一氧化碳、水蒸氣、氧、氫等，但不吸收氦、氖。第6頁，共23頁，2022年，5月20日，4點19分，星期一3陰極濺射 陰極在正離子轟擊下會產(chǎn)生陰極濺射，濺射出來的金屬材料會吸收工作氣體，導致管內(nèi)工作氣壓降低。同時濺射物

6、質(zhì)還會污染諧振腔反射鏡或布儒斯特窗片。為了減少濺射，要選用不易濺射的金屬做電極，并避免表面放電電流密度超過濺射閾值。為防止濺射物吸收造成的工作氣壓降低，在充氣時可略高于最佳總氣壓。4工作氣體的吸附、吸收和滲透 放電管內(nèi)的工作氣體可被電極和管壁吸附在表面，或吸收到金屬和玻璃內(nèi)部，甚至還會透過管壁滲透到大氣中去。氖的電離電位比氦低，它比氦更容易被吸附或吸收。氦原于直徑比氖小，它滲出管外的能力比氖強。由于這些原因，管內(nèi)的總氣壓和氦、氖氣壓比會慢慢變化，使之偏離最佳工作狀態(tài)，造成輸出功率下降。為防止氦氣滲出，要選用滲氦低的材料做放電管。為防止氦氣滲出造成氣壓比降低，充氣時充入的氣壓可高于最佳氣壓比。還

7、可以采用三層套管，即在放電管外再加一層氦氣補償套管，管內(nèi)充入的氦氣，氣壓應高于放電管內(nèi)的氣壓。5諧振腔反射鏡的污染 濺射沉積在反射鏡上或放電管內(nèi)未加清除掉的污物揮發(fā)后會沉積到反射鏡上，促使其反射率下降。為防止反射鏡污染，除認真清潔內(nèi)部和減少濺射外，設(shè)計HeNe激光器時，應注意反射鏡到陰極的距離要大于3cm。 目前HeNe激光器最長的壽命可達10萬小時。第7頁，共23頁，2022年，5月20日，4點19分，星期一（2）. 離子氣體激光器1) 工作物質(zhì):離子氣體原子， 如氬離子Ar+連續(xù)工作的氬離子激光器可產(chǎn)生9條藍綠激光譜線,其中以488nm和514.5m譜線最強。在諧振腔內(nèi)插入棱鏡等色散元件,

8、可以獲得單譜線激光。2）諧振腔：3）泵浦源：低電壓大電流弧光放電泵浦由于Ar原子的電離能量(15eV)和激光躍遷上能級的激發(fā)能量(20eV)較高,正常運轉(zhuǎn)所要求的平均電子動能(電子溫度)很高。為了提高電子溫度,氬離子激光器中的充氣壓強一般在150Pa以下。但低壓強意味著Ar原子密度小,為了提高電離和激發(fā)速率,必須增加放電管內(nèi)的電子密度,所以氬離子激光器必須采用大電流孤光放電激發(fā),放電管內(nèi)電流密度通常超過 。氬離子激光器的輸出功率隨放電電流的增長而迅速增長,但電流過高也會因多重電離的出現(xiàn)和高溫引起的譜線加寬而導致增益和輸出功率的下降。輸出功率：500mW/cm2（連續(xù)）、1kW/cm2（脈沖）能

9、量轉(zhuǎn)換效率：較低，千分之幾第8頁，共23頁，2022年，5月20日，4點19分，星期一（3）. 分子氣體激光器1) 工作物質(zhì):中性氣體分子， 如 CO2 激光器： C02激光器以C02、N2和He的混合氣體為工作物質(zhì)。激光躍遷發(fā)生在C02分子的電子基態(tài)的兩個振動-轉(zhuǎn)動能級之間。N2的作用是提高激光上能級的激勵效率, He則有助于激光下能級的抽空。2）諧振腔：C02激光器的諧振腔大多采用平凹腔。高反射鏡可用金屬制成,也可在玻璃表面鍍以金膜。輸出端可采用小孔耦合方式或由可透過紅外光的Ge、GaAs等材料制成輸出窗。3）泵浦源：直流放電輸出功率大，且近似與管子長度成正比：1m長的管子可輸出100W（

10、連續(xù)）的功率 能量轉(zhuǎn)換效率高：可達30%輸出波長 (10.6um)正好處于大氣窗口。因此廣泛用于激光加工、醫(yī)療、大氣通信及其他軍事應用。第9頁，共23頁，2022年，5月20日，4點19分，星期一(4) 準分子激光器： 準分子：稀有氣體被激發(fā)后，性質(zhì)發(fā)生變化，易與 其他原子結(jié)合形成分子，這樣形成的分 子稱為準分子，準分子在激發(fā)態(tài)很穩(wěn)定， 而在基態(tài)不穩(wěn)定，會立即被分解。 工作物質(zhì)：稀有氣體或稀有氣體與鹵素氣體的混合氣體 準分子躍遷到基態(tài)后立即解離,這意味著激光下能級總是空的,只要激發(fā)態(tài)存在分子,就處于集居數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)。由于激光下能級不是某個確定的振動-轉(zhuǎn)動能級,躍遷是寬帶的,因此準分子激光器可以調(diào)

11、諧運轉(zhuǎn)。準分子激光器中常加入He、Ne或Ar等緩沖氣體,其作用是使電子溫度下降,以便碰撞時產(chǎn)生更多的激發(fā)態(tài)粒子(如Kr*),而不產(chǎn)生過多的離子。與緩沖氣體分子的碰撞還可促使高振動能級的準分子向低振動能級弛豫.2）諧振腔：類似于分子氣體激光器第10頁，共23頁，2022年，5月20日，4點19分，星期一輸出波段：波長短，從可見光到紫外波段3）泵浦源：準分子激光器普遍采用電子束或快速放電泵浦。準分子激光器脈沖輸出能量可達百焦耳量級,峰值功率達千兆瓦以上,平均功率可大于200W,重復頻率高達1KHz.能量轉(zhuǎn)換效率較高：可達1%在光化學、同位素分離、醫(yī)學、生物學、光電子及微電子工業(yè)等方面獲得了廣泛應用

12、。第11頁，共23頁，2022年，5月20日，4點19分，星期一2.液體激光器1) 工作物質(zhì):無機液體有機液體：染料激光器采用溶于適當溶劑中的有機染料作激光工作物質(zhì)2）諧振腔：3）泵浦源：光泵浦：通常采用閃光燈、N2分子激光器、準分子激光器或倍頻Nd3+:YAG激光器發(fā)射的532nm激光等作脈沖染料激光器的泵浦光源, 而連續(xù)染料激光器則常用氬或氪離子激光器作泵浦源。有連續(xù)輸出的激光器，也有脈沖輸出的激光器?？僧a(chǎn)生超短光脈沖，峰值功率達幾百MW。由于染料具有較寬的頻帶,所以可從鎖模染料激光器得到很窄的脈沖,以若丹明6G為工作物質(zhì)的碰撞鎖模染料激光器可產(chǎn)生約30fs的超短激光脈沖,這種光脈沖還可壓

13、縮成脈寬僅為6fs的超短光脈沖,這是目前世界上最窄的光脈沖。在摻鈦藍寶石出現(xiàn)之前,染料激光器是最理想的可調(diào)諧激光器。目前已在紫外(330mn)到近紅外(1.85um)相當寬的范圍內(nèi)獲得了連續(xù)可調(diào)諧輸出。由于它的可調(diào)諧和可產(chǎn)生極窄光脈沖的特點,在激光光譜、同位素分離、醫(yī)學及其他科技領(lǐng)域獲得了廣泛應用。第12頁，共23頁，2022年，5月20日，4點19分，星期一3.固體激光器1）工作物質(zhì)：具有特殊能力的高質(zhì)量的光學玻璃或光學晶體，里面摻入具有發(fā)射激光能力的金屬離子 。能實現(xiàn)激光振蕩的固體工作物質(zhì)多達數(shù)百種,激光譜線多達數(shù)千條。紅寶石、Nd3+:YAG、釹玻璃是三種最常用的工作物質(zhì)。有脈沖輸出激光

14、器和連續(xù)輸出激光器。主要優(yōu)點：能量大、峰值功率高、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、堅固可靠和使用方便。2）諧振腔：3）泵浦源：光泵浦:最常用的泵浦光源有惰性氣體放電燈(燈內(nèi)充入疝、氪等惰性氣體)、金屬蒸氣燈(燈內(nèi)充入汞、鈉、餌等金屬蒸氣）、鹵化物燈(碘鎢燈、鑷鎢燈等)、半導體激光器、日光泵(用聚光鏡將日光會聚到激光棒中)等。第13頁，共23頁，2022年，5月20日，4點19分，星期一下面介紹兩種最常用的固體工作物質(zhì)：1)、紅寶石晶體 紅寶石的化學表示式為Cr3+: Al203,其激活離子是三價鉛離子Cr3+,基質(zhì)是剛玉晶體(化學成分是A12O3)。紅寶石屬六方晶系,是無色透明的負單軸晶體。 紅寶石是在Al

15、2O3中摻入適量的Cr3+,使Cr3+部分地取代Al3+而成。摻入Cr2O3的最佳量一般在0.05%(重量比)左右,相應的Cr3+密度為ntot=1.58x1019cm-3。 晶體的生長方向大致有三種:生長軸與光軸C平行的叫0o紅寶石, 生長軸與光軸C相垂直的為90o紅寶石, 此外還有60o紅寶石等。紅寶石的光譜特性主要取決于Cr3+ ，紅寶石激光器通常只產(chǎn)生0.6943um的受激輻射。由于紅寶石的性能隨溫度變化比較明顯,在室溫情況下不適于作連續(xù)和高重頻器件。值得注意的是在低溫時,紅寶石的性能非常良好;例如在低溫77K時,紅寶石的激光闕值比室溫下可低兩個數(shù)量級。同時低溫下紅寶石的導熱性比室溫下

16、好得多。因此在低溫下可連續(xù)輸出。第14頁，共23頁，2022年，5月20日，4點19分，星期一紅寶石突出的缺點是閾值高(因是三能級)和性能易隨溫度變化。但具有很多優(yōu)點,如:機械強度高,能承受很高的激光功率密度; 容易生長成較大尺寸; 亞穩(wěn)態(tài)壽命長, 儲能大, 可得到大能量輸出; 熒光譜線較寬,容易獲得大能量的單模輸出; 低溫性能良好, 可得到連續(xù)輸出;紅寶石激光器輸出的紅光(0.6943um), 不僅能為人眼可見, 而且很容易被探測接收(目前大多數(shù)光電元件和照相乳膠對紅光的感應靈敏度較高)。因此, 紅寶石仍屬一種優(yōu)良的工作物質(zhì)而得到廣泛應用。用紅寶石制成的大尺寸單脈沖器件輸出能量已達上千焦耳。

17、單級調(diào)Q器件很容易得到幾十兆瓦的峰值功率輸出(用這類器件已成功地對載有角反射器的人造衛(wèi)星進行了測距試驗)。多級放大器件的輸出峰值功率已達數(shù)千兆瓦到一萬兆瓦。紅寶石在激光發(fā)展上是貢獻比較大的一種晶體。第15頁，共23頁，2022年，5月20日，4點19分，星期一2)、摻釹釔鋁石榴石(Nd3+:YAG)：Nd3+:YAG的激活離子為Nd3+,基質(zhì)是YAG晶體(釔鋁石榴石晶體Y3Al5O12的簡稱)。Nd3+部分取代YAG中的Y3+便成為Nd3+:YAG。一般含Nd3+量為1%原子比,此時Nd3+的密度為1.381020cm-3,顏色為淡紫色。實際制備時是將一定比例的A1203、Y2O3和Nd2O3

18、在單晶爐中熔化結(jié)晶而成。Nd3+:YAG屬立方晶系,是各向同性晶體。室溫下Nd3+:YAG在近紅外區(qū)有三條明顯的熒光譜線，其中以1.06m處的熒光譜線最強。Nd3+:YAG的突出優(yōu)點：是克服了紅寶石的突出缺點（閾值高(因是三能級)和性能易隨溫度變化）。優(yōu)點1：熱物理性能優(yōu)良。Nd3+:YAG的光譜特性隨溫度變化較小,實驗發(fā)現(xiàn),當晶體由4.2K升高到300K時,吸收光譜峰值波長移動一般不大于1nm量級,1.06um附近的熒光線向長波移動約1nm左右。在室溫或略高于室溫的范圍內(nèi),1.06um處的熒光線寬、熒光壽命和量子效率隨溫度升高不發(fā)生顯著變化。第16頁，共23頁，2022年，5月20日，4點1

19、9分，星期一優(yōu)點2：閾值低。由于Nd3+:YAG屬四能級系統(tǒng),量子效率高,受激輻射截面大,所以它的閾值比紅寶石和釹玻璃低得多。綜合上述兩個優(yōu)點, 因此Nd3+:YAG非常適合制成連續(xù)和重頻器件。它是目前能在室溫下連續(xù)工作的唯一實用的固體工作物質(zhì)。在中小功率脈沖器件中,目前應用Nd3+:YAG的量遠遠超過其它固體工作物質(zhì)。Nd3+:YAG連續(xù)器件的最大輸出功率已超過1000W,每秒5000次的重復頻率器件的峰值功率已達1KW以上，每秒幾十次的重復頻率調(diào)Q器件的峰值功率已達幾百兆瓦。Nd3+:YAG也可用做倍頻器件和鎖模器件。第17頁，共23頁，2022年，5月20日，4點19分，星期一4.半導體

20、激光器（LD）工作物質(zhì)：是半導體材料形成的P-N結(jié)。諧振腔：與結(jié)平面垂直的晶體解理面構(gòu)成F-P諧振腔。重點泵浦源：對P-N結(jié)正向注入電流或光泵浦，可激發(fā)激光。體積小，重量輕，易調(diào)制，功耗低；波長覆蓋面廣（0.3344m）；能量轉(zhuǎn)換效率高，有大功率器件;工作電壓與集成電路兼容，可與集成電路單片集成，故有高集成度器件。主要優(yōu)點第18頁，共23頁，2022年，5月20日，4點19分，星期一二）、代表性的固體激光器1、YAG激光器 基質(zhì)晶體Y3Al 5O12熱物理性能優(yōu)良，使激光器既可連續(xù)工作又可高效率脈沖工作。輸出波長1064nm，加倍頻技術(shù)可輸出532nm。已經(jīng)實現(xiàn)了KW級大功率輸出，廣泛用于激光加工、激光醫(yī)療、科學研究之中。 激光晶體的發(fā)展動向之一是研制在室溫下產(chǎn)生新波長的工作物質(zhì)；之二是適應固體激光小型化的需要，發(fā)展了一些高摻雜濃度的激光晶體；之三是實現(xiàn)激光波長連續(xù)可調(diào)諧。第19頁，共23頁，2022年，5月20日，4點19分，星期一輸出波長2.94m,用于激光醫(yī)療。 輸出波長2.1m,用于激光醫(yī)療 ,空間光通信。