激光原理 第五章

1、12 第五章典型激光器介紹第五章典型激光器介紹5.1 5.1 固體激光器固體激光器5.2 5.2 氣體激光器氣體激光器5.3 5.3 染料激光器染料激光器5.4 5.4 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器5.5 5.5 其他激光器其他激光器第五章第五章 典型激光器介紹典型激光器介紹35.1 1960-5-17，Ted Maiman 發(fā)明第一臺(tái)激光器發(fā)明第一臺(tái)激光器第五章第五章 典型激光器介紹典型激光器介紹55.1.1 5.1.1 固體激光器的基本結(jié)構(gòu)與工作物質(zhì)固體激光器的基本結(jié)構(gòu)與工作物質(zhì) 圖圖5-15-1是長(zhǎng)脈沖固體激光器的基本結(jié)構(gòu)示意圖是長(zhǎng)脈沖固體激光器的基本結(jié)構(gòu)示意圖( (冷卻、濾光系冷卻、濾光系

2、 統(tǒng)未畫出統(tǒng)未畫出) )。 圖圖5-1 固體激光器的基本結(jié)構(gòu)示意圖固體激光器的基本結(jié)構(gòu)示意圖激光工作物質(zhì)激光工作物質(zhì)泵浦源泵浦源聚光腔聚光腔諧振腔諧振腔冷卻與濾光冷卻與濾光輸出能量大輸出能量大峰值功率高峰值功率高結(jié)構(gòu)緊湊，牢固耐用結(jié)構(gòu)緊湊，牢固耐用第五章第五章 典型激光器介紹典型激光器介紹62.2.紅寶石激光器紅寶石激光器l紅寶石是在三氧化二鋁紅寶石是在三氧化二鋁(A1(A12 2O O3 3) )中摻入少量的氧化鉻中摻入少量的氧化鉻(Cr(Cr2 2O O3 3) )生生長(zhǎng)成的晶體。它的吸收光譜特性主要取決于長(zhǎng)成的晶體。它的吸收光譜特性主要取決于鉻離子鉻離子(Cr(Cr3 3) )。如。如圖

3、圖5-25-2所示。它屬于所示。它屬于三能級(jí)系統(tǒng)三能級(jí)系統(tǒng)，相應(yīng)于圖，相應(yīng)于圖5-35-3的簡(jiǎn)化能級(jí)模型的簡(jiǎn)化能級(jí)模型 圖圖(5-2) 紅寶石中鉻離子的吸收光譜紅寶石中鉻離子的吸收光譜0.55um0.4um第五章第五章 典型激光器介紹典型激光器介紹7圖圖(5-3) 紅寶石中鉻離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)紅寶石中鉻離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)0.6943um0.6929um優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): : 容易單模輸出容易單模輸出缺點(diǎn)缺點(diǎn): : 閾值高且溫度效應(yīng)嚴(yán)重閾值高且溫度效應(yīng)嚴(yán)重l紅寶石激光器的優(yōu)點(diǎn)和主要缺點(diǎn)。紅寶石激光器的優(yōu)點(diǎn)和主要缺點(diǎn)。 機(jī)械強(qiáng)度高，容易生長(zhǎng)大尺寸晶體機(jī)械強(qiáng)度高，容易生長(zhǎng)大尺寸晶體第五章第五章 典型激光器介紹典型激

4、光器介紹83.摻釹釔鋁石榴石摻釹釔鋁石榴石(Nd3：YAG) l工作物質(zhì)工作物質(zhì):將一定比例的將一定比例的A12O3、Y2O3，和，和Nd2O3在單晶爐中進(jìn)在單晶爐中進(jìn)行熔化結(jié)晶而成的，呈淡紫色。它的激活粒子是釹離子行熔化結(jié)晶而成的，呈淡紫色。它的激活粒子是釹離子(Nd3).圖圖(5-4) Nd3:YAG 晶體的吸收光譜晶體的吸收光譜第五章第五章 典型激光器介紹典型激光器介紹9圖圖(5-5) Nd3:YAG 的能級(jí)結(jié)構(gòu)的能級(jí)結(jié)構(gòu)lYAG中中Nd3與激光產(chǎn)生有關(guān)的能級(jí)結(jié)構(gòu)如圖與激光產(chǎn)生有關(guān)的能級(jí)結(jié)構(gòu)如圖(5-5)所示。所示。 它屬于它屬于四能級(jí)系統(tǒng)四能級(jí)系統(tǒng)。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): : 閾值低，閾值低，

5、具有良好的熱學(xué)性質(zhì)具有良好的熱學(xué)性質(zhì)第五章第五章 典型激光器介紹典型激光器介紹105.1.2 5.1.2 固體激光器的泵浦系統(tǒng)固體激光器的泵浦系統(tǒng)固體激光工作物質(zhì)是絕緣晶體，一般都采用固體激光工作物質(zhì)是絕緣晶體，一般都采用光泵浦激勵(lì)光泵浦激勵(lì)。目。目前的泵浦光源多為工作于弧光放電狀態(tài)的惰性氣體放電燈。前的泵浦光源多為工作于弧光放電狀態(tài)的惰性氣體放電燈。 2. 2. 常用的泵浦燈在空間的輻射都是全方位的，因而固體工作物常用的泵浦燈在空間的輻射都是全方位的，因而固體工作物 質(zhì)一般都加工成圓柱棒形狀，所以為了將泵浦燈發(fā)出的光能質(zhì)一般都加工成圓柱棒形狀，所以為了將泵浦燈發(fā)出的光能 完全聚到工作物質(zhì)上，

6、必須采用聚光腔。完全聚到工作物質(zhì)上，必須采用聚光腔。 泵浦光源應(yīng)當(dāng)滿足兩個(gè)基本條件泵浦光源應(yīng)當(dāng)滿足兩個(gè)基本條件l發(fā)光效率高發(fā)光效率高l輻射光的光譜特性應(yīng)與激光工作物質(zhì)的輻射光的光譜特性應(yīng)與激光工作物質(zhì)的吸收光譜吸收光譜相匹配相匹配第五章第五章 典型激光器介紹典型激光器介紹113.3.圖圖(5-6)(5-6)所示的橢圓柱聚光腔是小型固體激光器中最常采用的聚光腔，所示的橢圓柱聚光腔是小型固體激光器中最常采用的聚光腔，它的內(nèi)表面被拋光成鏡面，其橫截面是一個(gè)橢圓。它的內(nèi)表面被拋光成鏡面，其橫截面是一個(gè)橢圓。 圖圖(5-6) 橢圓柱聚光腔橢圓柱聚光腔4. 4. 固體激光器的泵浦系統(tǒng)需要冷卻。常用的冷卻方

7、式有液體冷卻、固體激光器的泵浦系統(tǒng)需要冷卻。常用的冷卻方式有液體冷卻、 氣體冷卻和傳導(dǎo)冷卻等，其中以液冷最為普遍。氣體冷卻和傳導(dǎo)冷卻等，其中以液冷最為普遍。 5.5.泵浦燈和工作物質(zhì)之間插入濾光器件濾去泵浦光中的紫外光譜。泵浦燈和工作物質(zhì)之間插入濾光器件濾去泵浦光中的紫外光譜。 焦線位置焦線位置焦線位置焦線位置第五章第五章 典型激光器介紹典型激光器介紹125.1.3 5.1.3 固體激光器的輸出特性固體激光器的輸出特性1. 1. 固體激光器的激光脈沖特性固體激光器的激光脈沖特性 2. 2. 轉(zhuǎn)換效率轉(zhuǎn)換效率 l總體效率定義為激光輸出與泵浦燈的電輸入之比。對(duì)于連續(xù)激光總體效率定義為激光輸出與泵浦

8、燈的電輸入之比。對(duì)于連續(xù)激光 器器( (用功率描述用功率描述) )和脈沖激光器和脈沖激光器( (用能量描述用能量描述) )分別表示為：分別表示為：couabcLpinthinouttPPPP1211couabcLpinthinouttEEEE1211l一般的脈沖固體激光器產(chǎn)生的激光脈沖是由一連串不規(guī)則振蕩一般的脈沖固體激光器產(chǎn)生的激光脈沖是由一連串不規(guī)則振蕩 的短脈沖的短脈沖( (或稱尖峰或稱尖峰) )組成的，各個(gè)短脈沖的持續(xù)時(shí)間約為組成的，各個(gè)短脈沖的持續(xù)時(shí)間約為(0.1(0.1 1)1) s s，各短脈沖之間的間隔約為，各短脈沖之間的間隔約為(5(5 10) 10) s s。泵浦光愈強(qiáng)，短

9、脈。泵浦光愈強(qiáng)，短脈 沖數(shù)目愈多，其包絡(luò)峰值并不增加。沖數(shù)目愈多，其包絡(luò)峰值并不增加。 l可用調(diào)可用調(diào)Q Q技術(shù)得到激光巨脈沖技術(shù)得到激光巨脈沖第五章第五章 典型激光器介紹典型激光器介紹145.1.4 5.1.4 新型固體激光器新型固體激光器1. 1. 半導(dǎo)體激光器泵浦的固體激光器半導(dǎo)體激光器泵浦的固體激光器 圖圖(5-7) 半導(dǎo)體激光器泵浦固體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖半導(dǎo)體激光器泵浦固體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖l半導(dǎo)體激光器泵浦固體激光器與閃光燈泵浦固體激光器相比有半導(dǎo)體激光器泵浦固體激光器與閃光燈泵浦固體激光器相比有 其主要優(yōu)點(diǎn)其主要優(yōu)點(diǎn) l半導(dǎo)體激光器泵浦固體激光器的結(jié)構(gòu)，有如圖半導(dǎo)體激光器泵浦固體

10、激光器的結(jié)構(gòu)，有如圖(5-7)(a)(5-7)(a)所示的所示的 端泵浦方式和圖端泵浦方式和圖(5-7)(b)(5-7)(b)所示的側(cè)泵浦方式。所示的側(cè)泵浦方式。 能量轉(zhuǎn)換效率高能量轉(zhuǎn)換效率高工作時(shí)無(wú)功熱量小、介質(zhì)溫度穩(wěn)定、激光譜線更窄工作時(shí)無(wú)功熱量小、介質(zhì)溫度穩(wěn)定、激光譜線更窄壽命長(zhǎng)壽命長(zhǎng), ,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單第五章第五章 典型激光器介紹典型激光器介紹152. 2. 可調(diào)諧固體激光器可調(diào)諧固體激光器輸出波長(zhǎng)可變化輸出波長(zhǎng)可變化 可調(diào)諧固體激光器主要有兩類：可調(diào)諧固體激光器主要有兩類：l色心激光器色心激光器l用摻過(guò)渡族金屬離子的激光晶體制作的可調(diào)諧激光器。用摻過(guò)渡族金屬離子的激光晶體制作的可調(diào)

11、諧激光器。 3. 3. 高功率固體激光器高功率固體激光器 l高功率固體激光器主要是指輸出平均功率在幾百瓦以上的各種高功率固體激光器主要是指輸出平均功率在幾百瓦以上的各種 連續(xù)、準(zhǔn)連續(xù)及脈沖固體激光器，它一直是軍事應(yīng)用和激光加連續(xù)、準(zhǔn)連續(xù)及脈沖固體激光器，它一直是軍事應(yīng)用和激光加 工應(yīng)用所追求的目標(biāo)。工應(yīng)用所追求的目標(biāo)。 l關(guān)鍵技術(shù)：克服固體工作物質(zhì)中的熱效應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)：克服固體工作物質(zhì)中的熱效應(yīng)第五章第五章 典型激光器介紹典型激光器介紹165.2 第五章第五章 典型激光器介紹典型激光器介紹175.2.1 1. He-Ne激光器的結(jié)構(gòu)和激發(fā)機(jī)理激光器的結(jié)構(gòu)和激發(fā)機(jī)理 圖圖(5-9) He-Ne激光

12、器的基本結(jié)構(gòu)形式激光器的基本結(jié)構(gòu)形式 He-Ne激光器可以分為內(nèi)腔式、外腔式和半內(nèi)腔式三種。激光器可以分為內(nèi)腔式、外腔式和半內(nèi)腔式三種。第五章第五章 典型激光器介紹典型激光器介紹18圖圖(5-10) 與激光躍遷有關(guān)的與激光躍遷有關(guān)的Ne原子的部分能級(jí)圖原子的部分能級(jí)圖He- -Ne激光器是典型的激光器是典型的四能級(jí)系統(tǒng)，其激光譜四能級(jí)系統(tǒng)，其激光譜線主要有三條線主要有三條 :3S2P 0. .6328 m2S2P 1. .15 m3S3P 3. .39 m NeNe原子的激光上能級(jí)是原子的激光上能級(jí)是3S3S和和2S2S能級(jí)，激光下能級(jí)是能級(jí)，激光下能級(jí)是3P3P和和2P2P能級(jí)。能級(jí)。 第五

13、章第五章 典型激光器介紹典型激光器介紹192. He-Ne激光器的輸出特性激光器的輸出特性 (1)(1)譜線競(jìng)爭(zhēng)譜線競(jìng)爭(zhēng):He-Ne:He-Ne激光器三條強(qiáng)的激光譜線激光器三條強(qiáng)的激光譜線( (0.6328 m， 1.15 m，3.39 m) )中哪一條譜線起振完全取決于諧振腔介質(zhì)膜中哪一條譜線起振完全取決于諧振腔介質(zhì)膜 反射鏡的波長(zhǎng)選擇。反射鏡的波長(zhǎng)選擇。(2)(2)輸出功率特性輸出功率特性: : He-NeHe-Ne激光器激光器的放電電流對(duì)輸出功率影響很大。的放電電流對(duì)輸出功率影響很大。圖圖(5-11)(5-11)是實(shí)驗(yàn)測(cè)得的輸出是實(shí)驗(yàn)測(cè)得的輸出功率與放電電流的關(guān)系曲線功率與放電電流的關(guān)系

14、曲線 圖圖(5-11) 輸出功率與放電電流的關(guān)系曲線輸出功率與放電電流的關(guān)系曲線第五章第五章 典型激光器介紹典型激光器介紹20He-Ne激光器存在著最佳混合比和最佳充氣總壓強(qiáng)，即存在激光器存在著最佳混合比和最佳充氣總壓強(qiáng)，即存在最佳充最佳充氣條件氣條件。 在最佳充氣條件下，使輸出功率最大的放電電流叫在最佳充氣條件下，使輸出功率最大的放電電流叫最佳放電電流最佳放電電流 若放電毛細(xì)管的直徑為若放電毛細(xì)管的直徑為d，充氣壓強(qiáng)為，充氣壓強(qiáng)為p，則存在一個(gè)使輸出功率，則存在一個(gè)使輸出功率最大的最大的最佳最佳 pd值值。在最佳放電條件下，工作物質(zhì)的增益系數(shù)和毛細(xì)管直徑在最佳放電條件下，工作物質(zhì)的增益系數(shù)和

15、毛細(xì)管直徑d成反比。成反比。 1. Three basic processes of radiation.2. How is a laser produced?第五章第五章 典型激光器介紹典型激光器介紹221. CO2激光器的結(jié)構(gòu)和激發(fā)過(guò)程激光器的結(jié)構(gòu)和激發(fā)過(guò)程 圖圖(5-12) 封離式封離式CO2激光器結(jié)構(gòu)示意圖激光器結(jié)構(gòu)示意圖圖圖(5-12)(5-12)是一種典型的結(jié)構(gòu)示意圖。構(gòu)成是一種典型的結(jié)構(gòu)示意圖。構(gòu)成COCO2 2激光器諧振腔的兩激光器諧振腔的兩個(gè)反射鏡放置在可供調(diào)節(jié)的腔片架上，最簡(jiǎn)單的方法是將反射個(gè)反射鏡放置在可供調(diào)節(jié)的腔片架上，最簡(jiǎn)單的方法是將反射鏡直接貼在放電管的兩端。鏡直接

16、貼在放電管的兩端。 5.2.2 第五章第五章 典型激光器介紹典型激光器介紹23COCO2 2激光器中與產(chǎn)生激光有關(guān)的激光器中與產(chǎn)生激光有關(guān)的COCO2 2分子能級(jí)圖如圖分子能級(jí)圖如圖(5-13)(5-13)所示。所示。 圖圖(5-13) 與產(chǎn)生激光有關(guān)的與產(chǎn)生激光有關(guān)的CO2分子能級(jí)圖分子能級(jí)圖躍遷幾躍遷幾率大率大第五章第五章 典型激光器介紹典型激光器介紹242. CO2激光器的輸出特性激光器的輸出特性 相應(yīng)于相應(yīng)于CO2激光器的輸出功率，其放電電流有一個(gè)最佳值。激光器的輸出功率，其放電電流有一個(gè)最佳值。CO2 激光器的最佳放電電流與放電管的直徑，管內(nèi)總氣壓，激光器的最佳放電電流與放電管的直徑

17、，管內(nèi)總氣壓，以及氣體混合比有關(guān)。以及氣體混合比有關(guān)。 (1) 放電特性放電特性 CO2激光器的轉(zhuǎn)換效率是很高的，但最高也不會(huì)超過(guò)激光器的轉(zhuǎn)換效率是很高的，但最高也不會(huì)超過(guò)40，這就是說(shuō)，將，這就是說(shuō)，將有有60以上的能量轉(zhuǎn)換為氣體的熱能，使溫度升高。而氣體溫度的升高，以上的能量轉(zhuǎn)換為氣體的熱能，使溫度升高。而氣體溫度的升高，將引起激光上能級(jí)的消激發(fā)和激光下能級(jí)的熱激發(fā)，這都會(huì)使粒子的反轉(zhuǎn)將引起激光上能級(jí)的消激發(fā)和激光下能級(jí)的熱激發(fā)，這都會(huì)使粒子的反轉(zhuǎn)數(shù)減少。并且，氣體溫度的升高，將使譜線展寬，導(dǎo)致增益系數(shù)下降。特?cái)?shù)減少。并且，氣體溫度的升高，將使譜線展寬，導(dǎo)致增益系數(shù)下降。特別是，氣體溫度的

18、升高，還將引起別是，氣體溫度的升高，還將引起CO2分子的分解，降低放電管分子的分解，降低放電管內(nèi)的內(nèi)的CO2分子濃度。分子濃度。 (2)溫度效應(yīng)溫度效應(yīng) 第五章第五章 典型激光器介紹典型激光器介紹255.2.3 Ar5.2.3 Ar+ +離子激光器離子激光器1. Ar激光器的結(jié)構(gòu)激光器的結(jié)構(gòu) ArAr激光器一般由放電管、諧振腔、軸向磁場(chǎng)和回氣管等幾部激光器一般由放電管、諧振腔、軸向磁場(chǎng)和回氣管等幾部分組成。如圖分組成。如圖(5-14)(5-14)所示為石墨放電管的分段結(jié)構(gòu)所示為石墨放電管的分段結(jié)構(gòu) 。 圖圖(5-14) 分段石墨結(jié)構(gòu)分段石墨結(jié)構(gòu)Ar+激光器示意圖激光器示意圖第五章第五章 典型激

19、光器介紹典型激光器介紹262. Ar2. Ar激光器的激發(fā)機(jī)理激光器的激發(fā)機(jī)理 Ar Ar激光器與激光輻射有關(guān)的能級(jí)結(jié)構(gòu)如圖激光器與激光輻射有關(guān)的能級(jí)結(jié)構(gòu)如圖(5-15)(5-15)所示所示 圖圖(5-15) 與產(chǎn)生激光有關(guān)的與產(chǎn)生激光有關(guān)的Ar+的能級(jí)結(jié)構(gòu)的能級(jí)結(jié)構(gòu)第五章第五章 典型激光器介紹典型激光器介紹273. Ar3. Ar激光器的工作持性激光器的工作持性 Ar Ar激光器可以產(chǎn)生多條激光譜線，對(duì)應(yīng)每條譜線都有一個(gè)激光器可以產(chǎn)生多條激光譜線，對(duì)應(yīng)每條譜線都有一個(gè) 閾值電流。閾值電流。最強(qiáng)譜線最強(qiáng)譜線:0.4880um,0.5145um(1)多譜線工作多譜線工作 (2)輸出功率與放電電流

20、的關(guān)系輸出功率與放電電流的關(guān)系 由于由于ArAr激光器特殊的激發(fā)機(jī)制，其輸出功率隨放電電流的變化激光器特殊的激發(fā)機(jī)制，其輸出功率隨放電電流的變化規(guī)律與其它激光器有所不同，圖規(guī)律與其它激光器有所不同，圖(5-16)(5-16)示出了其間的關(guān)系曲線。示出了其間的關(guān)系曲線。 圖圖(5-16) Ar+激光器輸出功率隨放電電流變化曲線激光器輸出功率隨放電電流變化曲線第五章第五章 典型激光器介紹典型激光器介紹285.3 第五章第五章 典型激光器介紹典型激光器介紹295.3.1 5.3.1 染料激光器的激發(fā)機(jī)理染料激光器的激發(fā)機(jī)理1. 1. 染料分子能級(jí)染料分子能級(jí) 染料分子能級(jí)圖是如圖染料分子能級(jí)圖是如圖

21、(5-17)(5-17)所示的準(zhǔn)連續(xù)態(tài)能級(jí)結(jié)構(gòu)。所示的準(zhǔn)連續(xù)態(tài)能級(jí)結(jié)構(gòu)。 圖圖(5-17) 染料分子能級(jí)圖染料分子能級(jí)圖第五章第五章 典型激光器介紹典型激光器介紹302.2.染料分子的光輻射過(guò)程染料分子的光輻射過(guò)程 如圖如圖(5-18)(5-18)所示染料的吸收所示染料的吸收- -熒光光譜圖熒光光譜圖圖圖(5-18) 染料的吸收染料的吸收-熒光光譜圖熒光光譜圖3. 3. 染料分子的三重態(tài)染料分子的三重態(tài)“陷阱陷阱” 第五章第五章 典型激光器介紹典型激光器介紹315.3.2 5.3.2 染料激光器的泵浦染料激光器的泵浦1.1.閃光燈脈沖泵浦閃光燈脈沖泵浦 泵浦用閃光燈有兩種結(jié)構(gòu)，普通直管式和同軸

22、式。泵浦用閃光燈有兩種結(jié)構(gòu)，普通直管式和同軸式。 2.2.激光脈沖泵浦激光脈沖泵浦 能夠用于泵浦染料激光器的激光種類很多，主要有氮分子激能夠用于泵浦染料激光器的激光種類很多，主要有氮分子激光器光器(0.337(0.337 m)m)，紅寶石激光器，紅寶石激光器(0.6943(0.6943 m)m)，YAGYAG激光器激光器(1.06(1.06 m)m)，銅蒸氣激光器，銅蒸氣激光器(0.5106(0.5106 m m、0.57820.5782 m)m)，準(zhǔn)分子激，準(zhǔn)分子激光器光器( (主要在紫外區(qū)主要在紫外區(qū)) ) 以及這些激光的二次、三次諧波等。以及這些激光的二次、三次諧波等。 Nd:YAGBr

23、illiant BDye LaserTDL-90Laser SourceTunable Dye Laser Pumped By Nd: YAG Laser第五章第五章 典型激光器介紹典型激光器介紹345.3.3 5.3.3 染料激光器的調(diào)諧染料激光器的調(diào)諧1. 1. 光柵調(diào)諧光柵調(diào)諧 圖圖(5-20)(5-20)是一種光柵是一種光柵- -反射鏡調(diào)諧腔，放在腔中的光柵反射鏡調(diào)諧腔，放在腔中的光柵G G具有具有擴(kuò)束和色散作用。擴(kuò)束和色散作用。 圖圖(5-20) 光柵光柵-反射鏡調(diào)諧腔反射鏡調(diào)諧腔第五章第五章 典型激光器介紹典型激光器介紹352. 2. 棱鏡調(diào)諧棱鏡調(diào)諧 圖圖(5-21)(5-21)

24、是一種折疊式縱向泵浦染料激光器原理圖，腔內(nèi)放置是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。的棱鏡是一種色散元件。 圖圖(5-21) 棱鏡調(diào)諧腔棱鏡調(diào)諧腔第五章第五章 典型激光器介紹典型激光器介紹365.4 第五章第五章 典型激光器介紹典型激光器介紹375.4.1 5.4.1 半導(dǎo)體的能帶和產(chǎn)生受激輻射的條件半導(dǎo)體的能帶和產(chǎn)生受激輻射的條件1.1.在一個(gè)具有在一個(gè)具有N N個(gè)粒子相互作用的晶體中，每一個(gè)能級(jí)會(huì)分裂成為個(gè)粒子相互作用的晶體中，每一個(gè)能級(jí)會(huì)分裂成為N N個(gè)能級(jí)，個(gè)能級(jí)，因此這彼此十分接近的因此這彼此十分接近的N N個(gè)能級(jí)好象形成一個(gè)連續(xù)的帶，稱之為能帶，見(jiàn)圖個(gè)

25、能級(jí)好象形成一個(gè)連續(xù)的帶，稱之為能帶，見(jiàn)圖圖圖(5-23) 固體的能帶固體的能帶第五章第五章 典型激光器介紹典型激光器介紹382. 2. 純凈純凈( (本征本征) )半導(dǎo)體材料，如單晶硅、鍺等，在絕對(duì)溫度為零的理想狀態(tài)半導(dǎo)體材料，如單晶硅、鍺等，在絕對(duì)溫度為零的理想狀態(tài)下，能帶由一個(gè)充滿電子的價(jià)帶和一個(gè)完全沒(méi)有電子的導(dǎo)帶組成，如圖下，能帶由一個(gè)充滿電子的價(jià)帶和一個(gè)完全沒(méi)有電子的導(dǎo)帶組成，如圖圖圖(5-24) 本征半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)本征半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)3.3.熱平衡時(shí)，電子在能帶中的分布不再服從玻爾茲曼分布，而服從費(fèi)米分布，熱平衡時(shí)，電子在能帶中的分布不再服從玻爾茲曼分布，而服從費(fèi)米分布，能級(jí)能級(jí)

26、E E被電子占據(jù)的幾率為被電子占據(jù)的幾率為 1( )1FnE EkTfEe第五章第五章 典型激光器介紹典型激光器介紹394.4.雜質(zhì)半導(dǎo)體中費(fèi)米能級(jí)的位置與雜質(zhì)類型及摻雜濃度有密切關(guān)系。為雜質(zhì)半導(dǎo)體中費(fèi)米能級(jí)的位置與雜質(zhì)類型及摻雜濃度有密切關(guān)系。為了說(shuō)明問(wèn)題，圖了說(shuō)明問(wèn)題，圖(5-25)(5-25)給出了溫度極低時(shí)的情況。給出了溫度極低時(shí)的情況。 5.5.在半導(dǎo)體中產(chǎn)生光放大的條件是在半導(dǎo)體中存在雙簡(jiǎn)并能帶，并且入射光在半導(dǎo)體中產(chǎn)生光放大的條件是在半導(dǎo)體中存在雙簡(jiǎn)并能帶，并且入射光的頻率滿足的頻率滿足 圖圖(5-25) 費(fèi)米能級(jí)的位置與雜質(zhì)類型及摻雜濃度關(guān)系費(fèi)米能級(jí)的位置與雜質(zhì)類型及摻雜濃度關(guān)

27、系gFFEhEE第五章第五章 典型激光器介紹典型激光器介紹405.4.2 PN5.4.2 PN結(jié)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)結(jié)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)1. P-N1. P-N結(jié)的雙簡(jiǎn)并能帶結(jié)構(gòu)結(jié)的雙簡(jiǎn)并能帶結(jié)構(gòu) 把把P P型和型和N 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(gè)費(fèi)米能級(jí)呢？型半導(dǎo)體制作在一起，是否可能在結(jié)區(qū)產(chǎn)生兩個(gè)費(fèi)米能級(jí)呢？ 未加電場(chǎng)時(shí)，未加電場(chǎng)時(shí)，P P區(qū)和區(qū)和N N區(qū)的費(fèi)米能級(jí)必然達(dá)到同一水平，如圖區(qū)的費(fèi)米能級(jí)必然達(dá)到同一水平，如圖(5-26)(5-26)。 圖圖(5-26) PN能帶能帶第五章第五章 典型激光器介紹典型激光器介紹41 在在P-N結(jié)上加以正向電壓結(jié)上加以正向電壓V時(shí)，形成結(jié)區(qū)的兩個(gè)費(fèi)

28、米能級(jí)時(shí)，形成結(jié)區(qū)的兩個(gè)費(fèi)米能級(jí) 和和 ，稱，稱為準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)，如圖為準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)，如圖(5-27)。 FEFE圖圖(5-27) 正向電壓正向電壓V時(shí)形成的雙簡(jiǎn)并能帶結(jié)構(gòu)時(shí)形成的雙簡(jiǎn)并能帶結(jié)構(gòu)第五章第五章 典型激光器介紹典型激光器介紹422. 2. 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)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(jià)帶頂部形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。產(chǎn)生受激輻射的條件是在結(jié)區(qū)的導(dǎo)帶底部和價(jià)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(dòng)平衡狀態(tài)，導(dǎo)帶底電子的占據(jù)幾率為激光器在連續(xù)發(fā)光的動(dòng)平衡狀態(tài)，導(dǎo)帶底電子的占據(jù)幾率為221()1FNEEkTfEe價(jià)帶頂空穴的占據(jù)幾率可以用價(jià)帶頂空穴的占據(jù)幾率可以用P P區(qū)的準(zhǔn)

29、費(fèi)米能級(jí)來(lái)計(jì)算區(qū)的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)來(lái)計(jì)算 111()1FPEEkTfEe價(jià)帶頂電子占據(jù)幾率則為價(jià)帶頂電子占據(jù)幾率則為 1111()1()1FNPEEkTfEfEe 在結(jié)區(qū)導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂實(shí)現(xiàn)粒子（電子）數(shù)反轉(zhuǎn)的條件是在結(jié)區(qū)導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂實(shí)現(xiàn)粒子（電子）數(shù)反轉(zhuǎn)的條件是g12FFEEEEE)E(f)E(f1N2N第五章第五章 典型激光器介紹典型激光器介紹431. 1. 半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 圖圖(5-28) GaAs激光器的結(jié)構(gòu)激光器的結(jié)構(gòu)5.4.3 5.4.3 半導(dǎo)體激光器的工作原理和閾值條件半導(dǎo)體激光器的工作原理和閾值條件 圖圖(5-28)(5-28)示出了

30、示出了GaAsGaAs激光器的結(jié)構(gòu)。激光器的結(jié)構(gòu)。 第五章第五章 典型激光器介紹典型激光器介紹442. 2. 半導(dǎo)體激光器工作的閾值條件半導(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閾值條件 21ln21rrLaG內(nèi)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)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) ftcnfAcnG復(fù)合2222221288第五章第五章 典型激光器介紹典型激光器介紹453.3.半導(dǎo)體激光器的閾值電流半導(dǎo)體激光器的閾值電流 在一定的時(shí)間間隔內(nèi)，注入激光器的電子總數(shù)與

31、同樣時(shí)間內(nèi)在一定的時(shí)間間隔內(nèi)，注入激光器的電子總數(shù)與同樣時(shí)間內(nèi)發(fā)生的電子與空穴復(fù)合數(shù)相等而達(dá)到平衡發(fā)生的電子與空穴復(fù)合數(shù)相等而達(dá)到平衡 ft8cnf8AcnGeItnLwd22222212復(fù)合復(fù)合 )(frrlnL21aGJed8fcG21222內(nèi)22221ced8rrlnL21aJ內(nèi)閾第五章第五章 典型激光器介紹典型激光器介紹465.4.4 5.4.4 同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 1. 同質(zhì)結(jié)砷化鎵同質(zhì)結(jié)砷化鎵(GaAs)激光器的特性激光器的特性 圖圖(5-29) GaAs激光器的伏安特性激光器的伏安特性伏安特性伏安特性: : 與二極管相同，也具有單向?qū)щ娦?。與二極

32、管相同，也具有單向?qū)щ娦浴?閾值電流密度閾值電流密度: : 影響閾值的因素很多影響閾值的因素很多 第五章第五章 典型激光器介紹典型激光器介紹47方向性方向性: : 圖圖(5-30)(5-30)給出了半導(dǎo)體激光束的空間分布示意圖。給出了半導(dǎo)體激光束的空間分布示意圖。 圖圖(5-30) 激光束的空間分布示意圖激光束的空間分布示意圖 第五章第五章 典型激光器介紹典型激光器介紹48光譜特性光譜特性: 圖圖(5-31)是是GaAs激光器的發(fā)射光譜。其中圖激光器的發(fā)射光譜。其中圖(a)是低是低于閾值時(shí)的熒光光譜，譜寬一般為幾百埃，圖于閾值時(shí)的熒光光譜，譜寬一般為幾百埃，圖(b)是注入電流是注入電流達(dá)到或大

33、于閾值時(shí)的激光光譜，譜寬達(dá)幾十埃。達(dá)到或大于閾值時(shí)的激光光譜，譜寬達(dá)幾十埃。 圖圖(5-31) GaAs激光器的發(fā)射光譜激光器的發(fā)射光譜第五章第五章 典型激光器介紹典型激光器介紹49轉(zhuǎn)換效率轉(zhuǎn)換效率 直接將電功率轉(zhuǎn)換為光功率，轉(zhuǎn)換效率極高直接將電功率轉(zhuǎn)換為光功率，轉(zhuǎn)換效率極高 外微分量子效率外微分量子效率: : e)ii (h)PP(ththD 功率效率功率效率: :功率效率定義為激光器的輸出功率與輸入電功率之比功率效率定義為激光器的輸出功率與輸入電功率之比 2PSPiVi RV)ii (Pe)ii (hPththD第五章第五章 典型激光器介紹典型激光器介紹50單異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器單異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)

34、體激光器 雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器圖圖(5-32) 同質(zhì)結(jié)、異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)示意圖同質(zhì)結(jié)、異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)示意圖2. 2. 異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器高亮度半導(dǎo)體激光器高亮度半導(dǎo)體激光器 小功率半導(dǎo)體激光器小功率半導(dǎo)體激光器 小功率光纖耦合半導(dǎo)體激光器小功率光纖耦合半導(dǎo)體激光器 大功率光纖耦合輸出的半導(dǎo)體激光大功率光纖耦合輸出的半導(dǎo)體激光 第五章第五章 典型激光器介紹典型激光器介紹525.5 第五章第五章 典型激光器介紹典型激光器介紹535.5.1 5.5.1 準(zhǔn)分子激光器準(zhǔn)分子激光器1.1.準(zhǔn)分子激光器的特點(diǎn)準(zhǔn)分子激光器的特點(diǎn) 圖圖(5-33) 準(zhǔn)分子的能級(jí)結(jié)構(gòu)準(zhǔn)分子的能級(jí)結(jié)構(gòu)能級(jí)結(jié)構(gòu)有明顯的特點(diǎn)。如圖能級(jí)結(jié)構(gòu)有明顯的特點(diǎn)。如圖(5-33)(5-33)所示，所示，A A