激光原理第五章学习教案.pptx

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1、会计学1激光激光(jgung)原理第五章原理第五章第一页，共58页。2 激光激光(jgung)(jgung)原理原理第五章典型第五章典型(dinxng)激光器介绍激光器介绍5.1 5.1 固体激光器固体激光器5.2 5.2 气体激光器气体激光器5.3 5.3 染料染料(rnlio)(rnlio)激光器激光器5.4 5.4 半导体激光器半导体激光器5.5 5.5 其他激光器其他激光器第1页/共58页第二页，共58页。35.1 固体固体(gt)激光器激光器第2页/共58页第三页，共58页。41960-5-17，Ted Maiman 发明发明(fmng)第一台激光器第一台激光器方向性好、单色性好、相

2、干性好、高亮度方向性好、单色性好、相干性好、高亮度方向性好、单色性好、相干性好、高亮度方向性好、单色性好、相干性好、高亮度第3页/共58页第四页，共58页。5固体激光器的基本结构与工作固体激光器的基本结构与工作(gngzu)(gngzu)物质物质1.1.图图5-15-1是长脉冲固体是长脉冲固体(gt)(gt)激光器的基本结构示意图激光器的基本结构示意图(冷却、滤冷却、滤光系光系2.2.统未画出统未画出)。图图5-1 固体激光器的基本固体激光器的基本(jbn)结构示意图结构示意图激光工作物质激光工作物质泵浦源泵浦源聚光腔聚光腔谐振腔谐振腔冷却与滤光冷却与滤光输出能量大输出能量大峰值功率高峰值功率

3、高结构紧凑，牢固耐用结构紧凑，牢固耐用第4页/共58页第五页，共58页。62.2.红宝石激光器红宝石激光器l红宝石是在三氧化二铝红宝石是在三氧化二铝(A12O3)(A12O3)中掺入少量的氧化铬中掺入少量的氧化铬(Cr2O3)(Cr2O3)生长生长成的晶体。它的吸收光谱特性主要取决于铬离子成的晶体。它的吸收光谱特性主要取决于铬离子(Cr3(Cr3)。如图。如图5-25-2所示。它属于三能级系统所示。它属于三能级系统(xtng)(xtng)，相应于图，相应于图5-35-3的简化能级模型的简化能级模型 图图(5-2)红宝石中铬离子红宝石中铬离子(lz)的吸收光谱的吸收光谱0.55um0.4um第5

4、页/共58页第六页，共58页。7图图(5-3)红宝石中铬离子红宝石中铬离子(lz)的能级结构的能级结构0.6943um0.6929um优点优点(yudin):(yudin):容易容易单模输出单模输出缺点缺点:阈值阈值(y zh)(y zh)高且温度效应严高且温度效应严重重l红宝石激光器的优点和主要缺点。红宝石激光器的优点和主要缺点。机械强度高，容易生长大尺寸晶体机械强度高，容易生长大尺寸晶体第6页/共58页第七页，共58页。83.掺钕钇铝石榴石掺钕钇铝石榴石(Nd3：YAG)l工作物质工作物质:将一定比例将一定比例(bl)的的A12O3、Y2O3，和，和Nd2O3在单在单晶炉中进行熔化结晶而成

5、的，呈淡紫色。它的激活粒子是钕离晶炉中进行熔化结晶而成的，呈淡紫色。它的激活粒子是钕离子子(Nd3).图图(5-4)Nd3:YAG 晶体晶体(jngt)的吸收光谱的吸收光谱第7页/共58页第八页，共58页。9图图(5-5)Nd3:YAG 的能级的能级(nngj)结构结构lYAG中中Nd3与激光与激光(jgung)产生有关的能级结构如图产生有关的能级结构如图(5-5)所所示。示。l 它属于四能级系统。它属于四能级系统。优点优点(yudin):(yudin):阈值低，阈值低，具有良好的热学性质具有良好的热学性质第8页/共58页第九页，共58页。10固体固体(gt)(gt)激光器的泵浦系统激光器的泵

6、浦系统1.1.固体激光工作物质是绝缘晶体，一般都采用光泵浦激励。目前的泵固体激光工作物质是绝缘晶体，一般都采用光泵浦激励。目前的泵浦光源浦光源(gungyun)(gungyun)多为工作于弧光放电状态的惰性气体放电灯。多为工作于弧光放电状态的惰性气体放电灯。2.2.2.2.常用的泵浦灯在空间的辐射都是全方位的，因而固体工作物常用的泵浦灯在空间的辐射都是全方位的，因而固体工作物 质一般都加工成圆柱棒形状，所以为了将泵浦灯发出的光能质一般都加工成圆柱棒形状，所以为了将泵浦灯发出的光能(gungnng)(gungnng)完全聚到工作物质上，必须采用聚光腔。完全聚到工作物质上，必须采用聚光腔。泵浦光源

7、应当满足两个基本条件泵浦光源应当满足两个基本条件l发光效率高发光效率高l辐射光的光谱特性应与激光工作物质的辐射光的光谱特性应与激光工作物质的吸收光谱吸收光谱相匹配相匹配第9页/共58页第十页，共58页。113.3.图图(5-6)(5-6)所示的椭圆柱聚光腔是小型固体激光器中最常采用所示的椭圆柱聚光腔是小型固体激光器中最常采用(ciyng)(ciyng)的聚光的聚光腔，它的内表面被抛光成镜面，其横截面是一个椭圆。腔，它的内表面被抛光成镜面，其横截面是一个椭圆。图图(5-6)椭圆柱聚光腔椭圆柱聚光腔4.4.固体激光器的泵浦系统需要冷却。常用的冷却方式固体激光器的泵浦系统需要冷却。常用的冷却方式(f

8、ngsh)(fngsh)有液有液体冷却、体冷却、气体冷却和传导冷却等，其中以液冷最为普遍。气体冷却和传导冷却等，其中以液冷最为普遍。5.5.泵浦灯和工作物质泵浦灯和工作物质(wzh)(wzh)之间插入滤光器件滤去泵浦光中的紫之间插入滤光器件滤去泵浦光中的紫外光谱。外光谱。焦线位置焦线位置焦线位置焦线位置第10页/共58页第十一页，共58页。12固体固体(gt)(gt)激光器的输出特性激光器的输出特性1.1.固体固体(gt)(gt)激光器的激光脉激光器的激光脉冲特性冲特性 2.2.转换转换(zhunhun)(zhunhun)效率效率 l总总体体效效率率定定义义为为激激光光输输出出与与泵泵浦浦灯灯

9、的的电电输输入入之之比比。对对于于连连续续激激光光 器器(用功率描述用功率描述)和脉冲激光器和脉冲激光器(用能量描述用能量描述)分别表示为：分别表示为：l一一般般的的脉脉冲冲固固体体激激光光器器产产生生的的激激光光脉脉冲冲是是由由一一连连串串不不规规则则振振荡荡 的的 短短 脉脉 冲冲(或或 称称 尖尖 峰峰)组组 成成 的的，各各 个个 短短 脉脉 冲冲 的的 持持 续续 时时 间间 约约 为为(0 0.1 1 1 1)s s，各各 短短 脉脉 冲冲 之之 间间 的的 间间 隔隔 约约 为为(5 5 1 1 0 0)s s。泵泵 浦浦 光光 愈愈 强强，短短 脉脉 冲数目愈多，其包络峰值并不

10、增加。冲数目愈多，其包络峰值并不增加。l可用调可用调Q Q技术得到激光巨脉冲技术得到激光巨脉冲第11页/共58页第十二页，共58页。13第12页/共58页第十三页，共58页。14新型新型(xnxng)(xnxng)固体激光器固体激光器1.1.半导体激光器泵浦的固体半导体激光器泵浦的固体(gt)(gt)激光激光器器 图图(5-7)半导体激光器泵浦固体半导体激光器泵浦固体(gt)激光器的结构示意图激光器的结构示意图l半导体激光器泵浦固体激光器与闪光灯泵浦固体激光器相比有半导体激光器泵浦固体激光器与闪光灯泵浦固体激光器相比有 其主要优点其主要优点 l半导体激光器泵浦固体激光器的结构，有如图半导体激光

11、器泵浦固体激光器的结构，有如图(5-7)(a)(5-7)(a)所示的所示的 端泵浦方式和图端泵浦方式和图(5-7)(b)(5-7)(b)所示的侧泵浦方式。所示的侧泵浦方式。能量转换效率高能量转换效率高工作时无功热量小、介质温度稳定、激光谱线更窄工作时无功热量小、介质温度稳定、激光谱线更窄寿命长寿命长,结构简单结构简单第13页/共58页第十四页，共58页。152.2.可调谐固体激光器可调谐固体激光器输出输出(shch)(shch)波长可变化波长可变化 可调谐固体激光器主要有两类：可调谐固体激光器主要有两类：色心激光器色心激光器用掺过渡族金属用掺过渡族金属(jnsh)(jnsh)离子的激光晶体制作

12、的可调谐激光器。离子的激光晶体制作的可调谐激光器。3.3.高功率固体高功率固体(gt)(gt)激光激光器器 l高功率固体激光器主要是指输出平均功率在几百瓦以上的各种高功率固体激光器主要是指输出平均功率在几百瓦以上的各种 连续、准连续及脉冲固体激光器，它一直是军事应用和激光加连续、准连续及脉冲固体激光器，它一直是军事应用和激光加 工应用所追求的目标。工应用所追求的目标。l关键技术：克服固体工作物质中的热效应关键技术：克服固体工作物质中的热效应第14页/共58页第十五页，共58页。165.2 气体气体(qt)激光器激光器第15页/共58页第十六页，共58页。17 氦氦氦氦-氖氖氖氖(He-Ne)(

13、He-Ne)(He-Ne)(He-Ne)激光器激光器激光器激光器1.He-Ne激光器的结构激光器的结构(jigu)和和激发机理激发机理 图图(5-9)He-Ne激光器的基本结构激光器的基本结构(jigu)形式形式 He-Ne激光器可以激光器可以(ky)分为内腔式、外腔式和半内腔式三种。分为内腔式、外腔式和半内腔式三种。第16页/共58页第十七页，共58页。18图图(5-10)与激光与激光(jgung)跃迁有关的跃迁有关的Ne原子的部分能级图原子的部分能级图He-Ne激光器是典型的四能激光器是典型的四能级系统，其激光谱线主要级系统，其激光谱线主要(zhyo)有三条有三条:3S2P 0.6328m

14、2S2P 1.15m3S3P 3.39m NeNe原子原子(yunz)(yunz)的激光上能级是的激光上能级是3S3S和和2S2S能级，激光下能级是能级，激光下能级是3P3P和和2P2P能级。能级。第17页/共58页第十八页，共58页。192.He-Ne激光器的输出特性激光器的输出特性(1 1)谱谱线线竞竞争争(j j n ng gz zh h n ng g):H H e e-N N e e激激光光器器三三条条强强的的激激光光谱谱线线(0 0.6 63 32 28 8m m，1 1.1 15 5m m，3 3.3 39 9m m)中中哪哪一一条条谱谱线线起起振振完完全全取取决决于于谐谐振振腔腔

15、介介质质膜膜 反反射射镜镜的的波波长长选选择择。(2 2)输输出出功功率率特特性性:H H e e-N N e e激激光光器器的的 放放 电电 电电 流流 对对 输输 出出 功功 率率 影影 响响(y y n ng gx xi i n ng g)很很大大。图图(5 5-1 11 1)是是实实验验测测得得的的输输出出功功 率率 与与 放放 电电 电电 流流 的的 关关 系系 曲曲 线线 图图(5-11)输出功率与放电电流输出功率与放电电流(dinli)的关系曲线的关系曲线第18页/共58页第十九页，共58页。20He-Ne激光器存在着最佳混合比和最佳充气总压强激光器存在着最佳混合比和最佳充气总压

16、强(yqing)，即存在，即存在最佳充气条件。最佳充气条件。在最佳充气条件下，使输出功率最大的放电电流叫最佳放电电流在最佳充气条件下，使输出功率最大的放电电流叫最佳放电电流 若放电毛细管的直径为若放电毛细管的直径为d，充气压强，充气压强(yqing)为为p，则存在一个使输，则存在一个使输出功率最大的最佳出功率最大的最佳 pd值。值。在最佳放电条件下，工作物质的增益系数和毛细管直径在最佳放电条件下，工作物质的增益系数和毛细管直径d成反比。成反比。第19页/共58页第二十页，共58页。211.Three basic processes of radiation.2.How is a laser p

17、roduced?LASER(1)Absorption (1)Absorption (2)Spontaneous Emission(2)Spontaneous Emission(3)Stimulated Emission(3)Stimulated Emission(1)Stimulated emission(1)Stimulated emission(2)Population Inversion(2)Population Inversion(3)Optical Cavity(3)Optical Cavity第20页/共58页第二十一页，共58页。221.CO2激光器的结构激光器的结构(jigu)

18、和激发和激发过程过程 图图(5-12)封离式封离式CO2激光器结构激光器结构(jigu)示意图示意图图图(5-12)(5-12)是一种典型的结构示意图。构成是一种典型的结构示意图。构成CO2CO2激光器谐振腔的两个激光器谐振腔的两个(lin)(lin)反射镜放置在可供调节的腔片架上，最简单的方法是将反反射镜放置在可供调节的腔片架上，最简单的方法是将反射镜直接贴在放电管的两端。射镜直接贴在放电管的两端。COCOCOCO2 2 2 2激光器激光器激光器激光器第21页/共58页第二十二页，共58页。23CO2CO2激光器中与产生激光器中与产生(chnshng)(chnshng)激光有关的激光有关的C

19、O2CO2分子能级图如图分子能级图如图(5-(5-13)13)所示。所示。图图(5-13)与产生激光有关的与产生激光有关的CO2分子分子(fnz)能级图能级图跃迁跃迁(yuqin)几率大几率大第22页/共58页第二十三页，共58页。242.CO2激光器的输出特性激光器的输出特性 相应于相应于CO2激光器的输出功率，其放电电流有一个激光器的输出功率，其放电电流有一个(y)最佳值。最佳值。CO2 激光器的最佳放电电流与放电管的直径，管内总气压，以及气体混合比激光器的最佳放电电流与放电管的直径，管内总气压，以及气体混合比有关。有关。(1)放电放电(fng din)特性特性 CO2激激光光器器的的转转

20、换换效效率率是是很很高高的的，但但最最高高也也不不会会(b hu)超超 过过 40，这这就就是是说说，将将 有有 60以以上上的的能能量量转转换换为为气气体体的的热热能能，使使温温度度升升高高。而而气气体体温温度度的的升升高高，将将引引起起激激光光上上能能级级的的消消激激发发和和激激光光下下能能级级的的热热激激发发，这这都都会会使使粒粒子子的的反反转转数数减减少少。并并且且，气气体体温温度度的的升升高高，将将使使谱谱线线展展宽宽，导导致致增增益益系系数数下下降降。特特别别是是，气气体体温温度度 的的 升升 高高，还还 将将 引引 起起 C O 2分分 子子 的的 分分 解解，降降 低低 放放

21、电电 管管内内的的 CO2分分子子浓浓度度。(2)温度效应温度效应 第23页/共58页第二十四页，共58页。25+离子离子(lz)(lz)激光器激光器1.Ar激光器的结构激光器的结构(jigu)ArAr激光器一般由放电管、谐振腔、轴向磁场和回气管等几部分组成激光器一般由放电管、谐振腔、轴向磁场和回气管等几部分组成(z(z chn)chn)。如图。如图(5-14)(5-14)所示为石墨放电管的分段结构所示为石墨放电管的分段结构 。图图(5-14)分段石墨结构分段石墨结构Ar+激光器示意图激光器示意图第24页/共58页第二十五页，共58页。262.Ar2.Ar激光器的激发激光器的激发(jf)(jf

22、)机理机理 Ar Ar激光器与激光辐射激光器与激光辐射(fsh)(fsh)有关的能级结构如图有关的能级结构如图(5-(5-15)15)所示所示 图图(5-15)与产生激光有关的与产生激光有关的Ar+的能级的能级(nngj)结构结构第25页/共58页第二十六页，共58页。273.Ar3.Ar激光器的工作激光器的工作(gngzu)(gngzu)持性持性 Ar Ar激光器可以产生激光器可以产生(chnshng)(chnshng)多条激光谱线，对应每条谱线多条激光谱线，对应每条谱线都有一个都有一个 阈值电流。最强谱线阈值电流。最强谱线:0.4880um,0.5145um:0.4880um,0.5145

23、um(1)多谱线工作多谱线工作(gngzu)(2)输出功率与放电电流的关系输出功率与放电电流的关系 由于由于ArAr激光器特殊的激发机制，其输出功率随放电电流的变化规律与其它激光器特殊的激发机制，其输出功率随放电电流的变化规律与其它激光器有所不同，图激光器有所不同，图(5-16)(5-16)示出了其间的关系曲线。示出了其间的关系曲线。图图(5-16)Ar+激光器输出功率随放电电流变化曲线激光器输出功率随放电电流变化曲线第26页/共58页第二十七页，共58页。285.3 染料染料(rnlio)激光器激光器第27页/共58页第二十八页，共58页。29染料染料(rnlio)(rnlio)激光器的激发

24、激光器的激发机理机理1.1.染料分子染料分子(fnz)(fnz)能能级级 染料分子能级染料分子能级(nngj)(nngj)图是如图图是如图(5-17)(5-17)所示的准连续态能级所示的准连续态能级(nngj)(nngj)结构。结构。图图(5-17)染料分子能级图染料分子能级图第28页/共58页第二十九页，共58页。302.2.染料分子染料分子(fnz)(fnz)的光辐的光辐射过程射过程 如图如图(5-18)(5-18)所示染料所示染料(rnlio)(rnlio)的吸收的吸收-荧光光谱图荧光光谱图图图(5-18)染料染料(rnlio)的吸收的吸收-荧光光谱图荧光光谱图3.3.染料分子的三重态染

25、料分子的三重态“陷阱陷阱”第29页/共58页第三十页，共58页。31染料染料(rnlio)(rnlio)激光器的泵浦激光器的泵浦1.1.闪光灯脉冲闪光灯脉冲(michng)(michng)泵浦泵浦 泵浦用闪光灯有两种结构泵浦用闪光灯有两种结构(jigu)(jigu)，普通直管式和同轴，普通直管式和同轴式。式。2.2.激光脉冲泵浦激光脉冲泵浦 能能够够用用于于泵泵浦浦染染料料激激光光器器的的激激光光种种类类很很多多，主主要要有有氮氮分分子子激激光光 器器(0 0.3 33 37 7 m m)，红红宝宝石石激激光光器器(0 0.6 69 94 43 3 m m)，Y YA AG G激激光光器器(1

26、 1.0 06 6 m m)，铜铜 蒸蒸 气气 激激 光光 器器(0 0.5 5 1 1 0 0 6 6 m m、0 0.5 57 78 82 2 m m)，准准 分分 子子 激激光器光器(主要在紫外区主要在紫外区)以及这些激光的二次、三次谐波等。以及这些激光的二次、三次谐波等。第30页/共58页第三十一页，共58页。32Nd:YAGBrilliant BDye LaserTDL-90Laser SourceTunable Dye Laser Pumped By Nd:YAG Laser第31页/共58页第三十二页，共58页。33Alignment of the dye laser Optic

27、s第32页/共58页第三十三页，共58页。34染料染料(rnlio)(rnlio)激光器的调谐激光器的调谐1.1.光栅光栅(gungshn)(gungshn)调谐调谐 图图(5-20)(5-20)是一种光栅是一种光栅-反射镜调谐反射镜调谐(tioxi)(tioxi)腔，放在腔中的光栅腔，放在腔中的光栅G G具有具有扩束和色散作用。扩束和色散作用。图图(5-20)光栅光栅-反射镜调谐腔反射镜调谐腔第33页/共58页第三十四页，共58页。352.2.棱镜棱镜(lngjng)(lngjng)调谐调谐 图图(5-21)(5-21)是一种折叠式纵向泵浦染料激光器原理图，腔内放置的棱镜是一是一种折叠式纵向

28、泵浦染料激光器原理图，腔内放置的棱镜是一种色散种色散(ssn)(ssn)元件。元件。图图(5-21)棱镜棱镜(lngjng)调谐腔调谐腔第34页/共58页第三十五页，共58页。365.4 半导体激光器半导体激光器第35页/共58页第三十六页，共58页。37半导体的能带和产生受激辐射半导体的能带和产生受激辐射(fsh)(fsh)的条件的条件1.1.在一个具有在一个具有N N个粒子相互作用的晶体中，每一个能级会分裂成为个粒子相互作用的晶体中，每一个能级会分裂成为(chngwi)N(chngwi)N个能级，因此这彼此十分接近的个能级，因此这彼此十分接近的N N个能级好象形成一个连续的带，个能级好象形

29、成一个连续的带，称之为能带，见图称之为能带，见图图图(5-23)固体固体(gt)的能带的能带第36页/共58页第三十七页，共58页。382.2.纯净纯净(chnjng)(chnjng)(本征本征)半导体材料，如单晶硅、锗等，在绝对温度为零半导体材料，如单晶硅、锗等，在绝对温度为零的理想状态下，能带由一个充满电子的价带和一个完全没有电子的导带组成，的理想状态下，能带由一个充满电子的价带和一个完全没有电子的导带组成，如图如图图图(5-24)本征半导体的能带结构本征半导体的能带结构(jigu)3.3.热平衡时，电子在能带中的分布不再热平衡时，电子在能带中的分布不再(b zi)(b zi)服从玻尔兹曼

30、分布，而服从费米服从玻尔兹曼分布，而服从费米分布，能级分布，能级E E被电子占据的几率为被电子占据的几率为 第37页/共58页第三十八页，共58页。394.4.杂质半导体中费米能级的位置杂质半导体中费米能级的位置(wi zhi)(wi zhi)与杂质类型及掺杂浓度有密切关系。为了说明与杂质类型及掺杂浓度有密切关系。为了说明问题，图问题，图(5-25)(5-25)给出了温度极低时的情况。给出了温度极低时的情况。5.5.在半导体中产生在半导体中产生(chnshng)(chnshng)光放大的条件是在半导体中存在双简并能带，并且入射光的频率光放大的条件是在半导体中存在双简并能带，并且入射光的频率满足

31、满足 图图(5-25)费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度关系费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度关系第38页/共58页第三十九页，共58页。40结和粒子结和粒子(lz)(lz)数反转数反转1.P-N1.P-N结的双简并能带结构结的双简并能带结构(jigu)(jigu)把把P P型和型和N N型半导体制作在一起，是否可能在结区产生两个费米型半导体制作在一起，是否可能在结区产生两个费米(fi m)(fi m)能级呢？能级呢？未加电场时，未加电场时，P P区和区和N N区的费米能级必然达到同一水平，如图区的费米能级必然达到同一水平，如图(5-26)(5-26)。图图(5-26)PN能带能带第39页/共

32、58页第四十页，共58页。41 在在P-N结上加以正向电压结上加以正向电压V时，形成结区的两个时，形成结区的两个(lin)费米能级费米能级 和和 ，称为准费米，称为准费米能级，如图能级，如图(5-27)。图图(5-27)正向电压正向电压(diny)V时形成的双简并能带结构时形成的双简并能带结构第40页/共58页第四十一页，共58页。422.2.粒子粒子(lz)(lz)数数反转反转 产生受激辐射产生受激辐射(fsh)(fsh)的条件是在结区的导带底部和价带顶部形成粒子数反转的条件是在结区的导带底部和价带顶部形成粒子数反转分布。分布。激光器在连续激光器在连续(linx)(linx)发光的动平衡状态

33、，导带底电子的占据几率为发光的动平衡状态，导带底电子的占据几率为价带顶空穴的占据几率可以用价带顶空穴的占据几率可以用P P区的准费米能级来计算区的准费米能级来计算 价带顶电子占据几率则为价带顶电子占据几率则为 在结区导带底和价带顶实现粒子（电子）数反转的条件是在结区导带底和价带顶实现粒子（电子）数反转的条件是第41页/共58页第四十二页，共58页。431.1.半导体激光器的基本结构和工作半导体激光器的基本结构和工作(gngzu)(gngzu)原理原理 图图(5-28)GaAs激光器的结构激光器的结构(jigu)半导体激光器的工作半导体激光器的工作(gngzu)(gngzu)原理和阈值条原理和阈

34、值条件件 图图(5-28)(5-28)示出了示出了GaAsGaAs激光器的结构。激光器的结构。第42页/共58页第四十三页，共58页。442.2.半导体激光器工作半导体激光器工作(gngzu)(gngzu)的阈值的阈值条件条件 激光器产生激光的前提条件除了激光器产生激光的前提条件除了(ch le)(ch le)粒子数发生反转还粒子数发生反转还需要满足阈值条件需要满足阈值条件 增益系数和粒子数反转的关系增益系数和粒子数反转的关系(gun x)(gun x)也取决于谐振腔内的工也取决于谐振腔内的工作物质作物质 第43页/共58页第四十四页，共58页。453.3.半导体激光器的阈值电流半导体激光器的

35、阈值电流 在一定的时间间隔在一定的时间间隔(jin g)(jin g)内，注入激光器的电子总数与同样时间内发生内，注入激光器的电子总数与同样时间内发生的电子与空穴复合数相等而达到平衡的电子与空穴复合数相等而达到平衡 第44页/共58页第四十五页，共58页。46同质同质(tn zh)(tn zh)结和异质结半导体激光器结和异质结半导体激光器 1.同质同质(tn zh)结砷化镓结砷化镓(GaAs)激光器的特性激光器的特性 图图(5-29)GaAs激光器的伏安激光器的伏安(f n)特性特性伏安特性伏安特性:与二极管相同，也具有单向导电性。与二极管相同，也具有单向导电性。阈值电流密度阈值电流密度:影响

36、阈值的因素很多影响阈值的因素很多 第45页/共58页第四十六页，共58页。47方向性方向性:图图(5-30)(5-30)给出了半导体激光束的空间给出了半导体激光束的空间(kngjin)(kngjin)分布示意分布示意图。图。图图(5-30)激光束的空间激光束的空间(kngjin)分布示意图分布示意图 第46页/共58页第四十七页，共58页。48光谱特性光谱特性:图图(5-31)是是GaAs激光器的发射光谱激光器的发射光谱(f sh un p)。其中图。其中图(a)是低于阈值时的荧光光谱，谱宽一般为几百埃，图是低于阈值时的荧光光谱，谱宽一般为几百埃，图(b)是注入电流达到或大于阈值时的激光光谱，

37、谱宽达几十埃。是注入电流达到或大于阈值时的激光光谱，谱宽达几十埃。图图(5-31)GaAs激光器的发射光谱激光器的发射光谱(f sh un p)第47页/共58页第四十八页，共58页。49转换效率转换效率 直接直接(zhji)(zhji)将电功率转换为光功率，转换效将电功率转换为光功率，转换效率极高率极高 外微分外微分(wi fn)(wi fn)量子量子效率效率:功率效率功率效率:功率效率定义功率效率定义(dngy)(dngy)为激光器的输出功率与输入电功率之比为激光器的输出功率与输入电功率之比 第48页/共58页第四十九页，共58页。50单异质单异质(y zh)(y zh)结半导体结半导体激

38、光器激光器 双异质双异质(y zh)(y zh)结半导体激光器结半导体激光器图图(5-32)同质同质(tn zh)结、异质结结构示意图结、异质结结构示意图2.2.异质结半导体激光器异质结半导体激光器第49页/共58页第五十页，共58页。51高亮度半导体激光器高亮度半导体激光器 小功率小功率(gngl)半导体激光器半导体激光器 小功率小功率(gngl)光纤耦合半导体激光器光纤耦合半导体激光器 大功率光纤耦合输出大功率光纤耦合输出(shch)的半导体激光的半导体激光 光通信系统光通信系统光通信系统光通信系统固体激光泵浦固体激光泵浦固体激光泵浦固体激光泵浦医疗、微加工、打标、医疗、微加工、打标、医疗

39、、微加工、打标、医疗、微加工、打标、照明、激光打印机、照明、激光打印机、照明、激光打印机、照明、激光打印机、全息照相、激光准直、测距等领域全息照相、激光准直、测距等领域全息照相、激光准直、测距等领域全息照相、激光准直、测距等领域 超小型超小型超小型超小型高效率高效率高效率高效率结构简单结构简单结构简单结构简单价格便宜价格便宜价格便宜价格便宜第50页/共58页第五十一页，共58页。525.5 其他其他(qt)激光器激光器第51页/共58页第五十二页，共58页。53准分子激光器准分子激光器1.1.准分子激光器的特点准分子激光器的特点(tdin)(tdin)图图(5-33)准分子的能级准分子的能级(

40、nngj)结构结构能级结构能级结构(jigu)(jigu)有明显的特点。如图有明显的特点。如图(5-33)(5-33)所示，所示，A A表示较高激发态，表示较高激发态，B B表示激光上能级，表示激光上能级，C C表示基态。表示基态。由于基态寿命很短，即使是超短脉冲情况下，基态也由于基态寿命很短，即使是超短脉冲情况下，基态也可认为是空的，因此准分子体系对产生巨脉冲特别有可认为是空的，因此准分子体系对产生巨脉冲特别有利。利。激光下能级是基态，基本上没有无辐射损耗。因此量子效率很高，这是准分子激光激光下能级是基态，基本上没有无辐射损耗。因此量子效率很高，这是准分子激光器可能达到高效率的主要原因。器可

41、能达到高效率的主要原因。由于激光下能级的离子迅速离解，因而拉长脉宽和高重复率工作都没有困难。由于激光下能级的离子迅速离解，因而拉长脉宽和高重复率工作都没有困难。由于准分子的荧光光谱为一连续带，故可做成频率可调谐器件。由于准分子的荧光光谱为一连续带，故可做成频率可调谐器件。第52页/共58页第五十三页，共58页。542.2.准分子激光器的泵浦方式准分子激光器的泵浦方式(fngsh)(fngsh)电子束泵浦电子束泵浦 快速快速(kui s)(kui s)放电泵浦放电泵浦 快速快速(kui s)(kui s)放电泵浦方式多采用所谓布鲁姆莱放电泵浦方式多采用所谓布鲁姆莱(Blumlein)(Bluml

42、ein)电电路路 横向横向(hn xin)(hn xin)泵浦泵浦 纵向泵浦纵向泵浦 同轴电子束泵浦同轴电子束泵浦第53页/共58页第五十四页，共58页。55小型小型小型小型(xioxng)(xioxng)准分子激光器准分子激光器准分子激光器准分子激光器 第54页/共58页第五十五页，共58页。56自由电子自由电子(z yu din z)(z yu din z)激光器激光器1.1.自由电子激光器的工作物质是自由电子束，它和普通激光器的根本区别在于：辐射不是自由电子激光器的工作物质是自由电子束，它和普通激光器的根本区别在于：辐射不是(b shi)(b shi)基于原子、分子或离子的束缚电子能级间

43、的跃迁。基于原子、分子或离子的束缚电子能级间的跃迁。2.2.自由电子自由电子(z yu din z)(z yu din z)激光的特点激光的特点 3.3.目前，自由电子激光器仍处于试验阶段，离实际应用尚有相当一段距离。目前，自由电子激光器仍处于试验阶段，离实际应用尚有相当一段距离。第55页/共58页第五十六页，共58页。57 将化学能直接将化学能直接(zhji)(zhji)转换转换成激光。成激光。化学化学(huxu)(huxu)激光器激光器1.1.化学激光器是指基于化学反应来建立粒子数反转而产生受激辐射的一类激光器。化学激化学激光器是指基于化学反应来建立粒子数反转而产生受激辐射的一类激光器。化学激光器的工作物质可以光器的工作物质可以(ky)(ky)是气体或液体，但目前大多数是用气体。是气体或液体，但目前大多数是用气体。2.2.化学激光器具有如下三方面的特点化学激光器具有如下三方面的特点 输出的激光波长丰富。输出的激光波长丰富。高功率、高能量激光输出。高功率、高能量激光输出。第56页/共58页第五十七页，共58页。58本章本章(bn zhn)(bn zhn)要点：要点：P124 P124 思考思考(sko)(sko)练练习题习题 1 1，6 6，8 8，1212第57页/共58页第五十八页，共58页。