第五章 典型的激光器

1、第五章第五章 典型激光器典型激光器第一節(jié)第一節(jié) 激光器的分類及特點激光器的分類及特點第二節(jié)第二節(jié) 固體激光器固體激光器 第三節(jié)第三節(jié) 氣體激光器氣體激光器第四節(jié)第四節(jié) 半導體激光器半導體激光器5.1 5.1 激光器的分類和特點激光器的分類和特點 激光器的基本結構激光器的基本結構工作物質工作物質是激光器的核心是激光器的核心, ,是激光器產(chǎn)生光的受激輻射放大作是激光器產(chǎn)生光的受激輻射放大作用源泉之所在。用源泉之所在。泵浦源泵浦源為在工作物質中實現(xiàn)粒子數(shù)反轉分布提供所需能源。為在工作物質中實現(xiàn)粒子數(shù)反轉分布提供所需能源。工作物質類型不同工作物質類型不同, ,采用的泵浦方式不同。采用的泵浦方式不同。光

2、學諧振腔光學諧振腔則為激光振蕩的建立提供正反饋則為激光振蕩的建立提供正反饋, ,同時同時, ,諧振腔的諧振腔的參數(shù)影響輸出激光束的質量。參數(shù)影響輸出激光束的質量。二、按照激光工作物質二、按照激光工作物質1.1.氣體激光器氣體激光器 最常見的有氦最常見的有氦- -氖激光器、氬離子激光器、二氧化碳激光氖激光器、氬離子激光器、二氧化碳激光器、氦器、氦- -鎘激光器和銅蒸氣激光器等。鎘激光器和銅蒸氣激光器等。 多數(shù)采用多數(shù)采用高壓放電泵浦高壓放電泵浦。 19611961年，年，世界上第一臺氣體激光器世界上第一臺氣體激光器氦氖激光器氦氖激光器19641964年，二氧化碳激光器年，二氧化碳激光器19641

3、964年，氬離子激光器等幾種惰性氣體離子激光器年，氬離子激光器等幾種惰性氣體離子激光器19661966年，銅蒸氣激光器年，銅蒸氣激光器19681968年，氦年，氦- -鎘激光器，以鎘金屬蒸氣為發(fā)光物質鎘激光器，以鎘金屬蒸氣為發(fā)光物質 2 2固體激光器固體激光器固體工作物質通常是在固體工作物質通常是在基質材料基質材料, ,如晶體或玻璃中摻入少量的如晶體或玻璃中摻入少量的金屬離子金屬離子( (激活離子激活離子),),躍遷發(fā)生在激活離子不同工作能級之間。躍遷發(fā)生在激活離子不同工作能級之間。用作激活離子的元素可分為四類用作激活離子的元素可分為四類: :三價稀土金屬離子、二價稀三價稀土金屬離子、二價稀土

4、金屬離子、過渡金屬離子和錒系金屬離子。土金屬離子、過渡金屬離子和錒系金屬離子。用作基質材料的有：硅酸鹽、硼酸鹽、磷酸鹽玻璃等；金屬氧用作基質材料的有：硅酸鹽、硼酸鹽、磷酸鹽玻璃等；金屬氧化物、氟化物晶體等?；?、氟化物晶體等。典型代表是典型代表是紅寶石紅寶石(Cr(Cr3+3+:Al:Al2 2O O3 3 ) )激光器激光器、摻釹釔鋁石榴石摻釹釔鋁石榴石(Nd(Nd3+3+:YAG):YAG)激光器激光器、釹玻璃激光器釹玻璃激光器。p激勵方式：激勵方式：多采用多采用光泵浦光泵浦, ,泵浦光源主要有閃光燈和泵浦光源主要有閃光燈和LDLD兩類兩類p波長：波長：覆蓋范圍主要位于可見光覆蓋范圍主要位

5、于可見光近紅外波段。近紅外波段。p特點：特點：激光譜線數(shù)千條激光譜線數(shù)千條, ,具有輸出能量大具有輸出能量大( (多級釹玻璃脈沖激多級釹玻璃脈沖激光器光器, ,單脈沖輸出能量可達數(shù)萬焦單脈沖輸出能量可達數(shù)萬焦) )、運轉方式多樣等特點。、運轉方式多樣等特點。器件結構緊湊、牢固耐用、易于與光纖耦合進行光纖傳輸。器件結構緊湊、牢固耐用、易于與光纖耦合進行光纖傳輸。p應用：應用：工業(yè)、國防、科研、醫(yī)學等領域工業(yè)、國防、科研、醫(yī)學等領域, ,如激光測距、材料如激光測距、材料加工、激光醫(yī)療、激光光譜學、激光核聚變等方面。加工、激光醫(yī)療、激光光譜學、激光核聚變等方面。p19601960年年, ,世界上第一

6、臺固體激光器世界上第一臺固體激光器紅寶石激光器紅寶石激光器3 3半導體激光器：半導體激光器： 半導體激光器以半導體材料為工作物質。半導體激光器以半導體材料為工作物質。半導體激光二極管半導體激光二極管, ,或簡稱激光二極管或簡稱激光二極管(LD)(LD)常用的半導體材料主要有常用的半導體材料主要有: :砷化鎵砷化鎵(GaAs)(GaAs)、磷化銦、磷化銦(InP)(InP)、硫化鎘硫化鎘(CdS)(CdS)、碲錫鉛、碲錫鉛(PbSnTe)(PbSnTe)等。等。根據(jù)生成根據(jù)生成p-np-n結所用材料和結構的不同結所用材料和結構的不同, ,半導體激光器有同質半導體激光器有同質結、異質結結、異質結(

7、 (單、雙單、雙) )、量子阱等多種類型。、量子阱等多種類型。半導體激光器采用半導體激光器采用注入電流泵浦注入電流泵浦。p波長：波長：覆蓋范圍一般在近紅外波段覆蓋范圍一般在近紅外波段(920nm(920nm1.65m),1.65m),其中其中1.3m1.3m與與1.55m1.55m為光纖傳輸?shù)膬蓚€窗口。為光纖傳輸?shù)膬蓚€窗口。p特點：特點：能量轉換效率高、易于進行高速電流調制、超小型化、能量轉換效率高、易于進行高速電流調制、超小型化、結構簡單、使用壽命長結構簡單、使用壽命長( (一般可達數(shù)十萬乃至百萬小時以上一般可達數(shù)十萬乃至百萬小時以上) )等突出特點。等突出特點。p應用：應用：光纖通信、光存

8、儲、光信息處理、科研、醫(yī)療等領域光纖通信、光存儲、光信息處理、科研、醫(yī)療等領域, ,如激光光盤、激光高速印刷、全息照相、辦公自動化、激光如激光光盤、激光高速印刷、全息照相、辦公自動化、激光準直及激光醫(yī)療等方面。準直及激光醫(yī)療等方面。p19621962年年, ,世界上第一臺半導體激光器世界上第一臺半導體激光器GaAsGaAs激光器激光器。4 4液體激光器液體激光器p分為二類分為二類: :染料染料激光器激光器和無機液體激光器和無機液體激光器。典型代表是染料激光器典型代表是染料激光器，已獲已獲得廣泛的應用。得廣泛的應用。p激勵激勵方式：方式：多采用多采用光泵浦光泵浦, ,主要有激光泵浦和閃光燈泵浦主

9、要有激光泵浦和閃光燈泵浦p波長波長: :覆蓋范圍為紫外到近紅外波段覆蓋范圍為紫外到近紅外波段(300nm(300nm1.3m),1.3m),通過混頻等技術還通過混頻等技術還可將波長范圍擴展至真空紫外到中紅外波段。激光波長連續(xù)可調諧是染料激可將波長范圍擴展至真空紫外到中紅外波段。激光波長連續(xù)可調諧是染料激光器最重要的輸出特性。染料溶液的穩(wěn)定性比較差是這類器件的不足。光器最重要的輸出特性。染料溶液的穩(wěn)定性比較差是這類器件的不足。p應用應用: :科學研究、醫(yī)學等領域科學研究、醫(yī)學等領域, ,如激光光譜學、光化學、同位素分離、光生如激光光譜學、光化學、同位素分離、光生物學等方面。物學等方面。p1966

10、1966年年, ,世界上第一臺染料激光器世界上第一臺染料激光器由紅寶石激光器泵浦的氯鋁鈦花由紅寶石激光器泵浦的氯鋁鈦花青染料激光器青染料激光器。5 5化學激光器化學激光器p通過化學反應實現(xiàn)粒子數(shù)反轉從而產(chǎn)生受激光輻射的。通過化學反應實現(xiàn)粒子數(shù)反轉從而產(chǎn)生受激光輻射的。p工作物質可以是氣體或液體工作物質可以是氣體或液體, ,但目前主要是氣體但目前主要是氣體, ,如氟化氫如氟化氫(HF)(HF)、氟化氚、氟化氚(DF)(DF)等。等。p采用采用化學能激勵化學能激勵。為促成工作物質的化學反應。為促成工作物質的化學反應, ,一般需采用一些引發(fā)措一般需采用一些引發(fā)措施施, ,如光引發(fā)、電引發(fā)、化學引發(fā)等

11、。如光引發(fā)、電引發(fā)、化學引發(fā)等。p波長：覆蓋范圍為紫外到紅外波段波長：覆蓋范圍為紫外到紅外波段, ,直至微米波段。直至微米波段。p特點：功率高特點：功率高、能量輸出高、能量輸出高, ,無需外界提供泵浦源無需外界提供泵浦源, ,可將化學能直接轉換可將化學能直接轉換成激光能量是其突出特點成激光能量是其突出特點, ,特別適合于野外等無電源處工作。特別適合于野外等無電源處工作。p應用：國防應用：國防、科學研究等領域、科學研究等領域, ,如激光武器、同位素分離等。如激光武器、同位素分離等。p19641964年年, ,第一臺光解離碘原子化學激光器第一臺光解離碘原子化學激光器問世。問世。6 6自由電子激光器

12、自由電子激光器p是一種新型激光器。是一種新型激光器。p工作物質是相對論電子束。所謂相對論電子束是指通過電工作物質是相對論電子束。所謂相對論電子束是指通過電子加速器加速的高能電子。自由電子激光器將相對論電子子加速器加速的高能電子。自由電子激光器將相對論電子束的動能轉變?yōu)榧す廨椛淠?。束的動能轉變?yōu)榧す廨椛淠?。p泵浦源為空間周期磁場或電磁場泵浦源為空間周期磁場或電磁場。p具有非常高的能量轉換效率、輸出激光波長連續(xù)可調諧是具有非常高的能量轉換效率、輸出激光波長連續(xù)可調諧是自由電子激光器兩個最顯著的特點。自由電子激光器兩個最顯著的特點。p自由電子激光器在未來的生物、醫(yī)療、核能等領域具有重自由電子激光器在

13、未來的生物、醫(yī)療、核能等領域具有重要的應用前景要的應用前景 二、按照激光器工作方式劃分二、按照激光器工作方式劃分n激光器可分為連續(xù)輸出和脈沖輸出兩種方式激光器可分為連續(xù)輸出和脈沖輸出兩種方式, , 連續(xù)激光器連續(xù)激光器脈沖激光器脈沖激光器n按照激光技術的應用分為按照激光技術的應用分為調調Q Q激光器激光器鎖模激光器鎖模激光器穩(wěn)頻激光器穩(wěn)頻激光器可調諧激光器可調諧激光器n按照諧振腔腔型的不同分為按照諧振腔腔型的不同分為非穩(wěn)腔激光器非穩(wěn)腔激光器平面腔激光器平面腔激光器球面腔激光器等類型。球面腔激光器等類型。工作物質：由工作物質：由固體基質材料固體基質材料和和少量摻雜離子少量摻雜離子兩部分構成。其中

14、物理性能由兩部分構成。其中物理性能由基質材料體現(xiàn)基質材料體現(xiàn), ,而其光譜特性則由摻雜離子決定。而其光譜特性則由摻雜離子決定?；|材料有晶體和玻璃兩大類基質材料有晶體和玻璃兩大類：晶體又分為氧化物晶體和氟化物晶體。氧晶體又分為氧化物晶體和氟化物晶體。氧化物晶體如化物晶體如AlAl2 2O O3 3 , ,石榴石型晶體石榴石型晶體YAGYAG、YAPYAP。氟化物晶體如。氟化物晶體如CaFCaF、LiYFLiYF4 4 。玻璃則有硅酸鹽、硼酸鹽、磷酸鹽等。玻璃則有硅酸鹽、硼酸鹽、磷酸鹽等。摻雜離子有四類摻雜離子有四類: :(1)(1)三價稀土金屬離子三價稀土金屬離子: :如釹如釹(Nd(Nd3+

15、3+) )、鐠、鐠(Pr(Pr3+3+) )、釤、釤(Sm(Sm3+3+) )、銪、銪(Eu(Eu3+3+) )、(2)(2)二價稀土金屬離子二價稀土金屬離子, ,如釤如釤(Sm(Sm2+2+) )、鉺、鉺(Er(Er2+2+ ) )、銩、銩(Tm(Tm2+2+ ) )、鏑、鏑(Dy(Dy2+2+) )等等(3)(3)過渡金屬離子過渡金屬離子, ,如鈦如鈦(Ti(Ti3+3+) )、鉻、鉻(Cr)(Cr)、鎳、鎳(Ni(Ni3+ 3+ ) ) 、鈷、鈷(Co(Co3+3+) )等。等。(4)(4)錒系金屬離子錒系金屬離子, ,多具有放射性多具有放射性, ,不易制備不易制備, ,其中其中, ,只

16、有鈾只有鈾(U(U3+3+) )曾有所應用。曾有所應用。5.2 5.2 固體激光器固體激光器一、一般激光器一、一般激光器1.1.紅寶石激光器紅寶石激光器工作物質：工作物質：紅寶石棒（紅寶石棒（AlAlO O3 3晶體），其中晶體），其中摻摻0.05%0.05%的的GrGr3+3+。這些。這些GrGr3+3+濃度大約為濃度大約為 1.621.6210101919cmcm-3-3，替代了一部分，替代了一部分AlAl3+3+，紅寶，紅寶石激光器石激光器。 泵浦源泵浦源: :在在XeXe（氙）燈照射下，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉，產(chǎn)生受激輻射。（氙）燈照射下，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉，產(chǎn)生受激輻射。聚光腔：聚光腔：使光泵的

17、光更好的集中照射在激光棒上，采用圓柱面、單橢圓柱面使光泵的光更好的集中照射在激光棒上，采用圓柱面、單橢圓柱面、雙橢圓柱面、球面聚光腔。為提高對光線的反射率常采用黃銅或不銹鋼材料、雙橢圓柱面、球面聚光腔。為提高對光線的反射率常采用黃銅或不銹鋼材料，內壁經(jīng)拋光處理后鍍銀。，內壁經(jīng)拋光處理后鍍銀。光學諧振腔：光學諧振腔：多采用平行平面腔，為減小光斑尺寸也采用平凹腔。多采用平行平面腔，為減小光斑尺寸也采用平凹腔。三能級系統(tǒng)：三能級系統(tǒng)： 因而其器件閾值比較高因而其器件閾值比較高, ,只只能以能以。模式競爭：模式競爭：通常只產(chǎn)生通常只產(chǎn)生的激光。的激光。a a 躍遷到躍遷到E E和和2A2A上的粒子數(shù)服

18、從玻爾茲曼分上的粒子數(shù)服從玻爾茲曼分布，布，E:53%,2A:47%.E:53%,2A:47%.b b R R1 1線的強度線的強度RR2 2線，使線，使R R1 1線的受激輻射幾線的受激輻射幾率更高。率更高。因此因此R R1 1線先達到閾值形成激光振蕩。由于線先達到閾值形成激光振蕩。由于兩者能級差很小，粒子交換頻繁，兩者能級差很小，粒子交換頻繁，E E上的粒上的粒子躍遷后，子躍遷后，2A2A能級上的粒子迅速轉移到該能級上的粒子迅速轉移到該能級，從而進一步抑制了能級，從而進一步抑制了R R2 2線的振蕩。線的振蕩。優(yōu)點：優(yōu)點：機械強度和化學穩(wěn)定性高，能承受很高的激光功率密度，易生成較機械強度和

19、化學穩(wěn)定性高，能承受很高的激光功率密度，易生成較大尺寸；亞穩(wěn)態(tài)壽命長，儲能大，可獲得大能量輸出；熒光譜線較寬，易大尺寸；亞穩(wěn)態(tài)壽命長，儲能大，可獲得大能量輸出；熒光譜線較寬，易獲得大能量單模輸出；低溫性能優(yōu)良，輸出可見光。獲得大能量單模輸出；低溫性能優(yōu)良，輸出可見光。缺點：缺點：三能級系統(tǒng)，閾值高；隨溫度變化明顯，室溫下不適于做連續(xù)高頻三能級系統(tǒng)，閾值高；隨溫度變化明顯，室溫下不適于做連續(xù)高頻器件；激發(fā)效率較低，不適合連續(xù)工作；輸出發(fā)散角較大，方向性不好。器件；激發(fā)效率較低，不適合連續(xù)工作；輸出發(fā)散角較大，方向性不好。紅寶石激光器的應用紅寶石激光器的應用眼科：用于視網(wǎng)膜的焊接、治療青光眼、眼科

20、：用于視網(wǎng)膜的焊接、治療青光眼、虹膜的切除等；虹膜的切除等；皮膚科：皮膚科：694.3nm694.3nm的可見紅光最不易被氧的可見紅光最不易被氧化血紅蛋白吸收，而黑色素對其吸收率較化血紅蛋白吸收，而黑色素對其吸收率較高。高。利用光的干涉和衍射利用光的干涉和衍射原理，將物體發(fā)出的原理，將物體發(fā)出的特定波前以干涉條紋特定波前以干涉條紋的形式記錄下來，并的形式記錄下來，并在一定條件下使其再在一定條件下使其再現(xiàn)，形成元物體逼真現(xiàn)，形成元物體逼真的立體像。的立體像。在玉石上打孔在玉石上打孔2.2.摻釹釔鋁石榴石激光器摻釹釔鋁石榴石激光器(Nd(Nd3+3+:YAG):YAG)工作物質：工作物質：在基質晶

21、體在基質晶體YAG(YYAG(Y3 3AlAl5 5O O1212) )中摻中摻入入1%1%的的NdNd3+3+作激活離子形成。作激活離子形成。 四能級系統(tǒng)：四能級系統(tǒng)：閾值低，能在室溫下連續(xù)工閾值低，能在室溫下連續(xù)工作，作，是實用最廣泛的固體激光器是實用最廣泛的固體激光器。譜線競爭：譜線競爭：通常輸出兩種熒光，通常輸出兩種熒光，和和1.351.35m m，其中，其中1.0641.064m m比比1.351.35m m的熒的熒光約強四倍，光約強四倍，1.0641.064m m的譜線先起振，進的譜線先起振，進而抑制而抑制1.351.35m m譜線起振，所以通常只輸譜線起振，所以通常只輸出出1.0

22、641.064m m的激光。的激光。1.06m1.06m的受激躍遷截面的受激躍遷截面=8.8=8.81010-19-19cmcm2 2，是紅寶，是紅寶石石694694.3nm.3nm躍遷截面的躍遷截面的3535倍，倍，所以它的振蕩閾值低，容所以它的振蕩閾值低，容易實現(xiàn)易實現(xiàn)。3.3.釹玻璃激光器釹玻璃激光器n工作物質：工作物質：在硅酸鹽玻璃中摻入在硅酸鹽玻璃中摻入NdNd2 2O O3 3形成的，在不同種類的硅酸鹽玻璃形成的，在不同種類的硅酸鹽玻璃中中，NdNd3+3+的能級結構大同小異。的能級結構大同小異。n四能級系統(tǒng)：四能級系統(tǒng)：激光中心波長為激光中心波長為1.0591.059mm，激光譜

23、寬，激光譜寬5-10nm5-10nm，單色性極差。，單色性極差。因此需要的泵浦功率閾值很大，一般用因此需要的泵浦功率閾值很大，一般用的形式工作。的形式工作。n應用：應用：輸出功率很大，可用于材料加工、激光武器，激光放大等。輸出功率很大，可用于材料加工、激光武器，激光放大等。n優(yōu)點：優(yōu)點：工藝成熟，易獲得良好的光學均勻性，玻璃的形狀和尺寸也有較工藝成熟，易獲得良好的光學均勻性，玻璃的形狀和尺寸也有較大的可塑性。大的可塑性。n缺點：缺點：導熱率太低，熱彭系數(shù)太大，因此不適于制作連續(xù)器件和高頻運導熱率太低，熱彭系數(shù)太大，因此不適于制作連續(xù)器件和高頻運轉的器件，且在應用時要特別注意防止自身破壞。轉的器

24、件，且在應用時要特別注意防止自身破壞。二、板條激光器二、板條激光器(Slab Geometry Laser,SGL)n圓棒狀工作物質：溫度梯度方向與光傳播方向垂直，將產(chǎn)生嚴重的熱透圓棒狀工作物質：溫度梯度方向與光傳播方向垂直，將產(chǎn)生嚴重的熱透鏡效應和熱光畸變效應，光束質量低，限制了激光功率的進一步提高。鏡效應和熱光畸變效應，光束質量低，限制了激光功率的進一步提高。n板條狀工作物質：溫度梯度發(fā)生在板條厚度方向上，而光在厚度方向的板條狀工作物質：溫度梯度發(fā)生在板條厚度方向上，而光在厚度方向的兩側面兩側面( (即泵浦面即泵浦面) )上發(fā)生內全反射，呈鋸齒形光路在兩泵浦面之間傳播，上發(fā)生內全反射，呈鋸

25、齒形光路在兩泵浦面之間傳播，光傳播方向近似與溫度梯度方向平行，可基本避免熱透鏡效應和熱光畸光傳播方向近似與溫度梯度方向平行，可基本避免熱透鏡效應和熱光畸變效應，大幅度提高了激光輸出功率。變效應，大幅度提高了激光輸出功率。 單根板條激光器連續(xù)輸出功率已超過千瓦，脈沖輸出能量超過百焦單根板條激光器連續(xù)輸出功率已超過千瓦，脈沖輸出能量超過百焦耳，例如長耳，例如長X X寬寬X X厚厚=210 x25x6mm=210 x25x6mm3 3 的的Nd:YAGNd:YAG板條，輸出功率達板條，輸出功率達1.2kw1.2kw，斜，斜效率效率8.5%8.5%。 缺點是發(fā)散角較大，技術復雜。其發(fā)展方向是用大功率半

26、導體列陣缺點是發(fā)散角較大，技術復雜。其發(fā)展方向是用大功率半導體列陣激光器側向面泵浦，以獲得更高的效率和更好的光束質量。激光器側向面泵浦，以獲得更高的效率和更好的光束質量。 2012 2012年羅芬公司漢諾威國際金屬板材加工技術展覽會展出了其暢銷的板年羅芬公司漢諾威國際金屬板材加工技術展覽會展出了其暢銷的板條激光器，型號為條激光器，型號為DC 040DC 040的產(chǎn)品其平均輸出功率高達的產(chǎn)品其平均輸出功率高達40004000瓦特，其優(yōu)點在于瓦特，其優(yōu)點在于維護費用較低、光速質良好、穩(wěn)定可靠。目前，羅芬公司生產(chǎn)的輸出功率達維護費用較低、光速質良好、穩(wěn)定可靠。目前，羅芬公司生產(chǎn)的輸出功率達80008

27、000瓦的瓦的COCO2 2板條激光器已經(jīng)在世界各地投入使用了。板條激光器已經(jīng)在世界各地投入使用了。三、摻雜光纖激光器三、摻雜光纖激光器n光纖：光導纖維的簡寫，是一種利用光在玻璃或塑料制成的光纖：光導纖維的簡寫，是一種利用光在玻璃或塑料制成的纖維中的全反射原理而達成的光傳導工具。纖維中的全反射原理而達成的光傳導工具。n光在光導纖維中的傳導損耗比電在電線傳導的損耗低得多，光在光導纖維中的傳導損耗比電在電線傳導的損耗低得多，光纖被用作長距離的信息傳遞。光纖被用作長距離的信息傳遞。1.1.光纖光纖 以稀土摻雜光纖激光器為例，摻有稀土離子的光纖芯作為增益介以稀土摻雜光纖激光器為例，摻有稀土離子的光纖芯

28、作為增益介質，摻雜光纖固定在兩個反射鏡間構成諧振腔，泵浦光從質，摻雜光纖固定在兩個反射鏡間構成諧振腔，泵浦光從M M1 1入射到光纖入射到光纖中，從中，從M M2 2輸出激光。當泵浦光通過光纖時，光纖中的稀土離子吸收泵浦輸出激光。當泵浦光通過光纖時，光纖中的稀土離子吸收泵浦光，其電子被激勵到較高的激發(fā)能級上，實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉。反轉后的光，其電子被激勵到較高的激發(fā)能級上，實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉。反轉后的粒子以輻射形成從高能級轉移到基態(tài)，輸出激光。粒子以輻射形成從高能級轉移到基態(tài)，輸出激光。特點：特點：光纖的纖心很小，纖內易形成高功率密度，轉換效率高、激光閾光纖的纖心很小，纖內易形成高功率密度，轉換效率

29、高、激光閾值低、激光質量好；輸出的激光譜線多；光纖的柔繞性很好，易散熱。值低、激光質量好；輸出的激光譜線多；光纖的柔繞性很好，易散熱。2.2.光纖激光器光纖激光器3.3.優(yōu)點優(yōu)點（1 1）成本低、技術成熟及其光纖的可饒性所帶來的小型化、集約化優(yōu)勢；）成本低、技術成熟及其光纖的可饒性所帶來的小型化、集約化優(yōu)勢；（2 2）玻璃光纖對入射泵浦光不需要像晶體那樣的嚴格的相位匹配，這是由于玻璃基質分裂引起的）玻璃光纖對入射泵浦光不需要像晶體那樣的嚴格的相位匹配，這是由于玻璃基質分裂引起的非均勻展寬造成吸收帶較寬的緣故；非均勻展寬造成吸收帶較寬的緣故；（3 3）具有極低的體積面積比，散熱快、損耗低，轉換效

30、率較高，閾值低；）具有極低的體積面積比，散熱快、損耗低，轉換效率較高，閾值低；（4 4）輸出激光波長多：稀土離子能級非常豐富及其稀土離子種類之多；）輸出激光波長多：稀土離子能級非常豐富及其稀土離子種類之多；（5 5）可調諧性：由于稀土離子能級寬和玻璃光纖的熒光譜較寬。）可調諧性：由于稀土離子能級寬和玻璃光纖的熒光譜較寬。（6 6）諧振腔內無光學鏡片，具有免調節(jié)、免維護、高穩(wěn)定性的優(yōu)點，這是傳統(tǒng)激光器無法比擬的。）諧振腔內無光學鏡片，具有免調節(jié)、免維護、高穩(wěn)定性的優(yōu)點，這是傳統(tǒng)激光器無法比擬的。（7 7）光纖導出，能輕易勝任各種多維空間加工應用，使機械系統(tǒng)的設計變得非常簡單。）光纖導出，能輕易勝

31、任各種多維空間加工應用，使機械系統(tǒng)的設計變得非常簡單。（8 8）對灰塵、震蕩、沖擊、濕度、溫度具有很高的容忍度。）對灰塵、震蕩、沖擊、濕度、溫度具有很高的容忍度。（9 9）不需熱電制冷和水冷，只需簡單的風冷。）不需熱電制冷和水冷，只需簡單的風冷。（1010）高的電光效率：綜合電光效率高達）高的電光效率：綜合電光效率高達20%20%以上，大幅度節(jié)約工作時的耗電，節(jié)約運行成本。以上，大幅度節(jié)約工作時的耗電，節(jié)約運行成本。（1111）高功率）高功率, ,商用化的光纖激光器是六千瓦。商用化的光纖激光器是六千瓦。4.4.應用應用n光纖通信、激光空間遠距詢信、造船、汽車制造、激光雕刻機、激光打光纖通信、激

32、光空間遠距詢信、造船、汽車制造、激光雕刻機、激光打標機、激光切割機、印刷制輥、金屬非金屬鉆孔標機、激光切割機、印刷制輥、金屬非金屬鉆孔/ /切割切割/ /焊接（銅焊、淬焊接（銅焊、淬水水. .包層以及深度焊接）、軍事國防安全、醫(yī)療器械儀器設備、大型基包層以及深度焊接）、軍事國防安全、醫(yī)療器械儀器設備、大型基礎建設等。礎建設等。n光纖激光器作為第三代激光技術的代表，具有其他激光器無可比擬的技光纖激光器作為第三代激光技術的代表，具有其他激光器無可比擬的技術優(yōu)越性。不過，在短期內，光纖激光器將主要聚焦在高端用途上，隨術優(yōu)越性。不過，在短期內，光纖激光器將主要聚焦在高端用途上，隨光纖激光器的普及，成本

33、的降低以及產(chǎn)能的提高，最終將可能會替代掉光纖激光器的普及，成本的降低以及產(chǎn)能的提高，最終將可能會替代掉全球大部分高功率全球大部分高功率COCO2 2激光器和絕大部分激光器和絕大部分YAGYAG激光器。激光器。四、摻鈦藍寶石激光器四、摻鈦藍寶石激光器n鈦寶石晶體不僅具有良好的熱傳導和機械性能鈦寶石晶體不僅具有良好的熱傳導和機械性能, ,較高的飽和較高的飽和通量通量, , 更重要的是它寬于更重要的是它寬于500nm 500nm 的波長調諧范圍為現(xiàn)存的的波長調諧范圍為現(xiàn)存的任何激光介質所無法比擬。任何激光介質所無法比擬。n利用不同的泵浦源和泵浦方式利用不同的泵浦源和泵浦方式, , 人們成功地研制了各

34、種鈦寶人們成功地研制了各種鈦寶石激光器。石激光器。n鈦寶石激光器的優(yōu)點還在于其結構簡單和工作穩(wěn)定鈦寶石激光器的優(yōu)點還在于其結構簡單和工作穩(wěn)定, , 所以它所以它已經(jīng)在許多方面替代了長期占據(jù)激光領域的染料激光器的地已經(jīng)在許多方面替代了長期占據(jù)激光領域的染料激光器的地位。位。五、五、LDLD泵浦的固體激光器泵浦的固體激光器n半導體泵浦固體激光器，是近年來國際上發(fā)展最快，應用較廣的新型激光半導體泵浦固體激光器，是近年來國際上發(fā)展最快，應用較廣的新型激光器。該類型的激光器利用輸出固定波長的器。該類型的激光器利用輸出固定波長的LD代替了傳統(tǒng)的氪燈或氙燈來代替了傳統(tǒng)的氪燈或氙燈來對激光晶體進行泵浦，被稱為

35、第二代的激光器。對激光晶體進行泵浦，被稱為第二代的激光器。n是一種高效率、長壽命、光束質量高、穩(wěn)定性好、結構緊湊小型化的第二是一種高效率、長壽命、光束質量高、穩(wěn)定性好、結構緊湊小型化的第二代新型固體激光器，在空間通訊，光纖通信，大氣研究，環(huán)境科學，醫(yī)療代新型固體激光器，在空間通訊，光纖通信，大氣研究，環(huán)境科學，醫(yī)療器械，光學圖象處理，激光打印機等高科技領域有著獨具特色的應用前景。器械，光學圖象處理，激光打印機等高科技領域有著獨具特色的應用前景。優(yōu)點優(yōu)點低功耗：傳統(tǒng)的燈泵浦激光器的轉換效率大約只有低功耗：傳統(tǒng)的燈泵浦激光器的轉換效率大約只有3%3%左右，能量大部分左右，能量大部分轉換成了熱能，造

36、成了極大的能源浪費。而半導體泵浦固體激光器被激轉換成了熱能，造成了極大的能源浪費。而半導體泵浦固體激光器被激光晶體吸收的光晶體吸收的808nm808nm波長的激光，光光轉換效率可高達波長的激光，光光轉換效率可高達40%40%以上。以上。性能可靠、壽命長：激光二極管的壽命大大長于閃光燈，達性能可靠、壽命長：激光二極管的壽命大大長于閃光燈，達1500015000小時小時以上，閃光燈的壽命只有以上，閃光燈的壽命只有30010003001000小時。泵浦能量穩(wěn)定性好，比閃光小時。泵浦能量穩(wěn)定性好，比閃光燈泵浦優(yōu)一個能量級，性能可靠，可制成全固化器件。運行壽命長，成燈泵浦優(yōu)一個能量級，性能可靠，可制成全

37、固化器件。運行壽命長，成為至今為止唯一無需維護的激光器，尤其適用于大規(guī)模生產(chǎn)線。為至今為止唯一無需維護的激光器，尤其適用于大規(guī)模生產(chǎn)線。輸出光束質量好：由于半導體泵浦激光的高轉換效率，減少了激光工作輸出光束質量好：由于半導體泵浦激光的高轉換效率，減少了激光工作物質的熱透鏡效應，大大改善了激光器的輸出光束質量，激光光束質量物質的熱透鏡效應，大大改善了激光器的輸出光束質量，激光光束質量已接近理論極限。已接近理論極限。分類分類n可以是連續(xù)的、脈沖的、調可以是連續(xù)的、脈沖的、調Q Q的，以及加倍頻混頻等非線性轉換的。工作的，以及加倍頻混頻等非線性轉換的。工作物質的形狀有圓柱和板條狀。泵浦的耦合方式可為

38、端面泵浦和側面泵浦。物質的形狀有圓柱和板條狀。泵浦的耦合方式可為端面泵浦和側面泵浦。其中端面泵浦方式適用于中小功率固體激光器，具有體積小、結構簡單、空其中端面泵浦方式適用于中小功率固體激光器，具有體積小、結構簡單、空間模式匹配好等優(yōu)點。側面泵浦方式主要應用于大功率激光器。間模式匹配好等優(yōu)點。側面泵浦方式主要應用于大功率激光器。5.3 5.3 氣體激光器氣體激光器n原子氣體激光器：典型代表是原子氣體激光器：典型代表是HeHe- -NeNe激光器激光器。n分子激光器：分子激光器：典型典型代表代表COCO2 2激光器激光器、N N2 2激光器和準分子激光器。激光器和準分子激光器。n離子激光器：典型代

39、表是離子激光器：典型代表是ArAr+ +和和HeCdHeCd離子激光器。離子激光器。特點：特點：n光學均勻性一般都比較好，在單色性和光束穩(wěn)定性方面都比固體激光器、光學均勻性一般都比較好，在單色性和光束穩(wěn)定性方面都比固體激光器、半導體激光器和液體半導體激光器和液體( (染料染料) )激光器優(yōu)越。激光器優(yōu)越。n激光譜線極為豐富，達數(shù)千種，分布在從真空紫外到遠紅外波段范圍內。激光譜線極為豐富，達數(shù)千種，分布在從真空紫外到遠紅外波段范圍內。n濃度不高，多數(shù)氣體激光器都有瞬時功率不高的特點。濃度不高，多數(shù)氣體激光器都有瞬時功率不高的特點。 n多多采用氣體放電或電子束激勵的方法以實現(xiàn)泵浦采用氣體放電或電子

40、束激勵的方法以實現(xiàn)泵浦n工作氣體中，除能產(chǎn)生激光發(fā)射的氣體之外，一般還含有一些輔助氣體，工作氣體中，除能產(chǎn)生激光發(fā)射的氣體之外，一般還含有一些輔助氣體，如各種惰性氣體及氮、氧等。如各種惰性氣體及氮、氧等。一、氦氖激光器一、氦氖激光器n19611961年研制成功的第一種氣體激光器，也是最常用的一種。年研制成功的第一種氣體激光器，也是最常用的一種。n通常在可見光頻段（通常在可見光頻段（632.8nm632.8nm）工作，其他還有）工作，其他還有1.15m1.15m及及3.39m3.39m。目。目前已獲得前已獲得612nm612nm、594nm594nm、543nm543nm的激光輸出。的激光輸出。

41、n功率一般約數(shù)毫瓦，連續(xù)發(fā)光。放電管長功率一般約數(shù)毫瓦，連續(xù)發(fā)光。放電管長1-21-2米的激光器輸出功率科大米的激光器輸出功率科大數(shù)十毫瓦，最大可達數(shù)十毫瓦，最大可達1W1W。n制造方便、較便宜、可靠、光束質量好（發(fā)散角小于制造方便、較便宜、可靠、光束質量好（發(fā)散角小于1mrad1mrad，帶寬小于，帶寬小于20Hz20Hz）n四能級系統(tǒng)。四能級系統(tǒng)。1.HeNe1.HeNe激光器的結構激光器的結構nHeNeHeNe激光器的結構形式很多，但都是由激光器的結構形式很多，但都是由激光管激光管和和激光電源激光電源組成。激光管由組成。激光管由放電管放電管、電極電極和和光學諧振腔光學諧振腔組成。組成。

42、M1M2陽極儲氣套放電毛細管陰極圖圖1 1 內腔式內腔式HeNeHeNe激光器的結構激光器的結構放電管放電管l通常由毛細管和貯氣室構成，是產(chǎn)生激光的地方。放電管中充入一定通常由毛細管和貯氣室構成，是產(chǎn)生激光的地方。放電管中充入一定比例的氦比例的氦(He)(He)、氖、氖(Ne)(Ne)氣體氣體( (氣壓比氣壓比5:1-7:15:1-7:1），當電極加上高電壓后，），當電極加上高電壓后，毛細管中的氣體開始放電使氖原子受激發(fā)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉。毛細管中的氣體開始放電使氖原子受激發(fā)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉。l貯氣室與毛細管相連，并不發(fā)生氣體放電，其作用是補償因慢漏氣及貯氣室與毛細管相連，并不發(fā)生氣體放電，其作用是

43、補償因慢漏氣及管內元件放氣或吸附氣體造成管內元件放氣或吸附氣體造成HeHe、NeNe氣體比例及總氣壓發(fā)生的變化，氣體比例及總氣壓發(fā)生的變化，延長器件的壽命。延長器件的壽命。 l He-Ne He-Ne激光管的陽極一般用鎢棒制成，陰極多用電子發(fā)射率高和濺射激光管的陽極一般用鎢棒制成，陰極多用電子發(fā)射率高和濺射率小的鋁及其合金制成。率小的鋁及其合金制成。 為了增加電子發(fā)射面積和減小陰極濺射，一般都把陰極做成圓筒狀，為了增加電子發(fā)射面積和減小陰極濺射，一般都把陰極做成圓筒狀，然后用鎢棒引到管外。然后用鎢棒引到管外。電極電極諧振腔諧振腔uHe-NeHe-Ne激光器由于增益低，激光器由于增益低，諧振腔一

44、般采用諧振腔一般采用平凹腔平凹腔，平，平面鏡為輸出鏡，透過率約面鏡為輸出鏡，透過率約1%1%2 2，凹面鏡為全反射，凹面鏡為全反射鏡。鏡。uHe-NeHe-Ne激光管的結構按諧振激光管的結構按諧振腔與放電管的放置方式不同腔與放電管的放置方式不同可分可分內腔式內腔式、外腔式外腔式和和半內半內腔式腔式。按陰極及貯氣室位置。按陰極及貯氣室位置的不同又可分為同軸式、旁的不同又可分為同軸式、旁軸式和單細管式。軸式和單細管式。圖圖2 HeNe2 HeNe激光器的基本結構形式激光器的基本結構形式2.HeNe2.HeNe激光器工作原理激光器工作原理nHe-NeHe-Ne激光器是利用原子中的激光器是利用原子中的

45、電子電子電子能級之間的躍遷。電子能級之間的躍遷。它可以在它可以在0.6328 0.6328 m m,3.39 ,3.39 m m和和1.15 1.15 m m三個中的任何一個三個中的任何一個波長上實現(xiàn)激光振蕩。波長上實現(xiàn)激光振蕩。nHe-NeHe-Ne激光器是典型的四能級激光器是典型的四能級系統(tǒng)，能級結構如圖系統(tǒng)，能級結構如圖3 3所示。所示。 泵浦激發(fā)機制：在泵浦激發(fā)機制：在He-NeHe-Ne混合氣體中進行直流放電時，高能電子把混合氣體中進行直流放電時，高能電子把HeHe原子由基原子由基態(tài)激發(fā)到激發(fā)態(tài)，態(tài)激發(fā)到激發(fā)態(tài)，2 21 1s s0 0和和2 23 3s s2 2作為吸收帶。通過近共

46、振能量轉移，使作為吸收帶。通過近共振能量轉移，使NeNe原子激原子激發(fā)到發(fā)到2s2s2 2和和2S2S3 3能級上作為激光上能級能級上作為激光上能級n0.63280.6328 m m和和3.393.39 m m兩種振蕩具有同一個上能級兩種振蕩具有同一個上能級, ,因此它們之間存在著較因此它們之間存在著較強的譜線競爭。強的譜線競爭。3P3P4 4的壽命比的壽命比2P2P4 4的短，允許建立起相應于的短，允許建立起相應于3.393.39 m m振蕩的振蕩的大的反轉分布大的反轉分布, ,使得使得3.393.39 m m振蕩的增益大于振蕩的增益大于0.63280.6328 m m振蕩的增益，所以振蕩的

47、增益，所以3.393.39 m m首先達到閾值，正常的振蕩發(fā)生在首先達到閾值，正常的振蕩發(fā)生在3.393.39 m m而不是而不是0.6328 0.6328 m m 。一。一旦旦3.393.39 m m振蕩發(fā)生，振蕩發(fā)生，3S3S上的反轉數(shù)被消耗，上的反轉數(shù)被消耗，0.63280.6328 m m的增益受到抑制，的增益受到抑制，阻礙了阻礙了3S3S上原子數(shù)的進一步增加，因此限制了上原子數(shù)的進一步增加，因此限制了0.63280.6328 m m振蕩的發(fā)生。振蕩的發(fā)生。為為了了保證保證0.63280.6328 m m的的振蕩振蕩，必須抑制，必須抑制3.393.39 m m振蕩。振蕩。n0.6328

48、0.6328 m m與與1.151.15 m m振蕩共同使用一個下能級，因而也將發(fā)生譜線競爭。振蕩共同使用一個下能級，因而也將發(fā)生譜線競爭。這兩條譜線間的競爭較這兩條譜線間的競爭較0.63280.6328 m m和和3.393.39 m m兩條譜線間的競爭弱一些。兩條譜線間的競爭弱一些。3.3.輸出功率的影響因素輸出功率的影響因素 毛細管的長度和直徑、諧振腔的損耗、輸出耦合、放電電流、毛細管的長度和直徑、諧振腔的損耗、輸出耦合、放電電流、HeHe和和NeNe的比例以及氣體的壓強等都會影響工作物質的增益吸收系數(shù)，從而影響的比例以及氣體的壓強等都會影響工作物質的增益吸收系數(shù)，從而影響He-He-N

49、eNe激光器的輸出功率。激光器的輸出功率。二、二、 A A r r+ +離子激光器離子激光器n離子激光器是目前可見光區(qū)最強的相干光源。離子激光器是目前可見光區(qū)最強的相干光源。n離子氣體激光器輸出的波長范圍很寬，從紫外離子氣體激光器輸出的波長范圍很寬，從紫外23582358一直到近紅外一直到近紅外1.3551.355 m m，已觀察到，已觀察到400400多條譜線，大多數(shù)落在可見光范圍。多條譜線，大多數(shù)落在可見光范圍。n一般分為氣體離子激光器（它包括惰性氣體離子激光器和分子氣體一般分為氣體離子激光器（它包括惰性氣體離子激光器和分子氣體離子激光器）和金屬蒸氣離子激光器。離子激光器）和金屬蒸氣離子激

50、光器。n氬離子激光器是一種惰性氣體離子激光器。它輸出的激光波長主要氬離子激光器是一種惰性氣體離子激光器。它輸出的激光波長主要是是0.48800.4880 m m和和0.51450.5145 m m的藍綠光。連續(xù)輸出功率一般為幾瓦到幾十的藍綠光。連續(xù)輸出功率一般為幾瓦到幾十瓦，高者可達一百多瓦，是目前在可見區(qū)連續(xù)輸出功率最高的激光瓦，高者可達一百多瓦，是目前在可見區(qū)連續(xù)輸出功率最高的激光器。器。1.1.氬離子激光器的結構氬離子激光器的結構n 氬離子激光器的結構包括放電管、電極、回氣管、諧振氬離子激光器的結構包括放電管、電極、回氣管、諧振腔、軸向磁場等部分，如圖腔、軸向磁場等部分，如圖6 6所示。

51、所示。2.2.氬離子激光器的工作特性氬離子激光器的工作特性（1 1）光譜特性：主要輸出）光譜特性：主要輸出488nm488nm和和514.5nm514.5nm的光。的光。（2 2）輸出功率與工作電流的關系。）輸出功率與工作電流的關系。（3 3）輸出功率與氣壓的關系。）輸出功率與氣壓的關系。3.3.氬離子激光器的應用氬離子激光器的應用三、三、COCO2 2激光器激光器n二氧化碳激光器，可稱二氧化碳激光器，可稱“隱身人隱身人”，因為它發(fā)出的激光波長為，因為它發(fā)出的激光波長為10.6 10.6 微米，微米，“身身”處紅外區(qū)，肉眼不能覺察，它的工作方式有連續(xù)、脈處紅外區(qū)，肉眼不能覺察，它的工作方式有連

52、續(xù)、脈沖兩種。連續(xù)方式產(chǎn)生的激光功率可達沖兩種。連續(xù)方式產(chǎn)生的激光功率可達20 20 千瓦以上。脈沖方式產(chǎn)生千瓦以上。脈沖方式產(chǎn)生波長波長10.6 10.6 微米的激光也是最強大的一種激光。微米的激光也是最強大的一種激光。n人們已用它來人們已用它來“打打”出原子核中的中子。二氧化碳激光器的出現(xiàn)是出原子核中的中子。二氧化碳激光器的出現(xiàn)是激光發(fā)展中的重大進展，也是光武器和核聚變研究中的重大成果。激光發(fā)展中的重大進展，也是光武器和核聚變研究中的重大成果。最普通的二氧化碳激光器是一支長最普通的二氧化碳激光器是一支長1 1 米左右的放電管。它產(chǎn)生的激米左右的放電管。它產(chǎn)生的激光是看不見的，在磚上足以把磚

53、頭燒到發(fā)出耀眼的白光。光是看不見的，在磚上足以把磚頭燒到發(fā)出耀眼的白光。1.CO1.CO2 2激光器的結構激光器的結構lCOCO2 2激光器的種類多，應用廣泛。從結構來看，激光器的種類多，應用廣泛。從結構來看，COCO2 2激光器可分為激光器可分為 ： (1) (1)縱向封離型激光器；縱向封離型激光器；(2)(2)縱向流動激光器；縱向流動激光器；(3)(3)橫向流動激光器；橫向流動激光器；(4)(4)橫向激勵高氣壓激光器橫向激勵高氣壓激光器(TEA)(TEA)；(5)(5)射頻激勵激光器；（射頻激勵激光器；（6 6）波導）波導COCO2 2激光激光器；（器；（7 7）氣動激光器。）氣動激光器。

54、縱向封離型激光器橫向流動激光器2.2.二氧化碳激光器的工作原理二氧化碳激光器的工作原理3.3.二氧化碳激光器的應用二氧化碳激光器的應用四、準分子光器四、準分子光器n準分子是束縛在電子激發(fā)態(tài)的分子，是一種處于激發(fā)態(tài)的復合分子，無穩(wěn)定的準分子是束縛在電子激發(fā)態(tài)的分子，是一種處于激發(fā)態(tài)的復合分子，無穩(wěn)定的基態(tài)。很快自動地離解成原子或其它分子團，從它產(chǎn)生到消失的時間只有幾十基態(tài)。很快自動地離解成原子或其它分子團，從它產(chǎn)生到消失的時間只有幾十毫微秒。毫微秒。 n準分子分兩類；一類是同核二聚物，另一類是異核型準分子準分子分兩類；一類是同核二聚物，另一類是異核型準分子 ，如惰性氣體的氧，如惰性氣體的氧化物和

55、鹵化物等，以及金屬鹵化物等。化物和鹵化物等，以及金屬鹵化物等。特點：特點：n準分子壽命很短，只有準分子壽命很短，只有1010-8-8秒，激光躍遷的下能級是排斥態(tài)或壽命非常短秒，激光躍遷的下能級是排斥態(tài)或壽命非常短( (只有只有1010-13-13秒秒) )的弱束縛態(tài)，這就是說激光下能級總是空的。的弱束縛態(tài)，這就是說激光下能級總是空的。 n與其它分子激光器屬于束縛與其它分子激光器屬于束縛束縛輻射躍遷的情形不同，準分子激光器屬于束束縛輻射躍遷的情形不同，準分子激光器屬于束縛縛- -自由輻射躍遷。由于不存在明確的振動自由輻射躍遷。由于不存在明確的振動轉動躍遷，所以躍遷是寬帶的。轉動躍遷，所以躍遷是寬

56、帶的。n這就導致準分子激光器具有很高的閾值泵浦功率。當然，寬帶輻射容易實現(xiàn)可這就導致準分子激光器具有很高的閾值泵浦功率。當然，寬帶輻射容易實現(xiàn)可調諧激光發(fā)射。調諧激光發(fā)射。 5.4 5.4 半導體激光器半導體激光器一、半導體物理基礎知識一、半導體物理基礎知識二、半導體激光器的工作原理二、半導體激光器的工作原理三、半導體激光器的工作特性及參數(shù)三、半導體激光器的工作特性及參數(shù)四、半導體激光器的典型應用和發(fā)展前景四、半導體激光器的典型應用和發(fā)展前景非導體非導體導體導體絕緣體絕緣體半導體半導體非導體：非導體：電子恰好填滿能量最低的一系列能帶，再高的各能電子恰好填滿能量最低的一系列能帶，再高的各能帶全部

57、都是空帶，由于滿帶不產(chǎn)生電流，所以不導電。帶全部都是空帶，由于滿帶不產(chǎn)生電流，所以不導電。價帶價帶價帶價帶價帶價帶空帶空帶空帶空帶導帶導帶導導 體：體：電子除填滿一系列能帶外，還有只是部分地被電電子除填滿一系列能帶外，還有只是部分地被電子填充的能帶，后者起到導電作用，稱為導帶。子填充的能帶，后者起到導電作用，稱為導帶。FEFEFEVEge10約VEge1約一、半導體物理基礎知識一、半導體物理基礎知識v 滿滿 帶：帶：能帶中所有的能態(tài)均已被電子所填滿。最高的滿帶又稱價帶。能帶中所有的能態(tài)均已被電子所填滿。最高的滿帶又稱價帶。v 導導 帶：帶：一個能帶中只有部分能態(tài)填有電子，而其余一個能帶中只有部

58、分能態(tài)填有電子，而其余 的能態(tài)為沒有電的能態(tài)為沒有電子填充的空態(tài)。最低的空帶也稱為導帶。子填充的空態(tài)。最低的空帶也稱為導帶。v 帶帶 隙：隙：價帶頂與導帶底之間的能量范圍。價帶頂與導帶底之間的能量范圍。v 近滿帶：近滿帶：一個能帶的絕大部分能態(tài)已填有電子，只有少數(shù)能態(tài)是空的。一個能帶的絕大部分能態(tài)已填有電子，只有少數(shù)能態(tài)是空的。v 空空 穴：穴：近滿帶中大量電子在外電場作用下所產(chǎn)生的電流近滿帶中大量電子在外電場作用下所產(chǎn)生的電流, ,可等效為可等效為具有正電荷具有正電荷q q和正有效質量和正有效質量m m* *, ,速度為速度為v(k)v(k)的準經(jīng)典粒子所產(chǎn)生的電流的準經(jīng)典粒子所產(chǎn)生的電流.

59、 .這這樣的準經(jīng)典離子稱為空穴。樣的準經(jīng)典離子稱為空穴。本征半導體：本征半導體：完全不含雜質且無晶格缺陷的純凈半導體。完全不含雜質且無晶格缺陷的純凈半導體。 如如SiSi、GeGe的單晶體結構，電子濃度的單晶體結構，電子濃度= =空穴濃度空穴濃度 本征激發(fā)導電，載流子少，導電性差，溫度穩(wěn)定性差！本征激發(fā)導電，載流子少，導電性差，溫度穩(wěn)定性差！雜質半導體：雜質半導體：在本征半導體中摻入某些微量元素作為雜質，可使半導體的在本征半導體中摻入某些微量元素作為雜質，可使半導體的導電性發(fā)生顯著變化。導電性發(fā)生顯著變化。 N N型半導體型半導體導電主要靠電子的運動導電主要靠電子的運動 P P型半導體型半導體

60、導電主要靠空穴的運動導電主要靠空穴的運動 雜質的能級均位于帶隙中，根據(jù)雜質是接收電子還是提供電子又分為雜質的能級均位于帶隙中，根據(jù)雜質是接收電子還是提供電子又分為施主能級和受主能級。施主能級和受主能級。PN結結半導體二極管半導體二極管二、半導體激光器的工作原理二、半導體激光器的工作原理 在在pnpn結加上正向偏置電壓后，電結加上正向偏置電壓后，電子從子從N N區(qū)向區(qū)向P P區(qū)流動，空穴從區(qū)流動，空穴從P P區(qū)向區(qū)向N N區(qū)區(qū)流動，在作用區(qū)內，電子和空穴復合流動，在作用區(qū)內，電子和空穴復合產(chǎn)生光子。當注入電流較小時，注入產(chǎn)生光子。當注入電流較小時，注入結區(qū)的電子和空穴數(shù)目較少，此時只結區(qū)的電子和