光电子技术-chap2-激光及半导体光源-激光器

第2章激光&半导体光源Laser&SemiconductorLightSourceEmail:[e-mail]:29667536激光原理--典型的激光器(激光器的分类激光器的分类•–––––•:––••••––Q–典型激光器固体激光器气体激光器半导体激光器光纤激光器其它固体激光器固体激光器基本结构固体激光器基本上都是由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤光系统构成的。固体激光器的基本结构示意图固体激光器的泵浦系统2.固体工作物质一般都加工成圆柱棒，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。3.椭圆柱聚光腔是小型固体激光器中昀常采用的聚光腔，它的内表面被抛光成镜面，其横截面是一个椭圆。椭圆柱聚光腔4.固体激光器的泵浦系统还要冷却和滤光。5.泵浦灯和工作物质之间插入滤光器件滤去泵浦光中紫外光谱。1.固体激光工作物质一般是绝缘晶体，采用光泵浦激励。——20012Nd:YAG3红宝石激光器红宝石激光器（三能级系统）E2E3E1E2E3E1(10-9s)E2E3E1(10-3s)νh红宝石激光器（三能级系统）红宝石中铬离子的吸收光谱红宝石中铬离子的能级结构红宝石激光器机械强度高,能承受很高的激光功率密度容易生长成较大尺寸亚稳态寿命长,储能大,可得到大能量输出荧光谱线较宽,容易获得大能量的单模输出低温性能良好,可得到连续输出Nd:YAG激光器掺钕钇铝石榴石(Nd3+:YAG)YAG,anacronymforyttriumaluminumgarnetNd3+:YAG的激活离子为Nd3+，基质是YAG晶体(钇铝石榴石晶体Y3Al5O12的简称)。Nd3+部分取代YAG中的Y3+便成为Nd3+:YAG。一般含Nd3+量为1%原子比,此时Nd3+的密度为1.38×1020cm-3，颜色为淡紫色。实际制备时是将一定比例的A1203、Y2O3和Nd2O3在单晶炉中熔化结晶而成。Nd3+:YAG属立方晶系，是各向同性晶体。掺钕钇铝石榴石激光器的激活粒子是钕离子(Nd3＋)Nd3＋:YAG晶体的吸收光谱Nd3＋的能级结构单脉冲能量：500mJ脉冲宽度：5ns峰值功率：108W=0.1GW重复频率：10Hz平均功率：5WNd:YAG激光器YAG激光器问世较红宝石和钕玻璃激光器晚，1964年YAG晶体首次制成。经过几年努力，使材料的光学和物理性能不断改善，攻克了大尺寸YAG晶体的制备工艺，直到1971年已能拉制出直径为40mm、长度为200mm的大尺寸Nd:YAG晶体，为YAG激光器的研制提供了成本适中的优质晶体，推动了YAG激光器的发展和应用。美国西尔凡尼亚公司于1971年推出YAG激光精密跟踪雷达(PATS系统)用于导弹测量靶场。在70年代进入了研究和应用YAG激光器的热潮，许多工业发达国家的研究机构都投入大量人力和财力，研究的主要内容是提高YAG激光器的效率、功率和可靠性，解决工程化问题,，同时在激光测距、激光雷达、激光工业加工、激光医疗等领域出现了一些应用成果。80年代YAG激光器研究和应用的基本技术已比较成熟，进入大发展时期，成为各种激光发展和应用的主流。由于固体激光器在相干性、脉冲重频和输出功率等方面受到局限，遇到CO2激光器的挑战。同时，传统的圆棒形YAG激光器效率低(3%)，热效应严重的固有缺点，限制了其高功率输出和高重复频率，光束质量也难以保证，迫使人们寻求新的结构形式和泵浦方法，板条形YAG激光器和二极管泵浦YAG激光器成为YAG激光器的重要发展方向。钕玻璃激光器E1:基态,一条激光谱线的激光下能级(三能级系统):2/94I2/34F2/94I(对应0.9μm谱线)跃迁谱线:①1.06μm:四能级系统,跃迁几率大,通常可观察到;②1.4μm:四能级系统,跃迁几率较小,不一定可观察到;③0.9μm:三能级系统,难实现粒子数反转,一般不出现.气体激光器222*CO,N,O,CO,XeCl+rHe,Ne,Ar,Kr,Xe等惰性气体原子气体激光器金属原子蒸汽（铜、锡）水蒸气气体激光器分子气体激光器准分子激光器惰性气体离子（A激光器）离子气体激光器金属蒸汽离子He-Ne激光器氦—氖(He—Ne)激光器属于原子激光器类，它是于1961年首先实现激光输出的气体激光器，能产生许多可见光与红外光的激光谱线，多采用连续工作方式（输出几毫瓦到几十毫瓦）。s2s1Nes3s12s32Hep2p3电子碰撞激发管壁效应自发辐射共振转移激光跃迁有关的能级图0.6328μm和3.39μm两种振荡具有同一个上能级，因此它们之间存在着较强的谱线竞争。3P4的寿命比2P4的短，允许建立起相应于3.39μm振荡的大的反转分布，使得3.39μm振荡的增益大于0.6328μm振荡的增益，所以3.39μm首先达到阈值，正常的振荡发生在3.39μm而不是0.6328μm。一旦3.39μm振荡发生3S2上的反转数被消耗，0.6328μm的增益受到抑制，阻碍了3S2上原子数的进一步增加，因此限制了0.6328μm振荡的发生。谱线竞争如何分别实现0.6328μm，1.15μm，3.39μm的输出？①选用对3.39um的光具有低反射率的谐振腔反射镜,使3.39um达不到阈值条件,如下图所示,在腔内加色散棱镜,将两谱线分开,通过调整谐振腔反射镜的位置,只允许0.6328um的辐射起振,而使3.39um的辐射偏离出谐振腔外②腔内放置甲烷吸收盒，因为甲烷对3.39um的光具有强吸收而对0.6328um的光透明，因此可用甲烷抑制3.39um振荡③外加非均匀磁场也能抑制3.39um振荡。根据塞曼效应，磁场可引起谱线分裂，分裂的大小与磁场强度成正比。若激光管内磁场分布不均匀，则各处谱线分裂程度不同并连成一片，相当于谱线变宽。0.6328μm原谱线半宽度约1500MHz，非均匀磁场对它展宽的比例不大。但3.39um原谱线宽只有300MHz左右，非均匀磁场的加宽比它大几倍。由于增益系数反比于线宽，所以外加非均匀磁场后，3.39um的增益系数急剧下降，而0.6328μm的增益系数却下降很少.结果提高了0.63281um的竞争能力，3.39um则被抑制。如图，沿放电管轴向放置许多小磁铁，相邻的极性相同，这样就可在放电管轴线上形成非均匀磁场。输出激光的方向性好(发散角1mrad以下)；单色性好(线宽可小于20Hz)；输出功率和波长可控制的很稳定；结构简单、寿命长、体积小、重量轻、成本低、使用方便等。He-Ne激光器特性CO2激光器CO2HeN2XeCO2λ=10.6μmCO250kW1012W与产生激光有关的CO2分子能级图CO2激光器基本结构射频激励横向流动纵向流动CO2激光器优缺点优点：具有较好的方向性、单色性和较好的频率稳定性。而气体的密度小，不易得到高的激发粒子浓度，因此，CO2气体激光器输出的能量密度一般比固体激光器小。缺点：CO2激光器的转换效率是很高的，但昀高也不会超过40％，这就是说，将有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，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。特别是，气体温度的升高，还将引起CO2分子的分解，降低放电管内的CO2分子浓度。这些因素都会使激光器的输出功率下降，甚至产生“温度猝灭”准分子激光器准分子激光（Excimerlaser）是指受到电子束激发的惰性气体和卤素气体结合的混合气体形成的分子向其基态跃迁时发射所产生的激光。准分子激光属于冷激光，无热效应，是方向性强、波长纯度高、输出功率大的脉冲激光，光子能量波长范围为157－353纳米，寿命为几十毫微秒，属于紫外光。KrF249nmXeCl308nmArF193nm准分子激光器发光原理准分子激光是一种气体激光，它的工作气体是由常态下化学性质稳定的惰性气体原子如He、Ne、Ar、Kr、Xe和化学性质较活泼的卤素原子如F、C1、Br等组成。一般情况下，惰性气体原子是不会和别的原了形成分子的，但是如果把它们和卤素元素混合，再以放电的形式加以激励，就能成为激发态的分子，当激发态的分子跃迁回基态时，立刻分解、还原成本来的特性，同时释放出光子，经谐振腔共振放大后，发射出高能量的紫外光激光。这种处于激发态的分子寿命极短，只有10ns，故称为“准分子”(Excimer)。准分子激光由NikolaiBasov,V.A.Danilychev和Yu.M.Popov等人于1970在莫斯科物理研究所发明。使用电子束激发氙气二聚体，产生的准分子激光波长为172nm。1975年包括美国政府的海军研究实验室、诺思罗普研究和技术中心，AvcoEverett研究实验室，和美国桑迪亚国家实验室在内的多家政府研究机构研究利用电子束激发惰性气体卤化物。1979年西德LambdaPhysik公司生产出第一台商业用准分子激光器。准分子激光器Ar+离子激光器如果激光跃迁发生在气体原子或分子的离子能级之间，这种激光器就称为离子激光器。一般分为气体离子激光器（包括惰性气体离子激光器和分子气体离子激光器）和金属蒸气离子激光器。氩离子激光器是一种惰性气体离子激光器。它输出的激光波长主要是0.4880μm和0.5145μm的蓝绿光。连续输出功率一般为几瓦到几十瓦，高者可达一百多瓦，是目前在可见区连续输出功率昀高的激光器。氩离子激光器的阈值电流密度较高，在100A/cm2以上。氩离子激光器的能量转换效率较低，一般在10-4～10-5范围。效率低的原因是在气体放电过程中电离度不高，形成激发态的离子密度小，而且它的工作能级离基态较高，量子效率比较低。氩离子能级和跃迁氩离子主要激光谱线Ar+离子激光器基本结构包括放电管、电极、回气管、谐振腔、轴向磁场等气体激光器He－Ne激光器CO2激光器Ar＋离子激光器工作物质He＋Ne；Ne决定光谱性能CO2＋He＋N2；CO2决定光谱性能Ar；Ar＋决定光谱性能物理过程四能级系统四能级系统四能级系统激光谱线0.6328μm+1.15μm+3.39μm；3.39μm占优势10.6μm+9.6μm；10.6μm占优势0.4880μm+0.5145μm蓝光和绿光泵浦源气体放电激励气体放电激励气体放电激励输出特性*谱线竞争*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佳充气总压强，即存在最佳充气条件和毛细管直径*放电特性：电流有最佳值*温度效应：转换效率高，约有60％以上的能量转换为气体的热能，温度升高，粒子数反转减小，谱线加宽增益系数下降*多谱线工作：每条谱线都有一个阈值电流*输出功率随放电电流的关系与其他激光器不一样；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；*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*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，因而储存的能量少结构简单，使用方便，光束质量好，工作可靠，容易制造连续工作脉冲工作均可；输出功率大，效率高；正好处于大气窗口，且对人的眼睛的危害比可见光和红外线小得多谱线丰富，主要分布在蓝绿光区；连续脉冲工作均可，是目前在可见光区连续输出功率最高的气体激光器半导体激光器半导体激光器半导体激光器也称为半导体激光二极管,或简称激光二极管(LaserDiode,缩写LD)。由于半导体材料本身物质结构的特异性以及半导体材料中电子运动规律的特殊性,使半导体激光器的工作特性有其特殊性。固体的能带本征半导体的能带费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度关系1()1FnEEkTfEe−=+费米分布P区PNN区扩散漂移EpcP区EncEfEpvN区EnvhfhfEfEpcEpfEpvEncnEnvnpgFFEEEVqq−=R1R2-(FabryPerot,FP)2/Lmnλ=mn注入电流有源区解理面解理面L增益介质R1R2z=0z=LγthαLR1R