激光元器件詳細介紹-課件

激光元器件詳細介紹概述1960年，美國休斯公司的Maiman研制成功了世界上第一臺紅寶石激光器激光器由工作物質、泵浦源和光學諧振腔三部分組成。根據(jù)工作物質的不同，可將激光器分為氣體激光器、固體激光器、染料激光器、半導體激光器、光纖激光器、化學激光器、自由電子激光器等。按照工作方式劃分，激光器可分為連續(xù)激光器和脈沖激光器?！?氣體激光器

1.1氣體放電特性正常狀態(tài)，中性的氣體分子是絕緣體氣體的“著火”O(jiān)AB段，電流極微弱，沒有輻射光，稱為飽和電流區(qū)域。OABC段屬非自持放電C點電壓稱為擊穿電壓，DE段為準輝光放電，EF段稱為正常輝光放電，F(xiàn)G段為反常輝光放電GHI段為弧光放電，發(fā)出耀眼的強光輻射，電流密度較大，陰極局部溫度升高，負阻特性He-Ne激光器、CO2激光器、日光燈、等離子顯示中的放電形式屬于輝光放電。Ar離子激光器、霓虹燈、氙燈、氪燈、閃電、電弧焊中的放電形式屬于弧光放電1.2He-Ne激光器He-Ne激光器是典型的惰性氣體激光器，Ne是工作物質，He是輔助氣體He-Ne激光器輸出連續(xù)光最常用的工作波長632.8nm，其次是1.52μm和3.39μm以及1.52μm和543.5nm等增益比較低，輸出功率一般為毫瓦量級輸出光束質量高，單色性好（⊿ν<20Hz），方向性好（<1mrad）,結構簡單，價格低廉，廣泛用于準直、精密計量、信息處理、醫(yī)療和照排印刷等領域。He-Ne激光器的工作原理最強的有3條，即632.8nm（3s2→2p4）3.39μm（3s2→3p4）1.15μm（2s2→2p4）He-Ne激光器是典型的四能級系統(tǒng)He-Ne激光器的工作原理Ne原子激光上能級有三種激發(fā)過程。共振能量轉移激發(fā)電子直接碰撞激發(fā)共振能量轉移是電子直接碰撞激發(fā)的60～80倍。串級躍遷大家有疑問的，可以詢問和交流可以互相討論下，但要小聲點He-Ne激光器的工作原理Ne原子激光下能級3p和2p能級向基態(tài)的躍遷為選擇定則所禁戒，只能通過自發(fā)輻射躍遷到1s，能級1s向基態(tài)的躍遷也屬禁戒，Ne原子只有擴散到放電管管壁，通過與管壁碰撞釋放能量后返回基態(tài)，稱為“管壁效應”。這是He-Ne激光器放電毛細管較細的主要原因He-Ne激光器的基本結構放電管、電極和諧振腔平-凹腔，平面鏡為輸出鏡，透射率1-2%內(nèi)腔式、外腔式和半內(nèi)腔式He-Ne激光器的工作特性放電電流的影響總氣壓和氣壓比He-Ne激光器的譜線競爭632.8nm、3.39μm與1.15μm三條譜線是He-Ne激光器上百條譜線中最強的三條。3.39μm譜線與632.8nm譜線共用一個激光上能級3s2,且增益都很高。因此,二者之間存在激烈的譜線競爭。3.39μm譜線的振蕩,將大量消耗激光上能級的粒子,導致632.8nm譜線的增益與輸出功率下降,甚至振蕩被抑制遵循的原則是增大3.39μm譜線的損耗或者降低其增益He-Ne激光器的譜線競爭棱鏡色散法腔內(nèi)放置甲烷吸收盒外加非均勻磁場法

其原理是利用塞曼效應。塞曼效應指磁場將引起譜線的分裂，譜線分裂的大小與磁感應強度成正比。施加非均勻磁場后，造成放電管內(nèi)各處譜線分裂程度不同，其作用相當于把譜線展寬He-Ne激光器的譜線競爭1.3CO2激光器CO2激光器是分子氣體激光器中應用最廣泛的器件連續(xù)輸出功率可達數(shù)十萬瓦,是所有激光器中連續(xù)輸出功率最高的器件;脈沖輸出能量可達數(shù)萬焦,脈寬可壓縮到納秒量級,脈沖功率密度可達太瓦量級。能量轉換效率高（可達20-25%）輸出波長10.6μm，處于大氣窗口中，既可連續(xù)運轉，也可脈沖工作。廣泛應用于材料加工、醫(yī)療、激光測距、激光制導、大氣通信和科學研究等領域。工作物質是CO2氣體，輔助氣體有N2

、He、CO、Xe、H2O、H2

與O2等。CO2激光器工作原理CO2分子的振動有三種基本形式：對稱振動、形變（彎曲）振動、反對稱振動CO2分子上述三種振動方式相互獨立,其振動能量為三種振動方式的能量之和。我們用4個對應的量子數(shù)標記其振動能級,標記符號為(v1,vl2,v3

)CO2激光器工作原理CO2分子可能產(chǎn)生的躍遷譜線很多，其中強度最強和最有價值的是0001→1000躍遷產(chǎn)生10.6μm波長的激光和0001→0200躍遷產(chǎn)生9.6μm波長的激光。由于以上躍遷具有同一上能級,而且0001→1000躍遷的幾率大得多,所以C02激光器通常只輸出10.6μm激光。CO2

分子的能級結構屬四能級系統(tǒng)CO2激光器工作原理C02分子激發(fā)到0001能級直接電子碰撞電子與基態(tài)(0000)C02分子碰撞使其激發(fā)到激光上能級

CO2(0000)+e(快)→CO2(0001)+e(慢)級聯(lián)躍遷電子與基態(tài)CO2分子碰撞使其躍遷到000n能級,基態(tài)C02分子與高能級C02分子碰撞后躍遷到激光上能級

CO2(0000)+CO2(000n)→CO2(0001)+CO2(000n-1)共振轉移N2分子(v=0)能級和電子碰撞后躍遷到v=1的振動能級?；鶓B(tài)CO2分子與亞穩(wěn)態(tài)N2分子發(fā)生非彈性碰撞并躍遷到激光上能級。

CO2(0000)+N2(v=1)→CO2(0001)+N2(v=0)CO2激光器工作原理從能級1000和0200向基態(tài)能級的躍遷為選擇定則所禁戒，他們的弛豫只能通過氣體分子之間的碰撞 C02(1000)+C02(0000)→2C02(0100)+52cm-1 C02(0200)+C02(0000)→2C02(0100)+50cm-1 C02(0100)+C02(0000)→2C02(0000)+667cm-1 C02(0100)+M→2C02(0000)+ΔEM為其他氣體分子。前兩個過程是激光下能級向0100能級的弛豫，該過程進行速度很快，后兩個過程是向基態(tài)排空的過程，進行得速度很慢。常用的方法是使用輔助氣體C02激光器的結構封離型C02激光器輸出功率都低于200瓦內(nèi)腔式、半內(nèi)腔式和外腔式為防止器件發(fā)熱，放電毛細管外加有水冷套管平-凹腔，輸出反射鏡一般采用紅外材料C02激光器的結構軸快流C02激光器千瓦-萬瓦級放電管內(nèi)氣體流動速度在亞音速，一般采用羅茨泵風機兩端都裝有熱交換器氣流方向、電流方向和光輸出方向同軸光束質量好，功率密度高，電光效率達25%C02激光器的結構橫流C02激光器氣流方向、放電方向和光方向相互垂直一般在千瓦到萬瓦量級，但是光束質量要比軸流激光器差C02激光器的結構橫向激勵高氣壓C02激光器（TEAC02激光器）工作氣壓為1-2個大氣壓，以脈沖方式工作能量可高達10-50J/L，脈沖峰值功率可達1012W，脈沖寬度為納秒量級快速放電回路，如火花隙，減少回路中的電感。采用多組電極放電方式和預電離技術1.4其他氣體激光器Ar離子激光器藍綠光區(qū)，488.0nm和514.5nm是常用的譜線大電流弧光放電激發(fā)1.4其他氣體激光器準分子激光器惰性氣體原子受到激發(fā)時，由于電子被激發(fā)到更高的軌道上而打破最外的滿層電子分布時，可以和另一個原子形成一個短壽命的分子，這種處于激發(fā)態(tài)的分子稱為準分子。準分子回復到基態(tài)時迅速離解成原子，所以在準分子激光器中，不存在下能級的阻塞現(xiàn)象，容易形成粒子數(shù)反轉，增益較高。一般工作在紫外、遠紫外和真空紫外區(qū)。采用快速放電或電子束泵浦，輸出脈沖激光能量百焦量級，平均功率大于200W，重復頻率可達1kHz。光子能量高，在同位素分離、光化學、醫(yī)學、生物學、微電子、精細加工等獲得廣泛應用?！?固體激光器典型紅寶石激光器、Nd:YAG激光器和摻鈦藍寶石激光器等波長覆蓋可見到近紅外波段輸出能量大、運轉方式、結構緊湊、易于與光纖耦合固體激光介質通常在基質材料，如晶體或玻璃中摻入少量的金屬離子光泵浦的方式:燈泵、LD泵平平腔或平凹腔，光學玻璃鍍膜2.1Nd:YAG激光器釔鋁石榴石Y3Al5O12中摻入少量Nd2O3，Nd3+部分取代Y3+,其激活離子是Nd3+YAG晶體的熔點高，可人工生長，機械性能好，硬度較高，熱導性能也好，化學穩(wěn)定性號，抗光照性能較好可脈沖工作，可連續(xù)工作和高重復頻率工作Nd：YAG的能級結構4F3/2是激光上能級。也是亞穩(wěn)能級，壽命約0.23ms，4I11/2、4I13/2、4I9/2是激光下能級，其中4I9/2也是基態(tài)能級。位于4F3/2能級的粒子可以向多個終端能級躍遷產(chǎn)生輻射，顯而易見，向能級4I11/2、4I13/2的躍遷屬于四能級系統(tǒng)，閾值低，向能級4I9/2的躍遷屬于三能級系統(tǒng)，器件閾值高，室溫下很難實現(xiàn)激光振蕩。Nd：YAG的熒光光譜1.35μm，對應4F3/2→4I13/2躍遷，分支比0.141.064μm，對應4F3/2→4I11/2躍遷，分支比0.600.94μm，對應4F3/2→4I9/2躍遷，分支比0.251.064μm的熒光強度是1.35μm的4倍，譜線競爭的結果，1.35μm譜線被抑制由于受到晶格場的影響，能級發(fā)生分裂，4F3/2能級分裂成兩個能級，4I11/2能級分裂成六個能級，共產(chǎn)生8條譜線Nd：YAG的吸收光譜大于0.4μm的范圍內(nèi)，主要有五個吸收光譜帶，中心波長分別在0.525μm、0.585μm、0.75μm、0.81μm和0.87μm，分別對應能級結構中的基態(tài)到吸收能級的躍遷。0.75μm、0.81μm兩個吸收帶最為重要，吸收也最強。在光泵浦時需要考慮泵浦光源的譜線與Nd:YAG晶體的吸收譜線相匹配。光泵浦系統(tǒng)固體激光器一般采用光泵浦，惰性氣體放電燈（脈沖氙燈、連續(xù)氪燈）半導體激光二極管金屬蒸氣燈（汞燈、鈉燈）鹵化物燈（碘鎢燈、溴鎢燈）前兩類泵浦光源最為常用惰性氣體放電燈由工作氣體、電極和燈管三部分組成工作氣體一般采用氙氣或氪氣電極采用高熔點、高電子發(fā)射率和低濺射率的金屬材料，如鎢、釷鎢等材料燈管采用耐高溫、透光性好、機械強度高的石英玻璃弧光放電狀態(tài)，放電電流密度大，發(fā)光強結構上有直管式和螺旋式兩種惰性氣體放電燈脈沖氙燈在不同氣壓和電流密度下的發(fā)射光譜分布。高放電電流密度下,脈沖氙燈的輻射光譜顯然有利于紅寶石晶體的吸收(吸收峰在400～550nm)惰性氣體放電燈連續(xù)氪燈的發(fā)射光譜。聚光腔作用是將泵浦光有效、均勻地傳輸?shù)焦ぷ魑镔|上聚光腔通常是一個封閉的空心幾何體燈泵浦系統(tǒng)中,側面泵浦棒狀工作物質應用最為廣泛橢圓柱聚光腔是最常見的聚光腔一般采用金屬材料，如銅、鋁等，某些小功率場合也使用玻璃材料內(nèi)表面要求高反射率。鍍高反射率的反射膜層，有金屬反射膜層和多層介質膜層。熱應力、熱透鏡效應等，統(tǒng)稱為熱效應。水冷卻LD泵浦系統(tǒng)目前激光器在向全固態(tài)方向趨勢發(fā)展用半導體激光器代替閃光燈來泵浦固體工作物質，實現(xiàn)高效、小型、穩(wěn)定振蕩。是固體激光技術領域的一次革命光譜匹配好總體效率高（25%以上）光束質量好（降低了熱透鏡效應）體積小、結構簡單，裝調(diào)方便，壽命長LD泵浦系統(tǒng)直接端面泵浦、光纖耦合端面泵浦和側面泵浦2.2紅寶石激光器紅寶石晶體是在剛玉Al2O3中，摻入了少量Cr2O3，Cr3+部分取代Al3+，其激活離子是Cr3+2E是激光上能級，壽命約3ms，由于晶格場的作用，分裂為兩個子能級2A和E（ΔE=29cm-1），向基態(tài)躍遷產(chǎn)生692.9nm和694.3nm兩條譜線。4A2能級是激光下能級，是基態(tài)，屬三能級系統(tǒng)，器件閾值比較高，只能以脈沖方式運轉。4F1和4F2為兩個吸收能級，壽命為納秒量級2.2紅寶石激光器紅寶石晶體在可見光區(qū)有兩個強吸收帶。藍帶,中心波長位于410nm附近,帶寬為360～450nm,對應于4A2向4F1能級的躍遷吸收綠帶,中心波長位于550nm附近,帶寬為510～600nm,對應于4A2向4F2能級的躍遷吸收適于采用脈沖氙燈這類強可見光光源進行泵浦2.2紅寶石激光器紅寶石晶體有兩條強熒光譜線,分別稱為R1線和R2線。R1線中心波長為694.3nm,對應于E→4A2能級的自發(fā)輻射躍遷。R2線中心波長為692.9nm,對應于2A→4A2能級的自發(fā)輻射躍遷。紅寶石激光器只產(chǎn)生694.3nm激光，692.9nm不能形成激光振蕩。激光上能級2A和E上的粒子數(shù)服從玻爾茲曼分布，E能級上粒子數(shù)略微占優(yōu)（53%）694.3nm熒光強度高于692.9nm譜線，受激輻射幾率也高694.3nm線先達到閾值條件形成激光振蕩，而這兩個能級差很小，粒子交換頻繁，譜線競爭的結果抑制了692.9nm譜線的振蕩2.3摻鈦藍寶石激光器鈦寶石晶體具有良好的熱傳導和機械性能具有高增益、低泵浦閾值，可獲得超大功率寬于500nm的波長調(diào)諧范圍，使用頻率變換技術可將波長范圍拓寬到從紫外至紅外利用鎖模技術可獲得飛秒量級的光脈沖2.3摻鈦藍寶石激光器鈦寶石晶體是摻有Ti3+的氧化鋁單軸晶體上能級2Eg和下能級2T2g分裂出的各能級分別連成兩個寬帶屬于四能級系統(tǒng)。泵浦激發(fā)到振動能帶,快速馳豫落于帶底，上能帶底與下能帶各子能級之間形成粒子數(shù)反轉,并產(chǎn)生受激輻射。粒子在基態(tài)各能級壽命非常短。鈦寶石的吸收光譜和發(fā)射光譜吸收譜帶寬度約為200nm（400-600nm），主吸收峰488nm（對應于2T2g→E1/2）和吸收次峰556nm（對應于2T2g→E3/2），適合使用藍綠光泵浦，π偏振熒光峰波長745nm，π偏振方向可獲最佳激光輸出，增益峰值波長約785nm，波長范圍為650～1200nm,帶寬(FWHM)約122nm熒光譜與吸收譜相互錯開泵浦方式與激光器結構激光束泵浦，采用Ar+激光器或倍頻Nd:YAG激光，耦合方式分為同軸泵浦和傍軸泵浦閃光燈泵浦脈沖氙燈2.3摻鈦藍寶石激光器鈦寶石晶體具有極寬的增益帶寬,除了可作為可調(diào)諧激光器外，它在鎖模激光器產(chǎn)生超短脈沖方面為人們所青睞。近幾年來,鎖模鈦寶石超短脈沖激光是一熱門課題,從理論上講,如果將縱模全部鎖定,用鈦寶石晶體可以直接產(chǎn)生1fs寬度的輸出光脈沖。目前可以實現(xiàn)鎖模的方法有主動鎖模、被動鎖模、同步泵浦鎖模、附加脈沖鎖模(APM)、共振被動鎖模(RPM)、碰撞鎖模以及自鎖模等,另外也有混合鎖模方式§3半導體激光器以半導體作為工作物質的激光器稱為半導體激光器體積小、效率高、易于調(diào)制、價格低光通信、光存儲、激光打印、測距和制導等領域有重要應用半導體的基礎知識半導體中，低溫下，未激發(fā)情況下,價帶為滿帶，導帶空帶，不導電。溫度較高時，價帶中部分電子激發(fā)到導帶，價帶中形成空穴，表現(xiàn)出導電性。在純凈的半導體中，熱運動而產(chǎn)生的自由電子和空穴數(shù)量很少摻雜電子型半導體或N型半導體空穴型半導體或P型半導體電子和空穴的統(tǒng)計分布一個電子占據(jù)能量為E的能級的幾率為費米能級EF一個表征電子在各個能級分布情況的參數(shù)，不表示電子可以實際占據(jù)的能級。T=0的情況下，E>EF時，fn(E)=0；E<EF時，fn(E)=1。也可以將理解為T=0時完全填滿和完全空缺能級的邊界。P-N結的能帶結構未加電場時，擴散作用，形成空間電荷區(qū)，產(chǎn)生自建場，方向N指向P。自建場引起漂移運動，當擴散運動和漂移運動達到熱平衡時，P區(qū)和N區(qū)的費米能級必然達到同一水平，在結區(qū)造成了能帶的彎曲P-N結的勢壘高度eVD。P區(qū)的價帶頂充滿了空穴，N區(qū)的導帶底充滿了電子。P-N結的能帶結構加正向電壓V，勢壘降低了eV，多數(shù)載流子流入對方，兩邊的少數(shù)載流子增加了，稱為“非平衡載流子”。這種現(xiàn)象叫做“載流子注入”。費米能級分離，形成準費米能級，分別描述空穴和電子的分布。在結區(qū)的一個很薄的作用區(qū)，形成了雙簡并能帶結構。半導體中粒子數(shù)反轉重摻雜PN型半導體，費米能級分別進入導帶和價帶內(nèi)部未加電壓時，勢壘高度eVD，兩區(qū)間載流子相互擴散正好被自建場抵消加正向電壓V時，勢壘降為e(VD-V),費米能級分離，且eV=(EF)N-(EF)P，P-N結的附近，導帶中有電子而價帶中有空穴，稱為“作用區(qū)”。如果電子從導帶中向價帶中躍遷，則將釋放光子，并在諧振腔的反饋作用下，產(chǎn)生受激輻射價帶頂空穴的占據(jù)幾率價帶頂電子占據(jù)幾率則為

結區(qū)導帶底和價帶頂實現(xiàn)粒子（電子）數(shù)反轉的條件

（1）導帶能級的電子占有幾率大于價帶能級中的電子占有幾率。

（2）發(fā)射的光子能量基本等于Eg，因而要求(EF)N-(EF)P>Eg，而P－N

結兩邊都必須高摻雜，從而使電子和空穴的準費米能級分別進入導帶和價帶。（3）所加的正向偏壓必須滿足導帶底電子的占據(jù)幾率N

區(qū)的費米能級來計算要產(chǎn)生激光，要求受激發(fā)射，大于受激吸收

，要求導帶能級被電子占據(jù)的幾率應大于價帶能級被電子占據(jù)的幾率，即載流子反轉分布同質結、異質結半導體激光器GaAs類半導體激光器,由同種材料—GaAs構成的p-n結即為同質結。若一側為GaAs,而另一側為GaAlAs所構成的結為"異質結“僅有一個異質結則稱為單異質結(SH)激光器,兩個異質結構為雙異質結(DH)激光器同質結、異質結半導體激光器同質結激光器有難以得到克服的缺點激活區(qū)寬（1-2μm），工作電壓高；激活區(qū)與兩側鄰近區(qū)折射率相近，光波導效應不明顯，光損耗大這使得閾值電流很高，（2-5）*104A/cm2，使器件發(fā)熱，只能低溫和低重復頻率脈沖工作。異質結將載流子約束在有源區(qū)內(nèi)，成結時，禁帶寬度差異，界面附件勢壘增高，正向偏置下，有源區(qū)可視為電子勢阱與空穴勢阱，從N區(qū)注入的電子和從P區(qū)注入的空穴都被這些勢阱束縛在有源區(qū)內(nèi)，使粒子數(shù)反轉條件容易滿足。有源區(qū)折射率大于其相鄰區(qū)域，光波導效應顯著，可將光波有效的約束在有源區(qū)內(nèi)閾值電流密度大大降低，約102-103A/cm2異質結半導體激光器雙異質結GaAs/GaAlAs激光器的典型結構，將厚度0.1-0.3um的GaAs（帶隙1.4eV）GaAlAs層（1.7eV）中間，利用結兩端自然解理面（110）構成平行平面腔。發(fā)射波長取決于Al的摻雜，一般為0.85μmInGaN/GaAs480~490nmInGaAlP/GaAs630~680nmAlGaAs/GaAs720~900nmInGaAs/GaAs980nmInGaAsP/InP1.3um1.48um1.55um半導體激光器閾值條件閾值要求增益系數(shù)和粒子數(shù)反轉的關系閾值電流密度JthGaAs半導體激光器閾值條件電流小于閾值電流，光功率變化較?。ㄗ园l(fā)輻射）；電流超過閾值電流，光功率隨電流的增加而急劇上升降低Jth的值是提高半導體水平的關鍵Jth與激光器的具體結構及制備工藝有密切關系，αin值閾值電流密度與腔長L成反比

Jth與反射率R1R2有關，一個端面鍍金反膜會使Jth降低Jth與溫度的依賴關系隨溫度升高而增加，輸出功率隨溫度升高而下降。要維持輸出功率，必須增大電流，但電流增大，溫度升高，閾值電流又增大，造成惡性循環(huán)。所以必須采取溫控措施半導體激光器的方向性諧振腔短小,方向性差。有源區(qū)厚度很薄,條寬比厚度大很多倍,垂直于和平行于結的方向的光束發(fā)散角是不對稱的,前者要大數(shù)倍。光束的遠場分布一般呈橢圓狀垂直方向的發(fā)散角d為有源層厚度水平方向的發(fā)散角

w為有源層寬度通常，垂直方向發(fā)散角達20-30°；水平方向達10°采取一定措施，垂直方向發(fā)散角達~150；水平方向發(fā)散角達~50

。半導體激光器的光譜GaAs激光器的發(fā)射光譜GaAs激光器的發(fā)射光譜線寬比固體和氣體激光器要寬，單色性就要差轉換效率與輸出功率電功率直接轉化為光功率，轉化效率很高功率效率內(nèi)量子效率i：