第3章 半导体激光器材料

E2 E1
二、 激光简史和我国的激光技术
1917年，爱因斯坦提出受激辐射
1958年，汤斯和肖洛发表《红外与光学激射器》， 巴索夫和普罗霍罗夫发表《实现三能级粒子数反 转和半导体激光器建议》
1959年，汤斯提出制造红宝石激光器的建议 1960年，加州休斯实验室的梅曼制成了第一台红 宝石激光器 1964年，汤斯、巴索夫和普罗霍罗夫分享诺贝尔物 理学奖
1）光泵抽运 如红宝石激光器
粒子数反转状态
E2 E1
红宝石激光器的示意图
2）电子碰撞 如氩离子激光器 3）化学反应
-
电子 -
如氟化氘激光器等。 4）共振转移
如He--Ne激光器 。
He
-
Ne
Ne
He
-
-
3、光学谐振腔
要有一个能使受激辐射和光放大过程持续的构造：
全反 射镜
实物图 半反 射镜 激光工作物质
E3
பைடு நூலகம்E4
E2
E3
E2
E1
h E2 E1
h E3 E2
E1
三能级系统
红宝石激光器
四能级系统
铷玻璃激光器
2、激励源：用来实现和维持粒子数反转。有电激 励，光激励，热激励，化学激励等
激励--从外界吸收能量，使原子系统的原子不断从低能态 跃迁到高能态能级以实现粒子数反转 的过程（又称“激发”、“抽运” 或 “泵浦”）。
S 光源
E

3
r
S
E I tS
1mW He--Ne激光器 大功率激光器
太阳
= S /r2
2 1
I 2 10 Wcm sr I 88 103Wcm 2 sr 1 9 17 2 1 I 10 10 Wcm sr
P=1mW的氦-氖激光器的亮度约是太阳光的44倍
三、激光器的结构
1、工作介质：产生激光的原子系统或可以实现粒子数反 转的气体、液体或固体 所谓能级合适是指存在“亚稳态能级”，即存在激 发态寿命=10-3秒左右的能级（一般原子系统的 激发态寿命只有10-8秒）
E3
能 量
激 发
E2
E1
亚稳态能级
产生激光的能级系统（例） （1）三能级系统 （2）四能级系统
与外来光子频率 相同、相位相同、 偏振方向和传播 方向相同。
受激辐射光子
特点： 受激辐射产生的光子与入射光子是完全相干的； 受激辐射中，光子成倍增长，产生了光放大。
激光的产生过程
激光是受激辐射的光，但实际中还存在自发辐射 和吸收， 且粒子数正常分布是：N exp( E / kT )
能 E4 量E
五.激光的特性及应用
（一）、激光的主要特性
1、方向性好---激光的发散角小。
l
r
r =2~5mrad（毫弧度） l (1km时光斑直径10m)
激光器
He--Ne激光经纬仪 测月红宝石激光器
Laser
=0.031mrad
=410-5mrad
D=1.6km
2 、亮度高、能量集中
光源亮度--单位面积、单位时间在垂直于光源 表面的单位立体角内发射的能量。 立体角定义：
4
又如单色性最好的氪灯，其中心波长6057埃 波长范围： 波长范围：
4.7 10 A
原理图
工作原理： 全 反 射 镜
激光工作物质
半 反 射 镜
out 光放大原理
小结: 激光器的三个主要组成部分
1.工作物质： 有合适的能级结构 能实现粒子数反转 谐振腔
2.激励能源：
使原子激发 维持粒子数反转 3.光学谐振腔： 保证光放大 使激光有良好的方向性和单色性
工作物质
激励系统
四、激光器的种类
一、激光的产生原理
1、普通光源发光-受激吸收和自发辐射
1）受激吸收
（简称“吸收”）
E2 处在低能级E1的原子受到 h E1
等 于E2-E1的外来能量时， 吸收这一能量跃迁到高能级的 过程。
2)自发辐射
处在高能级（E2）的原子，即使没有任何外界 的激励，总是自发地跃迁到低能级（E1），并 且发射一个频率为，能量h=E2-E1的光子的过 程。
1、固体激光器：器件小、坚固、使用方便、输出功率大
2、气体激光器：结构简单、造价低，操作方便，
介质均匀光束质量好且能长时间稳定工作
He-Ne激光器简介：最早(1961)制成且应用最广泛。
激光波长为632.8纳米(氖原子发出)，采用电激励。
高压电源使气体放电，氦激发，能量传递给氖，四
能级系统
3、 液体激光器：输出波长连续可调，覆盖面宽 4、半导体激光器：体积、质量小，寿命长，结构简单而 坚固
3
N2 exp{( E 2 E1 ) / kT} N1
粒子数反转状态
E2 E1
E2 E1
为了有效地产生激光，要改变这种分布，形成粒子数 反转的状态。
3、粒子数反转：产生激光的必要条件
怎样才能实现粒子数反转呢？ 粒子数反转状态 1）提供足够的能量； 2）原子在激发态多“呆” 一会； 3）减小损失，不断放 大。
1961年8月，我国第一台红宝石激光器在长春光机所研制 成功 1987年6月，大功率脉冲激光系统-神光装置，在上海光 （学精密）机（械研究）所研制成功
普罗霍罗夫
巴索夫
汤斯
1964年诺贝尔物理学奖一半授予美国马萨诸塞州坎布里奇的 麻省理工学院的汤斯（Charles H．Townes， 1915一），另 一半授予苏联莫斯科苏联科学院列别捷夫物理研究所的巴索 夫（Nikolny G．Basov，1922一）和普罗霍罗夫（ Aleksandr M． Prokhorov， 1916－－），以表彰他们从事量子电子学 方面的基础工作，这些工作导致了基于微波激射器和激光原 理制成的振荡器和放大器。
自发辐射的光是非相干光 E3
E2 E1
E2 E1 h
2、受激发射和光的放大 受激辐射：（1917年爱因斯坦提出）
处在高能级上（E2）的原子，受到能量恰为h=E2-E1 的外来光子的激励（或诱发，或剌激）从而跃迁到低能级 E1，并发射一个与外来光子“一模一样”的光子的过程。
E2 E1 外来光子
3）单色性好
激光所包含的波长或频率范围极小 可使一切金属熔化 一束普通的红光 频率范围： 可使一切非金属化为一缕青烟 3.9 1014 4.7 1014 Hz 0.8 1014 Hz
6328埃的He--Ne激光（中心频率 4.74 10 Hz ) Laser
14
2 10 Hz（理论值，实际几赫兹）