光电子技术激光器种类及其特性(详细介绍“激光器”)共40张课件.pptx
光电子技术激光器种类及其特性,2023/1/7,南师大光电技术江苏省重点实验室,1,2023/1/7,南师大光电技术江苏省重点实验室,2,激光器分类按工作物质分：固体（Nd：YAG）、气体（He-Ne、CO2）、液体、染料、半导体、自由电子等；按泵浦方式分：光泵浦、电泵浦、化学能泵浦、热泵浦等、磁泵浦；按辐射特征分：连续、脉冲；按光谱范围分：可见光谱、远红外光谱、紫外光谱等；按能级分：三能级系统、四能级系统。,4.1 激光器分类 4 激光器种类和特性,2023/1/7,南师大光电技术江苏省重点实验室,3,1.4 典型激光器介绍,气体激光器的分类原子-产生激光作用的是没有电离的气体原子，所采用的气体主要是 氦、氖、氩、氪、氙等惰性气体，有时也采用氯、溴、碘、氮、硫、碳、氧等原子气体，或铯、镉、铜、锰、锡等金属原子蒸气。分子（准分子）-产生激光作用的是没有电离的气体分子，所采用的分子气体有：CO、N2、O2、CO2、N2O和水蒸气等；准分子激光器的工作气体在常态下为原子，当受到激发时，可暂时形成寿命很短的分子，称为准分子，这种分子也能产生激光。常采用的准分子有：Ar2*、Xe2*、XeF*、KrF*、ArF*、XeCl*、XeBr*、XeO*、KrO*等。离子-利用电离后的气体离子产生激光作用，主要有惰性气体离子和金属蒸气离子。离子激光器的典型代表是氩离子(Ar+)和氦-镉(He-Cd)离子激光器,2023/1/7,南师大光电技术江苏省重点实验室,4,气体激光器的工作原理电激励-气体放电在高电压下，气体分子发生电离导电(叫做气体放电)，被电场加速的电子与气体原子(或分子、离子)碰撞，使后者激发到高能级，形成粒子数反转，这一过程称为放电激励。气体放电可采用直流或交流的连续放电、射频放电(高频放电)、脉冲放电等形式。直流和交流放电又分为纵向放电和横向放电两种。除放电激励外，还可用电子枪产生的高速电子去激励气体，使之跃迁到高能级，这称为电子束激励。,4.2 气体激光器 4 激光器种类和特性,2023/1/7,南师大光电技术江苏省重点实验室,5,氦-氖(He-Ne)激光器He-Ne激光器可以分为内腔式、外腔式和半内腔式三种，如右图所示。He-Ne激光器是典型的四能级系统。,4.2 气体激光器 4 激光器种类和特性,2023/1/7,南师大光电技术江苏省重点实验室,6,He-Ne激光器,4.2 气体激光器 4 激光器种类和特性,2023/1/7,南师大光电技术江苏省重点实验室,7,封离式CO2激光器结构示意图,二氧化碳激光器下图是一种典型的结构示意图。构成CO2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镜直接贴在放电管的两端。,4.2 气体激光器 4 激光器种类和特性,2023/1/7,南师大光电技术江苏省重点实验室,8,与产生激光有关的CO2分子能级图,4.2 气体激光器 4 激光器种类和特性,2023/1/7,南师大光电技术江苏省重点实验室,9,分段石墨结构Ar+激光器示意图,Ar+离子激光器Ar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。如下图所示为石墨放电管的分段结构。,4.2 气体激光器 4 激光器种类和特性,2023/1/7,南师大光电技术江苏省重点实验室,10,4.2 气体激光器 4 激光器种类和特性,2023/1/7,南师大光电技术江苏省重点实验室,11,气体激光器的输出特性输出功率大-气体激光器容易实现工作物质的大体积均匀分布，且工作物质的流动性好，因此能获得很大功率输出。例如高功率电激励CO2激光器连续输出功率已达数万瓦以上。效率高-大部分的气体激光器既能连续工作又能脉冲工作。目前，CO2激光器的电光转换效率已达到25，而 CO激光器在低温条件下可达到50。谱线范围宽-目前有数百种气体和蒸气可以产生激光，已经观测到的激光谱线近万余条，谱线覆盖范围从亚毫米波到真空紫外波段，甚至 X射线、射线波段。光束质量优-工作物质均匀一致保证了气体激光束的优良光束质量，在光束的相干性、单色性方面优于固体、半导体激光器，如He-Ne激光的单色性很高，很容易达到10-910-11nm，其发散角只有l2毫弧度。,4.2 气体激光器 4 激光器种类和特性,2023/1/7,南师大光电技术江苏省重点实验室,12,4、准分子气体激光器,准分子激光器的工作物质为稀有气体或稀有气体与卤素气体的混合气体，这是一类工作在紫外波长段的高效脉冲激光器，通常作为分光、激光加工、光刻的光源。一般情况下，稀有气体是非常稳定的，很难与其他原子结合形成分子，但一旦被激发后气体性质发生变化，易与其他原子结合形成分子，这样形成的分子称为准分子。准分子在激发态很稳定，而在基态不稳定，会立即被分解，使基态准分子数非常少，因而可获得理想的反转分布。稀有气体与卤素气体的不同组合所得激光波长不同,4.2 气体激光器 4 激光器种类和特性,2023/1/7,南师大光电技术江苏省重点实验室,13,4.3 液体激光器 4 激光器种类和特性,激光工作物质为液体的激光器：这种激光器又可分为无机液体激光器和有机液体激光器。其中最重要的一类是染料激光器其主要优点是：波长连续可调(调谐范围从紫外到红外)、价格低、增益高、输出功率可与固体和气体激光器相比、效率较高、激光均匀性好、制备容易、可以循环操作、利于冷却。典型的例子是若丹明6G染料激光器，溶剂为乙醇。激光调谐范围为564607nm。,染料激光器多使用光泵浦，泵浦源波长稍短于激光器输出波长，泵浦源有横向泵浦，泵浦光束与染料激光束垂直；纵向泵浦，泵浦光束与染料激光束同轴；倾斜人射式泵浦，泵浦光束与染料激光束成锐角。染料激光器结构可分为脉冲激光激励型和连续激光激励型。,2023/1/7,南师大光电技术江苏省重点实验室,14,4.4 固体激光器 4 激光器种类和特性,激光工作物质由一系列原子所组成，并在晶体生长期间，在晶体阵列中人为地掺入杂质原子。这种激光器的特点是体积小，结构稳定，易于维护，输出功率大且适用于用调Q法产生高功率脉冲、用锁模法产生超短脉冲，典型的例子有红宝石激光器、Nd:YAG(掺钕的钇铝石榴石激光器)、钛蓝宝石激光器等。世界上第一台激光器就是红宝石激光器，但现在Nd:YAG应用更广泛。,Nd:YAG的激活介质是YAG(Y3Al5O12)和以杂质形式出现的稀土金属离子Nd3+。该种激光器可以脉冲工作，也可以连续工作。产生的跃迁中以1.06m的激光为最强。这类激光器的最大优点是受激辐射跃迁概率大、泵浦阈值低、容易实现连续发射。以往通常用高强度Xe闪光灯泵浦，脉冲串维持可达，平均功率20kW，但转换效率较低，仅左右；近几年向二极管激光器泵浦的全固态小型化方向发展，转换效率可达10。,2023/1/7,南师大光电技术江苏省重点实验室,15,固体激光器的基本结构与工作物质1.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。右图是长脉冲固体激光器的基本结构示意图(冷却、滤光系统未画出)。2.红宝石激光器红宝石是在三氧化二铝(Al2O3)中掺入少量的氧化铬(Cr2O3)生长成的晶体。它的吸收光谱特性主要取决于铬离子(Cr3)，它属于三能级系统。3.掺钕钇铝石榴石(Nd3：YAG)工作物质:将一定比例的Al2O3、Y2O3，和Nd2O3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(Nd3)，它属于四能级系统。,4.4 固体激光器 4 激光器种类和特性,2023/1/7,南师大光电技术江苏省重点实验室,16,红宝石中铬离子的能级结构,Nd3:YAG 的能级结构,4.4 固体激光器 4 激光器种类和特性,2023/1/7,南师大光电技术江苏省重点实验室,17,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。泵浦光源应当满足两个基本条件。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完全聚到工作物质上，必须采用聚光腔。右图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。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，其中以液冷最为普遍。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。,4.4 固体激光器 4 激光器种类和特性,2023/1/7,南师大光电技术江苏省重点实验室,18,固体激光器的基本特性能量转换效率低，要经过电、光、原子、激光的途径来形成受激辐射放大；运行方式有连续、脉冲、调Q、放大、调制等；输出光谱有数千条，覆盖了可见光、近红外光、紫外（利用晶体实现倍频）；输出峰值功率极高（锁模）-太瓦、飞秒；,4.4 固体激光器 4 激光器种类和特性,2023/1/7,南师大光电技术江苏省重点实验室,19,Quantel Frequency-Doubled Nd-YAG,单脉冲能量：500mJ脉冲宽度：5ns峰值功率：108重复频率：10Hz平均功率：5W,4.4 固体激光器 4 激光器种类和特性,2023/1/7,南师大光电技术江苏省重点实验室,20,4.5 半导体激光器 4 激光器种类和特性,半导体激光器是以半导体材料(主要是化合物半导体)作为工作物质，以电流注入作为激励方式的一种小型化激光器，自1962年问世以来发展迅速，如今已从最初的低温(77K)下运转发展到室温下连续工作，由小功率型向高功率型转变，输出功率由几毫瓦提高到千瓦级(陈列器件)，其结构从同质结发展成异质结、量子阱、布拉格反射型(DBR)和分布反馈型(DFB)等270余种形式，而阈值电流密度从105Acm-2下降到102Acm-2,工作电流最小达到几mA。在所有各类激光器中，半导体激光器输入能量最低，效率最高，体积最小，重量最轻，可以直接调制，结构简单，具有集成电路生产的全部优点，价格低廉，可靠性高，寿命长，目前销售总数量已占各种激光器的99，成为世界激光器市场上的绝对主流。,图(5-24)本征半导体的能带南师大光电技术江苏省重点实验室南师大光电技术江苏省重点实验室价带中的空穴也可被从导带跃迁下来的电子填补复合。半导体激光器的基本结构和工作原理南师大光电技术江苏省重点实验室分段石墨结构Ar+激光器示意图化学激光器的工作物质可以是气体或液体，但目前大多数是用气体。5-2 PN结和粒子数反转6 准分子激光器 4 激光器种类和特性南师大光电技术江苏省重点实验室按性能分类：低阈值LD、超高速LD、动态单模LD、大功率LD施主能级-N型半导体中多出的电子可以成为自由电 子，这使得在导带的下 方靠近导带的地方形成新的能级2 气体激光器 4 激光器种类和特性纵向泵浦，泵浦光束与染料激光束同轴；,2023/1/7,南师大光电技术江苏省重点实验室,21,4.5 半导体激光器 4 激光器种类和特性,半导体激光器是以半导体材料作为激光工作物质的激光器,半导体激光器是的注入式的受激光放大器，虽然它形成激光的必要条件与其他激光器相同，但它的发光机理与前面讨论的激光器截然不同。它的电子跃迁发生在半导体材料带中的电子态和价带中的空穴态之间。,在电流或光激励下，半导体价带中电子可以获得能量，跃迁到价带上，在价带中形成一个空穴，这相当于受激吸收过程。价带中的空穴也可被从导带跃迁下来的电子填补复合。在复合时，电子把约等于Eg的能量释放出来，放出一个频率为 的光子，这相当于自发辐射或受激辐射。,2023/1/7,南师大光电技术江苏省重点实验室,22,4.1 半导体的能带和产生受激辐射的条件,1.在一个具有N个粒子相互作用的晶体中，每一个能级会分裂成为N个能级，因此这彼此十分接近的N个能级好象形成一个连续的带，称之为能带，见图(5-23)。,图(5-23)固体的能带,2.纯净(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(5-24)。,图(5-24)本征半导体的能带,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，能级E被电子占据的几率为,2023/1/7,南师大光电技术江苏省重点实验室,23,4.5 半导体激光器 4 激光器种类和特性,热平衡状态下的载流子,2023/1/7,南师大光电技术江苏省重点实验室,24,N型半导体-在四价的半导体材料中掺以五价元素,取代四价 元素在晶体中的位置。,P型半导体-在四价的半导体材料中掺以三价元素。,施主能级-N型半导体中多出的电子可以成为自由电 子，这使得在导带的下 方靠近导带的地方形成新的能级,受主能级-P型半导体中少一个电子，其中一个共价键 出现空穴，这使得在价带的上 方靠近价带地方增加出新的能级,4.5 半导体激光器 4 激光器种类和特性,2023/1/7,南师大光电技术江苏省重点实验室,25,1.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(5-25)给出了温度极低时的情况。,2.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,图(5-25)费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度关系,2023/1/7,南师大光电技术江苏省重点实验室,26,4.5-2 PN结和粒子数反转,1.P-N结的双简并能带结构,把P型和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？,未加电场时，P区和N区的费米能级必然达到同一水平，如图(5-26)。,图(5-26)PN能带,在P-N结上加以正向电压V时，形成结区的两个费米能级 和，称为准费米能级，如图(5-27)。,图(5-27)正向电压V时形成的双简并能带结构,半导体激光器的基本结构和工作原理5 半导体激光器 4 激光器种类和特性准分子在激发态很稳定，而在基态不稳定，会立即被分解，使基态准分子数非常少，因而可获得理想的反转分布。分布Bragg反射型激光器DBR LD价带顶空穴的占据几率可以用P区的准费米能级来计算2 气体激光器 4 激光器种类和特性按能级分：三能级系统、四能级系统。南师大光电技术江苏省重点实验室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。快速放电泵浦:快速放电泵浦方式多采用所谓布鲁姆莱(Blumlein)电路它的吸收光谱特性主要取决于铬离子(Cr3)，它属于三能级系统。5-2 PN结和粒子数反转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。典型的例子是若丹明6G染料激光器，溶剂为乙醇。常采用的准分子有：Ar2*、Xe2*、XeF*、KrF*、ArF*、XeCl*、XeBr*、XeO*、KrO*等。化学激光器的工作物质可以是气体或液体，但目前大多数是用气体。,2023/1/7,南师大光电技术江苏省重点实验室,27,2.粒子数反转,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,价带顶空穴的占据几率可以用P区的准费米能级来计算,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,2023/1/7,南师大光电技术江苏省重点实验室,28,1.半导体激光器的基本结构和工作原理,图(5-28)GaAs激光器的结构,半导体激光器的工作原理和阈值条件,图(5-28)示出了GaAs激光器的结构。,2.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阈值条件,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,2023/1/7,南师大光电技术江苏省重点实验室,29,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,2023/1/7,南师大光电技术江苏省重点实验室,30,半导体激光器LD,半导体激光器的优点：尺寸小，耦合效率高，响应速度快，波长和尺寸与光纤尺寸适配，可直接调制，相干性好。按结构分类：F-P LD、DFB LD、DBR LD、QW LD、VCSEL按波导机制分类：增益导引LD和折射率导引LD按性能分类：低阈值LD、超高速LD、动态单模LD、大功率LD,2023/1/7,南师大光电技术江苏省重点实验室,31,法布里-珀罗型激光器F-P LD,F-P LD是最常见最普通的LD.由外延生长的有源层和有源层两边的限制层构成，谐振腔由晶体的两个解理面构成。通常为双异质结（DH）LD。激光器实质上是一个受激发射的光振荡放大器。,2023/1/7,南师大光电技术江苏省重点实验室,32,2023/1/7,南师大光电技术江苏省重点实验室,33,2023/1/7,南师大光电技术江苏省重点实验室,34,分布反馈激光器DFB LD,DFB LD同F-P LD的主要区别：DFB LD没有集总的谐振腔反射镜，它的反射机构是由有源区波导上的Bragg光栅提供的。分布式反馈 非常好的单色性和方向性,2023/1/7,南师大光电技术江苏省重点实验室,35,DFB LD基本工作原理,在有源区介质表面上使用全息光刻法做成周期性的波纹形状。用泵浦（光泵浦或电泵浦）激发，造成足够的粒子数反转，具备增益条件只有波长满足“Bragg反射条件”的光波才能在介质中来回反射，得到不断的加强和增长。,DFB LD已成为中长距离光纤通信应用的主要激光器,2023/1/7,南师大光电技术江苏省重点实验室,36,分布Bragg反射型激光器DBR LD,DBR LD的周期性沟槽不在有源波导表面上，而是在有源层波导两外侧的无源波导层上，这两个无源的光栅波导充当Bragg反射镜的作用。由于有源波导的增益特性和无源周期波导的Bragg发射，只有在Bragg频率附近的光波才能满足振荡条件，从而发射出激光。,GaAs/AlGaAs DBR激光二极管,2023/1/7,南师大光电技术江苏省重点实验室,37,量子阱激光器QW LD,特点：低阈值电流高输出功率窄线宽频率啁啾改善调制速率高,有源区厚度薄110nm（FP腔100200nm）周期结构，将窄带隙的很薄的有源区夹在宽带隙的半导体材料之间，形成势能阱 多个势能阱-多量子阱（MQW），单个势能阱-单量子阱（SQW）,2023/1/7,南师大光电技术江苏省重点实验室,38,图(5-33)准分子的能级结构,能级结构有明显的特点。如图(5-33)所示，A表示较高激发态，B表示激光上能级，C表示基态。,由于基态寿命很短，即使是超短脉冲情况下，基态也可认为是空的，因此准分子体系对产生巨脉冲特别有利。,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，这是准分子激光器可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。,由于准分子的荧光光谱为一连续带，故可做成频率可调谐器件。,电子束泵浦:横向泵浦 纵向泵浦 同轴电子束泵浦,快速放电泵浦:快速放电泵浦方式多采用所谓布鲁姆莱(Blumlein)电路,4.6 准分子激光器 4 激光器种类和特性,2023/1/7,南师大光电技术江苏省重点实验室,39,4.7 自由电子激光器 4 激光器种类和特性,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：辐射不是基于原子、分子或离子的束缚电子能级间的跃迁。,2.自由电子激光的特点,将化学能直接转换成激光。,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。,化学激光器,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。化学激光器的工作物质可以是气体或液体，但目前大多数是用气体。,2.化学激光器具有如下三方面的特点,输出的激光波长丰富。,高功率、高能量激光输出。,2023/1/7,南师大光电技术江苏省重点实验室,40,电磁波谱,电磁波谱 光是一种电磁波，X 射线、射线也都是电磁波。它们的电磁特性相同，只是频率或波长不同而已。将电磁波按其频率或波长的次序排列成谱，则称为电磁波谱。通常所说的光学区域或光学频谱包括：红外线、可见光和紫外线。由于光的频率极高10121016Hz（10141015Hz），一般采用波长表征，光谱区域的波长范围约从1 mm到10 nm。远红外(1 mm 20 m)红外线m)中红外(20 m 1.5 m)近红外(1.5 m 0.76 m)红 色(760 nm 630 nm)橙 色(630 nm 600 nm)黄 色(600 nm 570 nm)可见光(760 380 nm)绿 色(570 nm 490 nm)青 色(500 nm 450 nm)蓝 色(450 nm 430 nm)紫 色(430 nm 380 nm)近紫外(380 nm 300 nm)紫外光(380 10 nm)中紫外(300 nm 200 nm)真空紫外(200 nm 10 nm),
