第五讲--典型的激光器优秀PPT.ppt

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1、1219601960年年年年5 5月月月月1515日日日日，美美美美国国国国加加加加利利利利福福福福尼尼尼尼亚亚亚亚州州州州休休休休斯斯斯斯试试试试验验验验室室室室的的的的科科科科学学学学家家家家梅梅梅梅曼曼曼曼宣宣宣宣布布布布获获获获得得得得了了了了波波波波长长长长为为为为0.69430.6943微微微微米米米米的的的的激激激激光光光光，这这这这是是是是人人人人类类类类有有有有史史史史以以以以来来来来获获获获得得得得的的的的第第第第一一一一束束束束激激激激光光光光，梅梅梅梅曼曼曼曼因因因因而而而而也也也也成成成成为为为为世世世世界界界界上上上上第第第第一一一一个个个个将将将将激激激激光光光光

2、引引引引入入入入好好好好用用用用领域的科学家。领域的科学家。领域的科学家。领域的科学家。3工作物质：基质材料工作物质：基质材料+发光粒子发光粒子光谱特性主要由发光粒子的能级结构确定光谱特性主要由发光粒子的能级结构确定基质材料：基质材料：玻璃：硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃等玻璃：硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃等晶体：白宝石（晶体：白宝石（Al2O3）、钇铝石榴石（）、钇铝石榴石（YAG）、铝酸盐、）、铝酸盐、氟氟 化钙等化钙等发光粒子（激活离子）：发光粒子（激活离子）：铬（铬（Cr 3+）、钕（）、钕（Nd 3+）、铒（）、铒（Er 2+）等）等一、固体激光器一、固体激光器4 特点：特

3、点：可获得大的激光能量输出，脉冲峰值功率很高，而可获得大的激光能量输出，脉冲峰值功率很高，而且结构紧凑、坚固耐用。且结构紧凑、坚固耐用。5（一）基本结构与工作物质（一）基本结构与工作物质固固体体激激光光器器基基本本上上都都是是由由工工作作物物质质、泵泵浦浦系系统统、谐谐振振腔腔和和冷冷却却、滤滤光光系系统统构构成成的的。以以下下是是长长脉脉冲冲固固体体激激光光器器的的基基本本结结构构示意图示意图(冷却、滤光系统未画出冷却、滤光系统未画出)。6 红红宝宝石石是是在在三三氧氧化化二二铝铝(A12O3)中中掺掺入入 少少 量量 的的 氧氧 化化 铬铬(Cr2O3)生生长长成成的的晶晶体。体。它它的的

4、吸吸取取光光谱谱特特性性主主要要取取决决于于铬铬离离子子(Cr3)。它它属属于于三三能能级级系系统统，相相应应于于右右图图的的简化能级模型。简化能级模型。（二）举例（二）举例红宝石激光器红宝石激光器7工作物质：红宝石晶体（工作物质：红宝石晶体（Cr2O3-Al2O3）发光的激活粒子：发光的激活粒子：Cr3+（三能级系统）（三能级系统）激光波长：激光波长：694.3nm光谱线宽：光谱线宽：0.010.1nm偏振特性：既可输出无偏振光，也可输出线偏振光（红宝偏振特性：既可输出无偏振光，也可输出线偏振光（红宝石为单轴晶体，存在双折射现象）石为单轴晶体，存在双折射现象）发散角：一般状况下远大于衍射角；

5、由直径很细的红宝石发散角：一般状况下远大于衍射角；由直径很细的红宝石棒发出的单模激光束的发散角可接近于衍射极限。棒发出的单模激光束的发散角可接近于衍射极限。8其他固体激光器：其他固体激光器：YAG激光器激光器工作物质：掺钕钇铝石榴石（工作物质：掺钕钇铝石榴石（Nd2O3-YAG）发光的激活粒子：发光的激活粒子：Nd3+（四能级系统）（四能级系统）激光波长：激光波长：1.06微米微米光谱线宽：光谱线宽：0.73nm（室温下）（室温下）偏振特性：输出无偏振光（偏振特性：输出无偏振光（YAG为立方晶体，无双为立方晶体，无双折射现象）折射现象）特点：振荡阈值低，简洁实现连续运转，但在连续工特点：振荡阈

6、值低，简洁实现连续运转，但在连续工作时，热效应将引起热光畸变（热透镜效应及热应力作时，热效应将引起热光畸变（热透镜效应及热应力双折射）。双折射）。在在YAG基质上，还可以掺入基质上，还可以掺入Er3+、Tm3+等其他杂质。等其他杂质。9 钕玻璃激光器钕玻璃激光器工作物质：钕玻璃（工作物质：钕玻璃（Nd2O3 掺入到硅酸盐玻璃中形成）掺入到硅酸盐玻璃中形成）发光的激活粒子：发光的激活粒子：Nd3+（四能级系统）（四能级系统）激光波长：激光波长：1.059微米微米光谱线宽：光谱线宽：5 10nm（单色性较差）（单色性较差）偏振特性：输出无偏振光（玻璃为各向同性物质，无双折射偏振特性：输出无偏振光（

7、玻璃为各向同性物质，无双折射现象）现象）101、固体激光工作物质是绝缘晶体，一般都接受光泵浦激励。、固体激光工作物质是绝缘晶体，一般都接受光泵浦激励。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。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。2、常用的泵浦灯在空间的辐射都是全方位的，固体工作物质、常用的泵浦灯在空间的辐射都是全方位的，固体工作物质一般都加工成圆柱棒形态，所以为了将泵浦灯发出的光能完一般都加工成圆柱棒形态，所以为了将泵浦灯发出的光能完全聚到工作物质上，必需接受聚光腔。全聚到工作物质上，必需接受聚光腔。（三）固体激光器的泵浦系统（三）固体激光器的泵浦系统3、右右图图

8、所所示示的的椭椭圆圆柱柱聚聚光光腔腔是是小小型型固固体体激激光光器器中中最最常常接接受受的的聚聚光光腔腔，它它的的内内表表面面被被抛抛光光成成镜镜面面，其其横横截截面面是是一一个个椭椭圆圆，泵泵浦浦灯灯和和激激光光棒棒分分别别位位于于椭椭圆圆的两焦线上。的两焦线上。114、固体激光器的泵浦系统还要冷却和滤光。常用的冷固体激光器的泵浦系统还要冷却和滤光。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。液冷最为普遍。5、泵浦灯和工作物质之间插入滤光器件滤去泵浦光中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。的紫外光谱。1

9、21、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半导体激光器泵浦固体激光器的结构，有如图所示的端泵半导体激光器泵浦固体激光器的结构，有如图所示的端泵浦方式和侧泵浦方式。浦方式和侧泵浦方式。（四）新型固体激光器（四）新型固体激光器2、可调谐固体激光器、可调谐固体激光器可调谐固体激光器主要有两类，一类是色心激光器，一类是可调谐固体激光器主要有两类，一类是色心激光器，一类是用掺过渡族金属离子的激光晶体制作的用掺过渡族金属离子的激光晶体制作的 可调谐激光器。可调谐激光器。133、高功率固体激光器、高功率固体激光器 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高功率固体激光器主

10、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，它始终是军事应用和激光加工应续、准连续及脉冲固体激光器，它始终是军事应用和激光加工应用所追求的目标。用所追求的目标。从二十世纪七十年头起起先研制的板条形固体激光器，是针对克从二十世纪七十年头起起先研制的板条形固体激光器，是针对克服工作物质中的热分布及其引起的一系列固有冲突（如折射率分服工作物质中的热分布及其引起的一系列固有冲突（如折射率分布、应力双折射等）而提出的一种结构方案，其结构如图所示。布、应力双折射等）而提出的一种结构方案，其结构如图所示。14固体激光器固体激光器红宝石激光器红宝石激光器YAG激光器激光器工作物质工作物质

11、Al2O3Cr2O3；Cr3决定光谱性能决定光谱性能Al2O3Y2O3Nd2O3；Nd3确定光谱性能物理过程物理过程三能级系统三能级系统四能级系统四能级系统激光谱线激光谱线0.6943m+0.6929m；0.6943m占优占优势势1.35m+1.06m；一般只；一般只产生产生1.06m泵浦源泵浦源脉冲氙灯脉冲氙灯氪灯氪灯由于固体激光器的工作物质是绝缘晶体，所以一般用光泵浦源激励由于固体激光器的工作物质是绝缘晶体，所以一般用光泵浦源激励泵浦特点泵浦特点*泵浦灯和激光棒分别位于椭圆聚光腔的两条焦线上泵浦灯和激光棒分别位于椭圆聚光腔的两条焦线上*泵浦光源中仅有少部分与工作物质吸收带相匹配的光能是有用

12、的。泵浦光源中仅有少部分与工作物质吸收带相匹配的光能是有用的。优缺点优缺点阈值高、温度效应非常严重、室温下不适阈值高、温度效应非常严重、室温下不适于连续和高重复率工作于连续和高重复率工作阈值低、有优良的热学性质、阈值低、有优良的热学性质、适于连续和高重复率工作；是适于连续和高重复率工作；是目前能在室温下连续工作的唯目前能在室温下连续工作的唯一实用的固体工作物质一实用的固体工作物质输出特性输出特性大多数为脉冲激光器，产生的激光脉冲是一系列的尖峰，宽度约为几个微米大多数为脉冲激光器，产生的激光脉冲是一系列的尖峰，宽度约为几个微米转换效率低转换效率低(总体效率：激光输出与泵浦源的电输入之比总体效率：

13、激光输出与泵浦源的电输入之比)总体效率大概为总体效率大概为0.5%-1%1%-3%特点特点输出能量大；峰值功率高；输出能量大；峰值功率高；15种类：种类：原子气体激光器原子气体激光器产生激光作用的是没有电离的气体原子，典型代表是氦氖产生激光作用的是没有电离的气体原子，典型代表是氦氖激光器。激光器。分子激光器分子激光器产生激光作用的是没有电离的气体分子，典型代表是二氧产生激光作用的是没有电离的气体分子，典型代表是二氧化碳激光器、氮分子激光器和准分子激光器。化碳激光器、氮分子激光器和准分子激光器。离子激光器离子激光器典型代表是氩离子激光器和氦镉离子激光器。典型代表是氩离子激光器和氦镉离子激光器。二

14、、气体激光器二、气体激光器16特点：特点：放射的谱线分布在一个很宽的波长范围内，几乎遍放射的谱线分布在一个很宽的波长范围内，几乎遍布了从紫外到远红外的整个光谱区布了从紫外到远红外的整个光谱区(已经观测到的谱已经观测到的谱线有万余条线有万余条)；工作物质匀整性较好，使得输出光束的质量较高；工作物质匀整性较好，使得输出光束的质量较高；简洁实现大功率连续输出，如二氧化碳激光器可达简洁实现大功率连续输出，如二氧化碳激光器可达万瓦级的功率输出；万瓦级的功率输出；转换效率高、工作物质丰富、结构简洁、器件成本转换效率高、工作物质丰富、结构简洁、器件成本低。低。17工作物质：工作物质：氦氦-氖气体（氖气体（H

15、e-Ne）激光波长：激光波长：0.6328微米（微米（1.15微米、微米、3.39微米）微米）光谱线宽：光谱线宽：小于小于20Hz（单色性好）（单色性好）发散角：发散角：10-3 rad以下（方向性好）以下（方向性好）（一）氦（一）氦-氖激光器氖激光器输输出出功功率率：与与放放电电毛毛细细管管的的长长度度有有关关。10cm的的管管子子，输输出出约约0.5mW；200cm的的管管子，输出约子，输出约50mW。18 结构：激光管结构：激光管+电源电源 激光管由放电管、电极和光学谐振腔组成激光管由放电管、电极和光学谐振腔组成19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

16、-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 2S2P 1.15 3S3P 3.3920谱线竞争谱线竞争:He-Ne激光器三条强的激光谱线激光器三条强的激光谱线(0.6328m，1.15m，3.39m)中哪一条谱线起振完全取决于谐振腔介质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。膜反射镜的波长选择。为了保证确定波长的输出，可以实行合适的措施抑制其他为了保证确定波长的输出，可以实行合适的措施抑制其他波长的振荡，如：波长的振荡，如：运用布儒斯特窗进行选择性的吸取；运用布儒斯特窗进行选择性的吸取；在腔镜上镀反

17、射膜，进行选择性的反射；在腔镜上镀反射膜，进行选择性的反射；在腔内放置吸取元件，进行选择性的吸取。在腔内放置吸取元件，进行选择性的吸取。212、氩离子激光器、氩离子激光器工作物质：工作物质：氩气（氩气（Ar+）激光波长：激光波长：0.4880微米、微米、0.5145微米（蓝绿光）微米（蓝绿光）输出功率：输出功率：是目前在可见光区连续输出功率最高的激是目前在可见光区连续输出功率最高的激光器（几瓦到几十瓦，高者可达一百多瓦）光器（几瓦到几十瓦，高者可达一百多瓦）由于气体放电过程中电离度不高，而且量子效率比较由于气体放电过程中电离度不高，而且量子效率比较低，氩离子激光器的能量转换效率较低，一般在低，

18、氩离子激光器的能量转换效率较低，一般在10-4 10-5范围范围。22 一般结构一般结构放电管（核心部件）、电极、回气管（减小放电管内气压差）放电管（核心部件）、电极、回气管（减小放电管内气压差）、谐振腔、轴向磁场（提高激光器的输出功率及寿命）、谐振腔、轴向磁场（提高激光器的输出功率及寿命）23 激发机理激发机理Ar+的粒子数反转主要的粒子数反转主要靠电子碰撞激发，激发过靠电子碰撞激发，激发过程包括三种形式：程包括三种形式：（1）电子与）电子与Ar原子碰原子碰撞，使其电离成撞，使其电离成Ar+，Ar+再与电子碰撞而被激再与电子碰撞而被激发到高能态；发到高能态；（2）电子与）电子与Ar原子碰原子

19、碰撞后干脆将其电离并激发撞后干脆将其电离并激发到激发态；到激发态；（3）电子碰撞先把）电子碰撞先把Ar+激发到更高的能态上，然激发到更高的能态上，然后后Ar+通过辐射跃迁到激通过辐射跃迁到激光上能级上。光上能级上。243、二氧化碳激光器、二氧化碳激光器工作物质：工作物质：CO2、N2和和He的混合物的混合物激光波长：激光波长：10.6微米、微米、9.6微米（远红外光）微米（远红外光）（利用基态的不同振动态的转动能级之间的跃（利用基态的不同振动态的转动能级之间的跃迁，故光子能量小）迁，故光子能量小）特点：特点：激光器效率高、输出能量大、功率高激光器效率高、输出能量大、功率高。25 结构结构构成构

20、成CO2激光器谐振腔的两个反射镜放置在可供激光器谐振腔的两个反射镜放置在可供调整的腔片架上，最简洁的方法是将反射镜干脆贴调整的腔片架上，最简洁的方法是将反射镜干脆贴在放电管的两端。在放电管的两端。26 激发机理激发机理27气体激光器气体激光器HeNe激光器激光器CO2激光器激光器Ar离子激光器离子激光器工作物质工作物质HeNe；Ne决定光谱性能决定光谱性能CO2HeN2；CO2决定光谱决定光谱性能性能Ar；Ar决定光谱性能决定光谱性能物理过程物理过程四能级系统四能级系统四能级系统四能级系统四能级系统四能级系统激光谱线激光谱线0.6328m+1.15m+3.39m；3.39m占优势占优势10.6

21、m+9.6m；10.6m占优占优势势0.4880m+0.5145m 蓝蓝光和绿光光和绿光泵浦源泵浦源气体放电激励气体放电激励气体放电激励气体放电激励气体放电激励气体放电激励输出特性输出特性*谱线竞争谱线竞争*输出功率特性：与放电电流关系输出功率特性：与放电电流关系很大，存在最佳气体混合比和最很大，存在最佳气体混合比和最佳充气总压强，即存在最佳充气佳充气总压强，即存在最佳充气条件和毛细管直径条件和毛细管直径*放电特性：电流有最佳值放电特性：电流有最佳值*温度效应：转换效率高，约温度效应：转换效率高，约有有60以上的能量转换为气体以上的能量转换为气体的热能，温度升高，粒子数反的热能，温度升高，粒子

22、数反转减小，谱线加宽增益系数下转减小，谱线加宽增益系数下降降*多谱线工作：每条谱线多谱线工作：每条谱线都有一个阈值电流，都有一个阈值电流，*输出功率随放电电流的输出功率随放电电流的关系与其他激光器不一关系与其他激光器不一样；样；特点特点*气态物质的光学均匀性一般比较好，使其在单色性和光束稳定性方面有较大优势；气态物质的光学均匀性一般比较好，使其在单色性和光束稳定性方面有较大优势；*谱线极为丰富；目前已达数千种，从紫外到远红外波段；谱线极为丰富；目前已达数千种，从紫外到远红外波段；*大多数能连续运转大多数能连续运转*都有瞬时功率不高的特点：工作气体的气压较低，单位体积中粒子数较少，只有固体激光器

23、中激活都有瞬时功率不高的特点：工作气体的气压较低，单位体积中粒子数较少，只有固体激光器中激活粒子数密度的千分之一或更少，因而储存的能量少粒子数密度的千分之一或更少，因而储存的能量少结构简单，使用方便，光束质量结构简单，使用方便，光束质量好，工作可靠，容易制造好，工作可靠，容易制造连续工作脉冲工作均可；输出连续工作脉冲工作均可；输出功率大，效率高；正好处于大功率大，效率高；正好处于大气窗口，且对人的眼睛的危害气窗口，且对人的眼睛的危害比可见光和红外线小得多比可见光和红外线小得多谱线丰富，主要分布在谱线丰富，主要分布在蓝绿光区；连续脉冲工蓝绿光区；连续脉冲工作均可，是目前在可见作均可，是目前在可见

24、光区连续输出功率最高光区连续输出功率最高的气体激光器的气体激光器28三、半导体激光器三、半导体激光器半导体激光器，又称激光二极管（即半导体激光器，又称激光二极管（即LD）工作物质：半导体材料工作物质：半导体材料特点：波长范围宽，制作简洁、成本低、易于大量特点：波长范围宽，制作简洁、成本低、易于大量生产，并且体积小、重量轻、寿命长生产，并且体积小、重量轻、寿命长。主要应用领域：信息存储、光纤通信等主要应用领域：信息存储、光纤通信等29半半导导体体激激光光器器的的应应用用范范围围覆覆盖盖了了整整个个光光电电子子学学领领域域，已已成成为当今光电子科学的核心技术：为当今光电子科学的核心技术：激激光光测

25、测距距、激激光光雷雷达达、激激光光通通信信、激激光光模模拟拟武武器器、激激光光警警戒戒、激激光光制制导导跟跟踪踪、引引燃燃引引爆爆、自自动动限限制制、检检测测仪仪器器等等方方面；面；光通信、光变换、光互连、光通信、光变换、光互连、并行光波系统、光信息处理并行光波系统、光信息处理和光存贮、光计算机外部设和光存贮、光计算机外部设备等方面。备等方面。301、半导体的能带结构、半导体的能带结构志向半导体的能谱是由电子的一系列能带组成的，志向半导体的能谱是由电子的一系列能带组成的，下能带称为价带，上能带称为导带，它们之间不下能带称为价带，上能带称为导带，它们之间不存在电子状态的区域称为禁带。存在电子状态

26、的区域称为禁带。禁带宽度禁带宽度 Eg=Ec-Ev其中，其中，Ec 导带底的能量导带底的能量Ev 价带顶的能量价带顶的能量31每个能带事实上由大量极其密集的能级所组成。电子在能级上每个能带事实上由大量极其密集的能级所组成。电子在能级上的分布遵从费米的分布遵从费米-狄拉克分布。狄拉克分布。当温度当温度 T=0 时，价带是完全填满的，导带是完全空的；时，价带是完全填满的，导带是完全空的；当当 T 0 时，价带中填充的电子数多，导带中填充的电子数少。时，价带中填充的电子数多，导带中填充的电子数少。由于某种缘由（如温度上升），电子从价带提升至导带，价带由于某种缘由（如温度上升），电子从价带提升至导带，

27、价带中就因失去电子而存在带正电的空穴。中就因失去电子而存在带正电的空穴。电子和空穴都称为载流子。电子和空穴都称为载流子。掺杂半导体掺杂半导体N型半导体型半导体 依靠电子导电依靠电子导电P型半导体型半导体 依靠空穴导电依靠空穴导电322、半导体受激放射的条件、半导体受激放射的条件假假如如频频率率为为 v 的的光光在在半半导导体体内内传传播播，在在光光场场的的作作用用下下，导导带带中中的的电电子子向向价价带带跃跃迁迁，与与空空穴穴复复合合，造造成成一一个个导导带带电电子子和和一一个个价价带带空空穴穴同同时时湮湮灭灭，放放射出一个能量为射出一个能量为 hv 的光子。的光子。产产生生受受激激放放射射并

28、并得得到到放放大大的的条条件件是是：导导带带能能级级上上被被电电子子占占据据的的几几率率大大于于与与辐辐射射相相关关的的价价带带能能级级上上被电子占据的几率。被电子占据的几率。即实现粒子数反转。即实现粒子数反转。粒粒子子数数反反转转分分布布的的区区域域称称为为“有有源源区区”或或者者“激激活区活区”实实现现半半导导体体中中粒粒子子数数反反转转分分布布的的一一个个简简洁洁方方法法是是利利用用PN结结的的特特征征。令令一一块块N型型半半导导体体和和一一块块P型型半半导导体体相相接接，在在其其结结合合处处形形成成PN结结。在在PN结结上上加加正正向向电电压压后后，电电子子将将从从N区区的的导导带带被

29、被注注入入P区区，空空穴穴从从P区区的的价价带带被被注注入入到到N区区。注注入入电电子子的的位位能能比比空空穴穴的的位位能能高高Eg，当当电电子子从从导导带带跃跃迁迁到到价价带带而而复复合合时，这部分能量将以光的形式释放出来。时，这部分能量将以光的形式释放出来。333、半导体激光器的效率、半导体激光器的效率（1）内量子效率）内量子效率（2）外微重量子效率）外微重量子效率（3）功率效率）功率效率其中，其中，I 为工作电流，为工作电流，V 为加在为加在PN结上的正向偏压，结上的正向偏压，Po 为输为输出光功率，出光功率，Pt 和和 It 分别为阈值时的输出光功分别为阈值时的输出光功 率和工作电流。

30、率和工作电流。344、半导体激光器的基本结构、半导体激光器的基本结构（1）双异质结激光器）双异质结激光器将有源层夹在两种半导体材料（具有低的折射率）之间，在将有源层夹在两种半导体材料（具有低的折射率）之间，在垂直于结平面的方向上（横向）有效地限制载流子与光子。垂直于结平面的方向上（横向）有效地限制载流子与光子。35（2）条形激光器）条形激光器形成折射率波导，在横向与侧向都能有效地限形成折射率波导，在横向与侧向都能有效地限制载流子与光子。制载流子与光子。（3）量子阱半导体激光器）量子阱半导体激光器（4）大功率激光二极管阵列）大功率激光二极管阵列（5）分布反馈式半导体激光器）分布反馈式半导体激光器36五、其他激光器五、其他激光器The end37作业：作业：P170 5、6P171 1438