激光原理-第五章ppt课件.ppt

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1、我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物1我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2 第五章典型激光器介绍第五章典型激光器介绍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 染料激光器染料激光器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五章第五章 典型激光器介绍典型激光器介绍我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这

2、样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物35.1 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物1960-5-17，Ted Maiman 发明第一台激光器发明第一台激光器第五章第五章 典型激光器介绍典型激光器介绍我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物55.1.1 5.1.1 固体激光器的基本结构与工作物质固体激光器的基本结构与工作物质 图图5-15-1是长脉冲固体激光器

3、的基本结构示意图是长脉冲固体激光器的基本结构示意图( (冷却、滤光系冷却、滤光系 统未画出统未画出) )。 图图5-1 固体激光器的基本结构示意图固体激光器的基本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高结构紧凑，牢固耐用结构紧凑，牢固耐用第五章第五章 典型激光器介绍典型激光器介绍我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物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(A1(A12 2

4、O O3 3) )中掺入少量的氧化铬中掺入少量的氧化铬(Cr(Cr2 2O O3 3) )生生长成的晶体。它的吸收光谱特性主要取决于长成的晶体。它的吸收光谱特性主要取决于铬离子铬离子(Cr(Cr3 3) )。如。如图图5-25-2所示。它属于所示。它属于三能级系统三能级系统，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) 红宝石中铬离子的吸收光谱红宝石中铬离子的吸收光谱0.55um0.4um第五章第五章 典型激光器介绍典型激光器介绍我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物

5、7图图(5-3) 红宝石中铬离子的能级结构红宝石中铬离子的能级结构0.6943um0.6929um优点优点: : 容易单模输出容易单模输出缺点缺点: : 阈值高且温度效应严重阈值高且温度效应严重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五章第五章 典型激光器介绍典型激光器介绍我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物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:将一定比例的将一定比例的A12

6、O3、Y2O3，和，和Nd2O3在单晶炉中进在单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行熔化结晶而成的，呈淡紫色。它的激活粒子是钕离子(Nd3).图图(5-4) Nd3:YAG 晶体的吸收光谱晶体的吸收光谱第五章第五章 典型激光器介绍典型激光器介绍我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物9图图(5-5) Nd3:YAG 的能级结构的能级结构lYAG中中Nd3与激光产生有关的能级结构如图与激光产生有关的能级结构如图(5-5)所示。所示。 它属于它属于四能级系统四能级系统。 优点优点:

7、 : 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五章第五章 典型激光器介绍典型激光器介绍我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物105.1.2 5.1.2 固体激光器的泵浦系统固体激光器的泵浦系统固体激光工作物质是绝缘晶体，一般都采用固体激光工作物质是绝缘晶体，一般都采用光泵浦激励光泵浦激励。目。目前的泵浦光源多为工作于弧光放电状态的惰性气体放电灯。前的泵浦光源多为工作于弧光放电状态的惰性气体放电灯。 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

8、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 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五章第五章 典型激光器介绍典型激光器介绍我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物113.3.图图(5-6)(5-

9、6)所示的椭圆柱聚光腔是小型固体激光器中最常采用的聚光腔，所示的椭圆柱聚光腔是小型固体激光器中最常采用的聚光腔，它的内表面被抛光成镜面，其横截面是一个椭圆。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。常用的冷却方式有液体冷却、固体激光器的泵浦系统需要冷却。常用的冷却方式有液体冷却、 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.泵浦灯和工作物质之间插入滤光器件滤去泵浦光中的紫外光谱。泵浦灯和工作物质之间插入滤光器件滤去泵浦光中的紫外光谱。 焦线位置焦线位置焦线位置

10、焦线位置第五章第五章 典型激光器介绍典型激光器介绍我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物125.1.3 5.1.3 固体激光器的输出特性固体激光器的输出特性1. 1. 固体激光器的激光脉冲特性固体激光器的激光脉冲特性 2. 2. 转换效率转换效率 l总体效率定义为激光输出与泵浦灯的电输入之比。对于连续激光总体效率定义为激光输出与泵浦灯的电输入之比。对于连续激光 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：couabcLpint

11、hinouttPPPP1211couabcLpinthinouttEEEE1211l一般的脉冲固体激光器产生的激光脉冲是由一连串不规则振荡一般的脉冲固体激光器产生的激光脉冲是由一连串不规则振荡 的短脉冲的短脉冲( (或称尖峰或称尖峰) )组成的，各个短脉冲的持续时间约为组成的，各个短脉冲的持续时间约为(0.1(0.1 1)1) s s，各短脉冲之间的间隔约为，各短脉冲之间的间隔约为(5(5 10) 10) s s。泵浦光愈强，短脉。泵浦光愈强，短脉 冲数目愈多，其包络峰值并不增加。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我吓了一跳，蝎子是多么丑

12、恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物第五章第五章 典型激光器介绍典型激光器介绍我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物145.1.4 5.1.4 新型固体激光器新型固体激光器1. 1. 半导体激光器泵浦的固体激光器半导体激光器泵浦的固体激光器 图图(5-7) 半导体激光器泵浦固体激光器的结构示意图半导体激光器泵浦固体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

13、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五章第五章 典型激光器介绍典型激光器介绍我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物15

14、2. 2. 可调谐固体激光器可调谐固体激光器输出波长可变化输出波长可变化 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：l色心激光器色心激光器l用掺过渡族金属离子的激光晶体制作的可调谐激光器。用掺过渡族金属离子的激光晶体制作的可调谐激光器。 3. 3. 高功率固体激光器高功率固体激光器 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

15、关键技术：克服固体工作物质中的热效应第五章第五章 典型激光器介绍典型激光器介绍我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物165.2 第五章第五章 典型激光器介绍典型激光器介绍我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物175.2.1 1. He-Ne激光器的结构和激发机理激光器的结构和激发机理 图图(5-9) He-Ne激光器的基本结构形式激光器的基本结构形式 He-Ne激光器可以分为内腔式、外腔式和半内腔式三

16、种。激光器可以分为内腔式、外腔式和半内腔式三种。第五章第五章 典型激光器介绍典型激光器介绍我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物18图图(5-10) 与激光跃迁有关的与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图原子的部分能级图He- -Ne激光器是典型的激光器是典型的四能级系统，其激光谱四能级系统，其激光谱线主要有三条线主要有三条 :3S2P 0. .6328 m2S2P 1. .15 m3S3P 3. .39 m NeNe原子的激光上能级是原子的激光上能级是3S3S和和2S2S能级，激光下能级是能级，激

17、光下能级是3P3P和和2P2P能级。能级。 第五章第五章 典型激光器介绍典型激光器介绍我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物192. He-Ne激光器的输出特性激光器的输出特性 (1)(1)谱线竞争谱线竞争:He-Ne:He-Ne激光器三条强的激光谱线激光器三条强的激光谱线( (0.6328 m， 1.15 m，3.39 m) )中哪一条谱线起振完全取决于谐振腔介质膜中哪一条谱线起振完全取决于谐振腔介质膜 反射镜的波长选择。反射镜的波长选择。(2)(2)输出功率特性输出功率特性: : He-NeH

18、e-Ne激光器激光器的放电电流对输出功率影响很大。的放电电流对输出功率影响很大。图图(5-11)(5-11)是实验测得的输出是实验测得的输出功率与放电电流的关系曲线功率与放电电流的关系曲线 图图(5-11) 输出功率与放电电流的关系曲线输出功率与放电电流的关系曲线第五章第五章 典型激光器介绍典型激光器介绍我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物20He-Ne激光器存在着最佳混合比和最佳充气总压强，即存在激光器存在着最佳混合比和最佳充气总压强，即存在最佳充最佳充气条件气条件。 在最佳充气条件下，使输出

19、功率最大的放电电流叫在最佳充气条件下，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，充气压强为，充气压强为p，则存在一个使输出功率，则存在一个使输出功率最大的最大的最佳最佳 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。 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物1. Three basic processes of radiation.2. How is a laser p

20、roduced?第五章第五章 典型激光器介绍典型激光器介绍我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物221. CO2激光器的结构和激发过程激光器的结构和激发过程 图图(5-12) 封离式封离式CO2激光器结构示意图激光器结构示意图图图(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COCO2 2激光器谐振腔的两激光器谐振腔的两个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个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。镜直接贴在放电

21、管的两端。 5.2.2 第五章第五章 典型激光器介绍典型激光器介绍我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物23COCO2 2激光器中与产生激光有关的激光器中与产生激光有关的COCO2 2分子能级图如图分子能级图如图(5-13)(5-13)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分子能级图分子能级图跃迁几跃迁几率大率大第五章第五章 典型激光器介绍典型激光器介绍我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错

22、：表里边有一个活的生物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，其放电电流有一个最佳值。激光器的输出功率，其放电电流有一个最佳值。CO2 激光器的最佳放电电流与放电管的直径，管内总气压，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。以及气体混合比有关。 (1) 放电特性放电特性 CO2激光器的转换效率是很高的，但最高也不会超过激光器的转换效率是很高的，但最高也不会超过40，这就是说，将，这就是说，将有有60以上的能量转换为气体的热能，使温度升高。而气体温度的升高，以上的能量转换为气体的热能，使温度升高。而气体温度的升高，将引起激

23、光上能级的消激发和激光下能级的热激发，这都会使粒子的反转将引起激光上能级的消激发和激光下能级的热激发，这都会使粒子的反转数减少。并且，气体温度的升高，将使谱线展宽，导致增益系数下降。特数减少。并且，气体温度的升高，将使谱线展宽，导致增益系数下降。特别是，气体温度的升高，还将引起别是，气体温度的升高，还将引起CO2分子的分解，降低放电管分子的分解，降低放电管内的内的CO2分子浓度。分子浓度。 (2)温度效应温度效应 第五章第五章 典型激光器介绍典型激光器介绍我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物25

24、5.2.3 Ar5.2.3 Ar+ +离子激光器离子激光器1. Ar激光器的结构激光器的结构 ArAr激光器一般由放电管、谐振腔、轴向磁场和回气管等几部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。如图分组成。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五章第五章 典型激光器介绍典型激光器介绍我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物262. Ar2. Ar激光器的激发机理激

25、光器的激发机理 Ar Ar激光器与激光辐射有关的能级结构如图激光器与激光辐射有关的能级结构如图(5-15)(5-15)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+的能级结构的能级结构第五章第五章 典型激光器介绍典型激光器介绍我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物273. Ar3. Ar激光器的工作持性激光器的工作持性 Ar Ar激光器可以产生多条激光谱线，对应每条谱线都有一个激光器可以产生多条激光谱线，对应每条谱线都有一个 阈值电流。阈值电流。最强谱线最强谱线:0.4880u

26、m,0.5145um(1)多谱线工作多谱线工作 (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，图规律与其它激光器有所不同，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五章第五章 典型激光器介绍典型激光器介绍我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个

27、活的生物285.3 第五章第五章 典型激光器介绍典型激光器介绍我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物295.3.1 5.3.1 染料激光器的激发机理染料激光器的激发机理1. 1. 染料分子能级染料分子能级 染料分子能级图是如图染料分子能级图是如图(5-17)(5-17)所示的准连续态能级结构。所示的准连续态能级结构。 图图(5-17) 染料分子能级图染料分子能级图第五章第五章 典型激光器介绍典型激光器介绍我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快

28、，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物302.2.染料分子的光辐射过程染料分子的光辐射过程 如图如图(5-18)(5-18)所示染料的吸收所示染料的吸收- -荧光光谱图荧光光谱图图图(5-18) 染料的吸收染料的吸收-荧光光谱图荧光光谱图3. 3. 染料分子的三重态染料分子的三重态“陷阱陷阱” 第五章第五章 典型激光器介绍典型激光器介绍我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物315.3.2 5.3.2 染料激光器的泵浦染料激光器的泵浦1.1.闪光灯脉冲泵浦闪光灯脉冲泵浦 泵浦用闪光灯有两种结构，

29、普通直管式和同轴式。泵浦用闪光灯有两种结构，普通直管式和同轴式。 2.2.激光脉冲泵浦激光脉冲泵浦 能够用于泵浦染料激光器的激光种类很多，主要有氮分子激能够用于泵浦染料激光器的激光种类很多，主要有氮分子激光器光器(0.337(0.337 m)m)，红宝石激光器，红宝石激光器(0.6943(0.6943 m)m)，YAGYAG激光器激光器(1.06(1.06 m)m)，铜蒸气激光器，铜蒸气激光器(0.5106(0.5106 m m、0.57820.5782 m)m)，准分子激，准分子激光器光器( (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。

30、我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物Nd:YAGBrilliant BDye LaserTDL-90Laser SourceTunable Dye Laser Pumped By Nd: YAG Laser我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物第五章第五章 典型激光器介绍典型激光器介绍我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：

31、表里边有一个活的生物345.3.3 5.3.3 染料激光器的调谐染料激光器的调谐1. 1. 光栅调谐光栅调谐 图图(5-20)(5-20)是一种光栅是一种光栅- -反射镜调谐腔，放在腔中的光栅反射镜调谐腔，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五章第五章 典型激光器介绍典型激光器介绍我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物352. 2. 棱镜调谐棱镜调谐 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

32、内放置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种色散元件。的棱镜是一种色散元件。 图图(5-21) 棱镜调谐腔棱镜调谐腔第五章第五章 典型激光器介绍典型激光器介绍我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物365.4 第五章第五章 典型激光器介绍典型激光器介绍我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物375.4.1 5.4.1 半导体的能带和产生受激辐射的条件半导体的能带和产生受激辐射的条件1.

33、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N N个能级，个能级，因此这彼此十分接近的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，称之为能带，见图个能级好象形成一个连续的带，称之为能带，见图图图(5-23) 固体的能带固体的能带第五章第五章 典型激光器介绍典型激光器介绍我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物382. 2. 纯净纯净( (本征本征) )半导体材料，如单晶硅、锗等，在绝对温度为零的理想状态半导体材料，如

34、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，如图下，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，如图图图(5-24) 本征半导体的能带结构本征半导体的能带结构3.3.热平衡时，电子在能带中的分布不再服从玻尔兹曼分布，而服从费米分布，热平衡时，电子在能带中的分布不再服从玻尔兹曼分布，而服从费米分布，能级能级E E被电子占据的几率为被电子占据的几率为 1( )1FnE EkTfEe第五章第五章 典型激光器介绍典型激光器介绍我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：

35、表里边有一个活的生物394.4.杂质半导体中费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度有密切关系。为杂质半导体中费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度有密切关系。为了说明问题，图了说明问题，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.在半导体中产生光放大的条件是在半导体中存在双简并能带，并且入射光在半导体中产生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的频率满足 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gFFEhEE第五章第五章 典型激光器介绍典型激光器介绍我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西

36、，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物405.4.2 PN5.4.2 PN结和粒子数反转结和粒子数反转1. P-N1. P-N结的双简并能带结构结的双简并能带结构 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能级呢？型半导体制作在一起，是否可能在结区产生两个费米能级呢？ 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能带能带第五章第五章 典型激光器介绍典型激光器介绍我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐

37、怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物41 在在P-N结上加以正向电压结上加以正向电压V时，形成结区的两个费米能级时，形成结区的两个费米能级 和和 ，称，称为准费米能级，如图为准费米能级，如图(5-27)。 FEFE图图(5-27) 正向电压正向电压V时形成的双简并能带结构时形成的双简并能带结构第五章第五章 典型激光器介绍典型激光器介绍我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物422. 2. 粒子数反转粒子数反转 产生受激辐射的条件是

38、在结区的导带底部和价带顶部形成粒子数反转分布。产生受激辐射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。 激光器在连续发光的动平衡状态，导带底电子的占据几率为激光器在连续发光的动平衡状态，导带底电子的占据几率为221()1FNEEkTfEe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 111()1FPEEkTfEe价带顶电子占据几率则为价带顶电子占据几率则为 1111()1()1FNPEEkTfEfEe 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g12FFEEEEE)E(f)

39、E(f1N2N第五章第五章 典型激光器介绍典型激光器介绍我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物431. 1. 半导体激光器的基本结构和工作原理半导体激光器的基本结构和工作原理 图图(5-28) GaAs激光器的结构激光器的结构5.4.3 5.4.3 半导体激光器的工作原理和阈值条件半导体激光器的工作原理和阈值条件 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。 第五章第五章 典型激光器介绍典型激光器介绍我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样

40、一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物442. 2. 半导体激光器工作的阈值条件半导体激光器工作的阈值条件 激光器产生激光的前提条件除了粒子数发生反转还需要满足激光器产生激光的前提条件除了粒子数发生反转还需要满足阈值条件阈值条件 21ln21rrLaG内增益系数和粒子数反转的关系也取决于谐振腔内的工作物质增益系数和粒子数反转的关系也取决于谐振腔内的工作物质 ftcnfAcnG复合2222221288第五章第五章 典型激光器介绍典型激光器介绍我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：

41、表里边有一个活的生物453.3.半导体激光器的阈值电流半导体激光器的阈值电流 在一定的时间间隔内，注入激光器的电子总数与同样时间内在一定的时间间隔内，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发生的电子与空穴复合数相等而达到平衡 ft8cnf8AcnGeItnLwd22222212复合复合 )(frrlnL21aGJed8fcG21222内22221ced8rrlnL21aJ内阈第五章第五章 典型激光器介绍典型激光器介绍我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物465.4.4

42、 5.4.4 同质结和异质结半导体激光器同质结和异质结半导体激光器 1. 同质结砷化镓同质结砷化镓(GaAs)激光器的特性激光器的特性 图图(5-29) GaAs激光器的伏安特性激光器的伏安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: : 影响阈值的因素很多影响阈值的因素很多 第五章第五章 典型激光器介绍典型激光器介绍我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物47方向性方向性: : 图图(5-30)(5-30)给出了半导体激光

43、束的空间分布示意图。给出了半导体激光束的空间分布示意图。 图图(5-30) 激光束的空间分布示意图激光束的空间分布示意图 第五章第五章 典型激光器介绍典型激光器介绍我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物48光谱特性光谱特性: 图图(5-31)是是GaAs激光器的发射光谱。其中图激光器的发射光谱。其中图(a)是低是低于阈值时的荧光光谱，谱宽一般为几百埃，图于阈值时的荧光光谱，谱宽一般为几百埃，图(b)是注入电流是注入电流达到或大于阈值时的激光光谱，谱宽达几十埃。达到或大于阈值时的激光光谱，谱宽达几十

44、埃。 图图(5-31) GaAs激光器的发射光谱激光器的发射光谱第五章第五章 典型激光器介绍典型激光器介绍我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物49转换效率转换效率 直接将电功率转换为光功率，转换效率极高直接将电功率转换为光功率，转换效率极高 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: :功率效率定义为激光器的输出功率与输入电功率之比功率效率定义为激光器的输出功率与输入电功率之比 2PSPiVi RV)ii (Pe)ii (hPththD第五章第五章

45、典型激光器介绍典型激光器介绍我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物50单异质结半导体激光器单异质结半导体激光器 双异质结半导体激光器双异质结半导体激光器图图(5-32) 同质结、异质结结构示意图同质结、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我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物高亮度半导体激光器高亮度半导体激光器 小功率半导体激光器小功率半导体激光器 小功率光纤耦合半导体激光

46、器小功率光纤耦合半导体激光器 大功率光纤耦合输出的半导体激光大功率光纤耦合输出的半导体激光 第五章第五章 典型激光器介绍典型激光器介绍我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物525.5 第五章第五章 典型激光器介绍典型激光器介绍我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物535.5.1 5.5.1 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 图图(5-33) 准分子的能级结构准分子的

47、能级结构能级结构有明显的特点。如图能级结构有明显的特点。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，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利。巨脉冲特别有利。 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。子激光器可能达到高效率的主要原因。 由于

48、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。 第五章第五章 典型激光器介绍典型激光器介绍我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物542.2.准分子激光器的泵浦方式准分子激光器的泵浦方式 电子束泵浦电子束泵浦 快速放电泵浦快速放电泵浦 快速放电泵浦方式多采用所谓布鲁姆莱快速放电泵浦方式多采用所谓布鲁姆莱

49、(Blumlein)(Blumlein)电路电路 横向泵浦横向泵浦 纵向泵浦纵向泵浦 同轴电子束泵浦同轴电子束泵浦我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物第五章第五章 典型激光器介绍典型激光器介绍我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物565.5.2 5.5.2 自由电子激光器自由电子激光器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自由电子激光器的工作物质是自由电子束，它和普通激

50、光器的根本区别在于：辐射不是基于原子、分子或离子的束缚电子能级间的跃迁。别在于：辐射不是基于原子、分子或离子的束缚电子能级间的跃迁。 2.2.自由电子激光的特点自由电子激光的特点 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。 第五章第五章 典型激光器介绍典型激光器介绍我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物57 将化学能直接转换成激光。将化学能直接转换成激光。 5.5.3 5.5.3 化学激光器化学激光器1.