激光器認(rèn)知課件

1、激光器的認(rèn)知,激光器認(rèn)知,一、激光器的分類,按工作物質(zhì)：氣體激光器、固體激光器、液體激光器、半導(dǎo)體激光器等 按運(yùn)轉(zhuǎn)方式：連續(xù)激光器、脈沖激光器、超短脈沖激光器、穩(wěn)頻激光器、可調(diào)諧激光器 按波長(zhǎng)：紅外激光器、可見光激光器、紫外激光器、毫米波激光器、X射線激光器等 按泵浦方式：電激勵(lì)激光器、光泵浦激光器、核能泵浦激光器、熱能激勵(lì)激光器等 按諧振腔：內(nèi)腔激光器、外腔激光器、環(huán)形腔激光器折疊腔激光器等,2,激光器認(rèn)知,1、氣體激光器的分類,原子氣體激光器 工作物質(zhì)為未電離的氣體原子，如He-Ne激光器 分子氣體激光器 工作物質(zhì)為未電離的氣體分子，如CO2激光器、氮分子激光器 離子激光器 如氬離子激光器

2、和氦鎘離子激光器,3,激光器認(rèn)知,氣體激光器的特點(diǎn),氣體激光器的工作物質(zhì)：氣體或蒸汽 波長(zhǎng)范圍：紫外到紅外 優(yōu)點(diǎn)： 1.工作物質(zhì)均勻性好，光束質(zhì)量好 2. 連續(xù)輸出功率高 3. 轉(zhuǎn)換效率高 4. 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 5. 成本低 應(yīng)用：準(zhǔn)直、導(dǎo)向、計(jì)量、材料加工、全息術(shù)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)育種、國(guó)防等,4,激光器認(rèn)知,2、固體激光器,主材料：晶體或玻璃 晶體：1)金屬氧化物 Al2O3，氧化釔Y2O3，釔鋁石榴石Y3Al5O12（YAG）。2)鋁酸鹽、磷酸鹽、硅酸鹽等晶體：鋁酸釔YALO3(YAP)、氟磷酸鈣Ca(PO4)3F等。3) 氟化物晶體：氟化鈣CaF2、氟化鋇BaF 玻璃：硅酸鹽、硼酸鹽、磷酸鹽玻璃

3、（有高的機(jī)械強(qiáng)度、高的導(dǎo)熱特性） 參雜材料：稀土元素（Nd3+，Er3+，Ho3+，Sm2+，Er2+） 過渡金屬（Cr3+，Ni3,5,激光器認(rèn)知,固體激光器的特點(diǎn),能量大，峰值功率高 結(jié)構(gòu)緊湊、牢固耐用 連續(xù)輸出功率不如氣體激光器,6,激光器認(rèn)知,3、半導(dǎo)體激光器,工作物質(zhì)：半導(dǎo)體材料如砷化鎵(GaAs)、硫化鎘(CdS)、碲錫鉛(PbSnTe) 特點(diǎn)：體積小、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低 應(yīng)用：光纖通訊、光盤、準(zhǔn)直、顯示等,7,激光器認(rèn)知,4、液體激光器,分類：有機(jī)化合物液體激光器(染料激光器) 無(wú)機(jī)化合物液體激光器(無(wú)機(jī)液體激光器) 特點(diǎn)：波長(zhǎng)可調(diào)諧，調(diào)諧范圍廣 可產(chǎn)生極短的超短脈沖(10

4、-15s) 可獲得窄的譜線寬度(10-5-10-6nm,8,激光器認(rèn)知,5、化學(xué)激光器,利用化學(xué)反應(yīng)建立粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：氟化氫(HF)、氟化氘(DF)激光器 特點(diǎn)：無(wú)需外加電源或光源 高功率輸出 應(yīng)用：軍事領(lǐng)域,9,激光器認(rèn)知,6、自由電子激光器,利用電子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為激光輻射 特點(diǎn)：波長(zhǎng)連續(xù)調(diào)諧范圍寬，毫米波至X射線；轉(zhuǎn)換效率高(50,10,激光器認(rèn)知,二、 固體激光器,固體激光工作物質(zhì) 泵浦光源 聚光腔 諧振腔 冷卻,11,激光器認(rèn)知,一）、一般固體激光器,1960-5-17，Ted Maiman 發(fā)明第一臺(tái)激光器,1、紅寶石激光器,12,激光器認(rèn)知,紅寶石激光器,13,激光器認(rèn)知,紅寶石激

5、光器,激光材料：Al2O3 +0.01%0.5% Cr3,三能級(jí)系統(tǒng),2E能級(jí)分解成二個(gè)能級(jí)：2A、E，E=29cm-1 輻射波長(zhǎng)：694.3nm和692.9nm,2A和E能級(jí)上的粒子數(shù)由波爾茲曼分布確定,激光振蕩時(shí)只有694.3nm的激光輸出,14,激光器認(rèn)知,紅寶石熒光具有偏振特性,紅寶石熒光的偏振特性,圖5.3,15,激光器認(rèn)知,紅寶石的溫度特性,紅寶石的熒光線寬、波長(zhǎng)、熒光效率等與溫度有關(guān),圖5.4,16,激光器認(rèn)知,紅寶石激光器特性,脈沖光源泵浦 波長(zhǎng)：694.3nm 脈沖寬度：1ms 脈沖能量：100J 脈沖頻率：幾Hz 電光效率：0.1%1,紅寶石激光器的缺點(diǎn)： 需要高能量的泵浦

6、光源 較低的效率 冷卻困難，使輸出脈沖頻率不能太高 目前紅寶石激光器主要被YAG激光器所替代,17,激光器認(rèn)知,2、YAG激光器,1）Nd-YAG激光器,激光材料：Y3Al5O12（釔鋁石榴石晶體）+ Nd3+(0.725%重量,Nd3+的吸收光譜： 525nm、584nm、750nm、805nm、870nm，帶寬約30nm 其中750nm、805nm吸收最強(qiáng),18,激光器認(rèn)知,圖5.5,激光器輸出的激光波長(zhǎng)通常為1.064um，通過選頻方法可以實(shí)現(xiàn)其他頻率的輸出,四能級(jí)系統(tǒng),19,激光器認(rèn)知,Nd3+-YAG的溫度特性,圖5.6,熒光譜線寬度隨溫度升高而增大 波長(zhǎng)隨溫度升高向長(zhǎng)波移動(dòng),Nd-

7、YAG在1.06um的躍遷界面比紅寶石694.3nm大35倍，因此Nd-YAG有較低閾值，適合于作連續(xù)激光器,20,激光器認(rèn)知,Nd-YAG激光器的特性,連續(xù)或脈沖工作方式 脈沖頻率：10-100Hz 連續(xù)功率輸出：10-100w 脈沖輸出功率：50mJ10J 波長(zhǎng): 1.06um，采用非線性晶體倍頻，可實(shí)現(xiàn) 二倍頻：532nm 三倍頻：355nm 四倍頻：266nm,21,激光器認(rèn)知,2）Er3+-YAG激光器,五個(gè)吸收帶：0.38um、0.52um、0.65um、0.79um、1.5um,圖5.7,能級(jí)壽命4I11/2 為0.1ms 4I13/2 為2ms 由于下能級(jí)壽命大于上能級(jí)壽命，容

8、易造成下能級(jí)粒子數(shù)積累，較難連續(xù)振蕩，適合脈沖 Er3+-YAG激光器的泵浦效率較低 激光波長(zhǎng)2.94um為人體組織的吸收波長(zhǎng)，在激光外科及血管外科上有較大應(yīng)用前景,有6個(gè)激光亞穩(wěn)能級(jí)，11個(gè)躍遷通道，波長(zhǎng)范圍寬,22,激光器認(rèn)知,3、釹玻璃激光器,釹玻璃是把Nd2O3摻入到光學(xué)玻璃中（硅酸鹽、磷酸鹽等）制成的。 Nd2O3的參入濃度為1-5%(重量,釹玻璃的吸收光譜與YAG相似，但吸收帶較寬,23,激光器認(rèn)知,釹玻璃有三個(gè)熒光譜線：0.92um、1.06um、1.37um 通常實(shí)現(xiàn)振蕩的波長(zhǎng)：1.06um，譜寬5-10nm，單色性較差，譜寬和激勵(lì)能量有關(guān),圖5.9,圖5.10,四能級(jí)系統(tǒng),2

9、4,激光器認(rèn)知,釹玻璃激光器的特點(diǎn)： 1、玻璃制備工藝成熟，尺寸形狀可自由變化 2、熒光壽命長(zhǎng)，有利于儲(chǔ)存能量，提高激光輸出 3、線寬較寬，有利于制作超短脈沖鎖模器件 缺點(diǎn)： 導(dǎo)熱差，熱膨脹系數(shù)大，不適于連續(xù)或高重復(fù)頻率工作,25,激光器認(rèn)知,二）、板條激光器,工作物質(zhì)的形狀為板狀的激光器（Slab Geometry Laser，SGL），或稱為全內(nèi)反射面泵浦激光器（total internal reflection- face pumped lasers ， TIR-FPL,1、工作原理,26,激光器認(rèn)知,板狀介質(zhì)的光學(xué)質(zhì)量和加工精度 實(shí)現(xiàn)均勻的面泵浦 冷卻方式,板條的主要技術(shù)問題,圖5.1

10、2,27,激光器認(rèn)知,結(jié)構(gòu)的改進(jìn),28,激光器認(rèn)知,三）、摻雜光纖激光器,光纖激光器（FL）的種類： 1）晶體光纖激光器 2）摻雜光纖激光器 3）非線性光學(xué)效應(yīng)光纖激光器,光纖的纖芯很小，纖內(nèi)容易形成高功率密度；激光與泵光可充分耦合，因此轉(zhuǎn)換效率高，激光閥值低；激光模式好 輸出的激光譜線多，熒光譜線的線寬很寬，易于調(diào)諧 光纖的柔繞性很好，易散熱，熱特性優(yōu)于塊狀固體激光器,光纖激光器的特點(diǎn),29,激光器認(rèn)知,摻雜光纖激光器,圖5.20,摻Nd和摻Er光纖激光器能級(jí)圖,摻Nd：0.9um三能級(jí)，1.06、1.35um四能級(jí) 摻Er：三能級(jí),可用0.8um的半導(dǎo)體激光器泵浦,應(yīng)用：光纖通訊,30,激

11、光器認(rèn)知,四）、摻鈦藍(lán)寶石激光器,摻雜過度金屬離子激光器，固體可調(diào)諧激光器，600-1100nm,偏振吸收光譜,Ti3+-Al2O3結(jié)構(gòu),31,激光器認(rèn)知,發(fā)射光譜,殘余紅外吸收光譜,32,激光器認(rèn)知,33,激光器認(rèn)知,摻鈦藍(lán)寶石激光器的結(jié)構(gòu),脈沖激光泵浦的摻鈦藍(lán)寶石激光器,泵浦光為P偏振光 雙晶體，消除色散,34,激光器認(rèn)知,連續(xù)波摻鈦藍(lán)寶石激光器,35,激光器認(rèn)知,固體激光器的常用光泵浦方式,五）、LD泵浦的固體激光器,36,激光器認(rèn)知,LD泵浦方式,優(yōu)點(diǎn)：泵浦效率高,端面泵浦,37,激光器認(rèn)知,側(cè)泵方式與一般的閃光燈橫向泵浦相似，對(duì)諧振腔反射鏡和棒端面的研磨質(zhì)量要求低一些。一般泵浦效率低

12、，容易形成多模振蕩，但可獲得較高的輸出功率,側(cè)面泵浦,38,激光器認(rèn)知,三、 氣體激光器,氣體激光器,原子激光器 （氦氖激光器,分子激光器 ( 激光器,離子激光器 （氬離子激光器,發(fā)射的譜線波長(zhǎng)范圍寬 氣體工作物質(zhì)均勻性好，輸出光束質(zhì)量較高 容易實(shí)現(xiàn)大功率連續(xù)輸出 轉(zhuǎn)換效率高、工作物質(zhì)豐富、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn),特點(diǎn),39,激光器認(rèn)知,一）、氦-氖激光器,屬于原子激光器類，能產(chǎn)生許多可見光與紅外光的激光譜線，多采用連續(xù)工作方式 輸出功率與放電毛細(xì)管的長(zhǎng)度有關(guān) 輸出的激光方向性好、單色性好、輸出功率和波長(zhǎng)可控制得很穩(wěn)定,He-Ne激光器的結(jié)構(gòu),40,激光器認(rèn)知,電激勵(lì)： 電子碰撞 He+e-He *+

13、e- Ne+e-Ne *+e- （極少量） 共振轉(zhuǎn)移 He *+Ne He +Ne*E Ne原子的不同激發(fā)態(tài)之間躍遷產(chǎn)生發(fā)光,He-Ne激光器原理,四能級(jí)工作系統(tǒng),He-Ne激光器采用毛細(xì)管，用于增大管壁效應(yīng)，排空低能級(jí)離子,41,激光器認(rèn)知,0.6328微米和3.39微米兩種振蕩具有同一上能級(jí)，因此它們之間存在較強(qiáng)的譜線競(jìng)爭(zhēng),3P壽命比2P短，3.39um更能形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 3.39um增益更大 （增益正比于波長(zhǎng)平房） 因此3.39um更容易形成振蕩,使用玻璃材料的布儒斯特窗 給腔鏡鍍多層介質(zhì)膜，使其對(duì)0.6328微米有最大的反射率 對(duì)較長(zhǎng)的激光器，腔內(nèi)加色散棱鏡或放置甲烷吸收盒,解決方法,

14、42,激光器認(rèn)知,He-Ne激光器常用結(jié)構(gòu),43,激光器認(rèn)知,He-Ne激光器的工作參數(shù),工作電壓: 幾百到幾千伏 最佳工作電流： I=70d (mA) d為放電管直徑(cm) 混合氣體氣壓比: PHe: PNe=5:19:1 最佳工作氣壓: Pd=440533(Pamm) 單程小信號(hào)增益: G=310-4l/d，l為放電管長(zhǎng)度 飽和增益: Is=2+(1.6/d)+(0.19/d2) (mW/cm2) 輸出功率(單模): P=3 10-2ld Is Is飽和光強(qiáng)， 激發(fā)參數(shù) 發(fā)散角: = / 0 0束腰半徑 平凹腔： = (/ L)1/21/(T-1)1/4 , T=R/L L腔長(zhǎng)，R凹鏡曲

15、率半徑,44,激光器認(rèn)知,二）、CO2激光器,分子氣體激光器 1965年貝爾實(shí)驗(yàn)室 目前效率最高：20%-25% 輸出功率最大，數(shù)十萬(wàn)瓦(連續(xù))，1012瓦（脈沖） 波長(zhǎng)9-11um，大氣窗口，典型10.6um 激光器內(nèi)：CO2:N2:He=1:1:8,45,激光器認(rèn)知,CO2的振動(dòng)及能級(jí),振動(dòng)能級(jí)用v1、v2、v3的量子數(shù)來表示 如000，001 由于v2有二個(gè)振動(dòng)方向：平行紙面或垂直紙面，合成振動(dòng)為圓周運(yùn)動(dòng)，其角動(dòng)量為量子化，取為l 能級(jí)表示為 v1v2lv3,46,激光器認(rèn)知,激光器中與躍遷有關(guān)的能級(jí)是由 分子和 分子的電子基態(tài)的低振動(dòng)能級(jí)構(gòu)成的。四能級(jí)系統(tǒng),47,激光器認(rèn)知,激光器的工

16、作原理,輸出激光主要發(fā)生在 過程中。 如何將粒子泵浦到激光上能級(jí)： （1）電子碰撞激發(fā) （2）分子的共振能量轉(zhuǎn)移,激光器認(rèn)知,0110能級(jí)壽命較長(zhǎng)，影響激光振蕩 利用He分子和010能級(jí)上的CO2分子碰撞，可以降低010能級(jí)的壽命，有利于抽空CO2分子的激光下能級(jí),轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)： CO2分子的轉(zhuǎn)動(dòng)使得振動(dòng)能級(jí)分裂成很多子能級(jí)，因此CO2激光器的輸出波長(zhǎng)較豐富。，如10.57um，10.59um，10.61um，10.63um等,49,激光器認(rèn)知,CO2激光器的結(jié)構(gòu),50,激光器認(rèn)知,51,激光器認(rèn)知,CO2激光器的一些工作參數(shù),氣體的混合比 CO2:N2:He:Xe:H2=1:1.5:8:0.3:

17、0.05 He降低工作氣體溫度、加速CO2下能級(jí)馳豫 工作氣壓: Pd=4400 (Pamm) 最佳工作電流： 20mA 工作電壓: 20kV 小信號(hào)增益: G=(0.0120.0025)d (cm) 飽和增益: Is=72/d2 (W/cm2) 輸出功率: P=14.4 (I0/ Is) Io-激光腔內(nèi)振蕩光強(qiáng)，Is-飽 和光強(qiáng),52,激光器認(rèn)知,性能與參數(shù) 1. 可見光輸出功率最大，幾百瓦 2. 小的轉(zhuǎn)換效率：0.1% 3. 發(fā)熱較大，需要水冷 4. 波長(zhǎng)：488.8m、514.5nm 應(yīng)用：DNA排序，全息，測(cè)量、視網(wǎng)膜固定,三）、氬離子激光器,53,激光器認(rèn)知,2、電子和Ar碰撞直接把

18、Ar電離并激發(fā)到高能態(tài)，稱一步過程,3、Ar+被激發(fā)到3p4s和3p4d上，然后輻射躍遷到上能級(jí)3p44p上，稱為串激躍遷,Ar離子激光器采用低氣壓、大電流的激發(fā)工作方式，屬于弧光放電,激發(fā)機(jī)理： 1、電子與Ar碰撞變?yōu)锳r+，Ar+再與電子碰撞變?yōu)楦吣軕B(tài)Ar+，稱二步過程,54,激光器認(rèn)知,圖5.34 5.35,主要的輻射光譜：488nm和514.5nm,55,激光器認(rèn)知,氬離子激光器的結(jié)構(gòu),1 石墨陽(yáng)極 2 石墨片 3 石英環(huán) 4 冷水套 5 放電毛細(xì)管 6 陰極 7保熱屏 8 加熱燈絲 9 布氏窗 10 磁場(chǎng) 11 儲(chǔ)氣罐 12 電磁真空充氣閥 13 鎮(zhèn)氣瓶 14 波紋管 15 氣壓監(jiān)測(cè)

19、器,56,激光器認(rèn)知,氬離子激光器還需要加軸向磁場(chǎng)(幾百到一千高斯)，使離子趨向于毛細(xì)管中心，防止對(duì)管壁的碰撞,輸出功率和放電電流關(guān)系,57,激光器認(rèn)知,四）、準(zhǔn)分子激光器,Excimer = exited + dimer(二聚物) 準(zhǔn)分子是由一個(gè)惰性氣體原子和一個(gè)鹵素氣體原子在激發(fā)態(tài)下構(gòu)成的一個(gè)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的分子，或者是同核的二聚物 在基態(tài)時(shí)準(zhǔn)分子還原成獨(dú)立的自由原子 準(zhǔn)分子形成過程：XeF* e+Ar Ar*+e Ar*+Xe Ar+Xe* Xe*+NF3 XeF*+NF2,58,激光器認(rèn)知,R:noble gas atom H:halogen,準(zhǔn)分子激光器能級(jí),59,激光器認(rèn)知,準(zhǔn)分子激光器

20、的波長(zhǎng),60,激光器認(rèn)知,準(zhǔn)分子激光器的結(jié)構(gòu),61,激光器認(rèn)知,紫外光激光輸出 高效率 體積小、安裝操作方便 只能產(chǎn)生脈沖激光，脈沖皮秒到微秒 氣壓：1-5大氣壓 可用于切割、刻字、以及外科手術(shù)，如眼睛的矯形等,準(zhǔn)分子激光器性能,62,激光器認(rèn)知,四、 半導(dǎo)體激光器,1、光纖通信中的光源 將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)； 有兩種：半導(dǎo)體激光二極管（LD）； 半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）； 要求：發(fā)射波長(zhǎng)與光纖低損耗和低色散波長(zhǎng)一致； 在室穩(wěn)下連續(xù)工作，低功耗，譜線窄； 體積小，重量輕，使用壽命長(zhǎng)； 制造工藝簡(jiǎn)單，成本低，可靠性高,63,激光器認(rèn)知,2、半導(dǎo)體中光的發(fā)射和激射原理,原子的能級(jí)結(jié)構(gòu)： 電子的量

21、子化：能量是離散值； 原子的能級(jí)：分立的能量值； 基態(tài)（穩(wěn)態(tài)）：原子能量最低； 激發(fā)態(tài)：原子能量比基態(tài)高； 半導(dǎo)體價(jià)帶、導(dǎo)帶、帶隙： 能級(jí)：分立的能量級(jí)； 能帶：?jiǎn)尉е懈鱾€(gè)原子的最外層軌道相互重疊； 價(jià)帶：與原子最外層軌道的價(jià)電子對(duì)應(yīng)的能帶； 導(dǎo)帶：價(jià)帶上面的能帶； 帶隙：導(dǎo)帶底Ec與價(jià)帶頂Ev之差Eg；（禁帶寬度,64,激光器認(rèn)知,2、半導(dǎo)體中光的發(fā)射和激射原理(續(xù),導(dǎo)體的Eg半導(dǎo)體Eg導(dǎo)體Eg=0； 價(jià)帶中電子激發(fā)至導(dǎo)帶，留下空穴；臨近電子填補(bǔ)這個(gè)空穴，又留下另一個(gè)空穴；空穴產(chǎn)生位移；(統(tǒng)稱載流子） 導(dǎo)帶中電子躍遷至價(jià)帶，填補(bǔ)空穴，既復(fù)合； 電子（-）、空穴（+）稱為載流子； 激發(fā)時(shí)電子吸

22、收能量，躍遷時(shí)電子輻射能量； Eg=h,65,激光器認(rèn)知,2、半導(dǎo)體中光的發(fā)射和激射原理(續(xù),本征半導(dǎo)體（I型）：雜質(zhì)、缺陷極少的純凈、完整的半導(dǎo)體。 電子半導(dǎo)體（N型）：通過摻雜使電子數(shù)目大大地多于空穴數(shù)目的半導(dǎo)體。（GaAs-Te） 空穴半導(dǎo)體（P型）：通過摻雜使空穴數(shù)目大大地多于電子數(shù)目的半導(dǎo)體。（GaAs-Zn） 在純凈的-族化合物中摻雜族元素（N型），或摻雜族元素（P型,66,激光器認(rèn)知,2、半導(dǎo)體中光的發(fā)射和激射原理(續(xù),p-n結(jié)：P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合的界面,67,激光器認(rèn)知,2、半導(dǎo)體中光的發(fā)射和激射原理(續(xù),擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)空間電荷勢(shì)壘自建電場(chǎng)VD平衡狀態(tài)。 費(fèi)米能級(jí)Ef：描述電

23、子能量狀態(tài)分布的假象能級(jí)， Ef以下的能級(jí)，電子占據(jù)的可能性大于1/2，空穴占據(jù)的可能性小于1/2； Ef以上的能級(jí)，空穴占據(jù)的可能性大于1/2，電子占據(jù)的可能性小于1/2。 摻雜：eVDEg為輕摻雜， eVDEg為重?fù)诫s。 在平衡狀態(tài)下，P區(qū)和N區(qū)有統(tǒng)一的Ef。 正電壓向V漂移運(yùn)動(dòng)抵消一部分勢(shì)壘（V-VD） 破壞平衡 P區(qū)和N區(qū)的Ef分離（準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí),68,激光器認(rèn)知,2、半導(dǎo)體中光的發(fā)射和激射原理(續(xù),Ef)N以下的能級(jí)，電子占據(jù)的可能性大于1/2， (Ef)P以上的能級(jí)，空穴占據(jù)的可能性大于1/2。 當(dāng)正向電壓足夠大時(shí)，產(chǎn)生復(fù)合發(fā)光,69,激光器認(rèn)知,2、半導(dǎo)體中光的發(fā)射和激射原理(續(xù),

24、普朗克定律：基態(tài)到激發(fā)態(tài)的躍遷吸收一個(gè)光子，激發(fā)態(tài)到基態(tài)的躍遷發(fā)射一個(gè)光子，光子的能量為h=E2-E1。 吸收激發(fā)：E1基態(tài)的電子吸收光子能量，激發(fā)到高能態(tài)E2； 自發(fā)輻射：E2能態(tài)的電子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，自發(fā)返回基態(tài)E1，自發(fā)輻射一個(gè)光子（位相隨機(jī)）。 受激輻射：E2能態(tài)的電子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，向下進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)，外來光子會(huì)激勵(lì)電子向下躍遷到基態(tài)E1，受激輻射一個(gè)光子（位相相同,70,激光器認(rèn)知,2、半導(dǎo)體中光的發(fā)射和激射原理(續(xù),粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（光放大的必要條件）：僅當(dāng)激發(fā)態(tài)的電子數(shù)大于基態(tài)中的電子數(shù)時(shí)，受激輻射超過吸收，要利用“泵浦（激勵(lì)）”方法。 有源區(qū)：實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，對(duì)光具有放大作用的區(qū)域。

25、光學(xué)諧振腔： 自發(fā)輻射光子 夾角大的逸出 受激輻射光子 全同光子,71,激光器認(rèn)知,2、半導(dǎo)體中光的發(fā)射和激射原理(續(xù),72,激光器認(rèn)知,2、半導(dǎo)體中光的發(fā)射和激射原理(續(xù),諧振腔的三功能：光放大、頻率選擇、正反饋。 閾值條件：增益必須大于損耗； 相位平衡條件：光波能因干涉而得到加強(qiáng)以形成正反饋（駐波）； fq 諧振頻率， q 諧振波長(zhǎng)， q 縱模,73,激光器認(rèn)知,2、半導(dǎo)體中光的發(fā)射和激射原理(續(xù),頻帶加寬：增益介質(zhì)的增益-頻率特性,74,激光器認(rèn)知,2、半導(dǎo)體中光的發(fā)射和激射原理(續(xù),橫模TEMmn ：激光振蕩垂直于腔軸方向，平面波偏離軸向傳播時(shí)產(chǎn)生的橫向電磁場(chǎng)模式,75,激光器認(rèn)知,3

26、、半導(dǎo)體發(fā)光二極管LED,利用半導(dǎo)體p-n結(jié)自發(fā)發(fā)光的器件。 特點(diǎn)：溫度特性好，輸出線性較好，沒有模式色散，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，壽命長(zhǎng),76,激光器認(rèn)知,3、半導(dǎo)體發(fā)光二極管LED(續(xù),面發(fā)光二極管,77,激光器認(rèn)知,3、半導(dǎo)體發(fā)光二極管LED(續(xù),邊發(fā)光二極管,78,激光器認(rèn)知,3、半導(dǎo)體發(fā)光二極管LED(續(xù),技術(shù)參數(shù)： 1.3m LED,79,激光器認(rèn)知,4、半導(dǎo)體激光二極管LD,同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié),80,激光器認(rèn)知,4、半導(dǎo)體激光二極管LD(續(xù),窄條雙質(zhì)結(jié)激光二極管,81,激光器認(rèn)知,4、半導(dǎo)體激光二極管LD(續(xù),82,激光器認(rèn)知,4、半導(dǎo)體激光二極管LD(續(xù),管芯制作工藝：InGaAsP雙異質(zhì)結(jié)

27、,83,激光器認(rèn)知,4、半導(dǎo)體激光二極管LD(續(xù),半導(dǎo)體激光器的特性：雙異質(zhì)結(jié)InGaAsP,84,激光器認(rèn)知,4、半導(dǎo)體激光二極管LD(續(xù),輸出光束示意圖： 兩異質(zhì)結(jié)-駐波-垂直橫模 平行有源層-駐波-水平橫模 兩個(gè)反射面-駐波-縱模 模式控制,85,激光器認(rèn)知,4、半導(dǎo)體激光二極管LD(續(xù),隱埋異質(zhì)結(jié)（BH,86,激光器認(rèn)知,4、半導(dǎo)體激光二極管LD(續(xù),平面隱埋異質(zhì)結(jié)（PBH,87,激光器認(rèn)知,4、半導(dǎo)體激光二極管LD(續(xù),雙溝平面隱埋異質(zhì)結(jié)（DC-BH,88,激光器認(rèn)知,4、半導(dǎo)體激光二極管LD(續(xù),脊型波導(dǎo)（RW,89,激光器認(rèn)知,4、半導(dǎo)體激光二極管LD(續(xù),光源與光纖的耦合,90,激光器認(rèn)知,4、半導(dǎo)體激光二極管LD(續(xù),光耦合透鏡系統(tǒng),91,激光器認(rèn)知,4、半導(dǎo)體激光二極管LD(續(xù),激光器封裝的目的： 隔絕環(huán)境，避免損