激光原理

30 E02 /2
time
未锁 相前 的 三 个光波的 叠 加
注意 (3.1-6)式
E(t)
E0
v3=3v1, v2=2v1， 初相位无 规 律
-E0
I(t)
v2 v3
v1
0
time
未锁 相前 的 三 个光波的 叠 加
但若设法使 1 = 2 = 3 =0时，有 E1 = E0cos(2πν1 t) E2 = E0cos(4πν1 t) E3 = E0cos(6πν1 t)
由于3p44P 和3p44S能级 上有许多不同的电子态，所 以氩离子激光输出由丰富的 谱线。最强的谱线波长是 488.0nm、514.5nm。
PN结的特性
PN结的特性：当P型半导体和N型半导体结合后，在它 们之间就出现了电子和空穴的浓度差别，电子和空穴都 要从浓度高的地方向浓度底的地方扩散，扩散的结果破 坏了原来P区和N区的电中性，P区失去空穴留下带负电的 杂质离子，N区失去电子留下带正电的杂质离子，由于物 质结构的原因，它们不能任意移动，形成一个很薄的空 间电荷区，称为PN结。其电场的方向由N指向P，称为内 电场。该电场的方向与多数载流子（P区的空穴和N区的 电子）扩散的方向相反，因而它对多数载流子的扩散有 阻挡作用，称为势垒。
1100nm • 输出波长可调谐
二氧化碳激光器
• 激光输出波长10.6m • 典型 分子激光器，
利用分子的振-转能 级作为激光能级 • 能量转换效率高 • 可得到大功率连续输 出或大能量脉冲输出 • 多用于工业加工和医 疗
1 2 3 普通小型CO2激光器的结构
10 9
45
6
7
8
1、输出镜，2、阳极，3、进水口，4、回气管，5、放电管，6、 储气管，7、水冷管，8阴极，9、全反镜，10、出水口
半导体器件的发光机理
当外加电场正端接P区负端接N区与内电场方向相反时，电子被迫从N 区向P区方向集结，当足够数量的电子能级上升到导带能级，它们的电子 能级就超过了势垒能级，电子流过P-N结进入P 区。
➢
此时价带中有许多空穴存在而导带中有许多电子存在，这种状态称为
粒子数反转。
➢
来自导带的电子失去它的一些能量并下降到价带时，它们和空穴复合
连续输出 脉冲输出
• 常用激光器的波长：He-Ne激光器632.8nm； 红宝石激光器694.3nm；CO2激光器10.6μm； Ar+激光器488nm和514.5nm
蓝宝石（Ti-Sapphire）激光器
• 阈值低 • 泵浦效率高 • 激光线宽宽 • 一般用于产生超短光
脉冲 • 激光线宽范围700nm-
He原子质量小，运动速度快 ，频繁地碰撞CO2分子，高效地 抽运010能级上的CO2分子，大 大提高了粒子数反转程度。
氩离子激光器
原子或分子因某种原因失去电子或获得电子的过 程称为电离。若原子失去电子，称为正离子，反 之则称为负离子。
利用离子的能级跃迁所获得的激光器件称为离 子激光器。氖、 氩、氪、氙、镉蒸气、硒蒸气等 均能作离子激光器的工作物质。它们的激光输出 功率比原子气体激光器要高，达几十瓦，可连续 或脉冲输出。
4. 同步泵浦锁模 如果要通过周期性地调制谐振腔的增益来实现锁模，则可以采用一台主动锁模激光
器的脉冲序列泵浦另一台激光器来获得。这种方式就是同步泵浦锁模。
3激光器的组成和常见激光器(列举3~5例)
激光器的分类 按工作物质分 ：
气体激光器
固体激光器 液体激光器 半导体激光器 自由电子激光器
按输出方式分：
E(t)
v3=3v1, v2=2v1， 初相位无规 律
E
0
-E0
I(t)
v2 v3
v1
若相位未锁定，则此三个不同频率的 光波的初位相 1 、 2 、 3 彼此无关， 如左图，由于破坏性的干涉叠加，所 形成的光波并没有一个地方有很突出 的加强。输出的光强只在平均光强3 E02 /2级基础上有一个小的起伏扰动。
•放电管一般用硬质玻璃或石英管制成内径和长度视功率要求而定
•谐振腔全反镜一般由导热较好的金属镀金制成，局部可水冷；输出 镜由透射10.6的材料（盐或半导体）渡介质膜制成。
准分子激光器
• 工作物质为受激准分子 • 容易形成粒子数反转 • 增益比较高 • 一般工作于紫外，如XeF或F2激光器波长分别为351nm和
涉作用，就周期性地出现了极大值（ I = E2 = 9E02 ）。当然, 对于谐振腔内存在多个 纵模的情况，同样有类似的结果。
E(t)
E0
1
0
2
-E0
3
I(t)
v3 9E02
v3=3v1,
v2
v1
v2=2v1， 初位相相同(0)
9E 2 0
如果采用适当的措施使 这些各自独立的纵模在时间 上同步，即把它们的相位相
3.非对称振动(d)
方向相反
2、工作物质
1.CO2气体是工作物质，辅助气体有N2、He、Xe和H2等； 2.N2在气体中起能量转移作用。N2分子受电子碰撞的概率很大，放电中使大量 N2处于亚稳态。通过近共振碰撞把内能转移给CO2分子，实现粒子数反分布 ；
3.He对CO2分子有冷却作用，也可加速下能级粒子数抽空； 4.Xe的电离电位低，激光器内的气体易电离，使CO2分子能量转换效率提高10 ％～15％。同时在维持放电电流相同的情况下，加入Xe后可使放电电压下降20 ％～30％。 5.H2或(H2O蒸汽)可促使低能粒子抽空，H2O蒸汽有利于CO2分 子的还原，可延 长寿命。
3 E02 /2
0
time
未锁 相前 的 三 个光波的 叠 加
位己按照q+1 - q =常数的关 系被锁定，这种激光器叫做 锁模激光器，相应的技术称 为“锁模技术”。
E(t)
E0
1
0
2
-E0
3
I(t)
v3 9E02
v3=3v1,
v2
v1
v2=2v1， 初位相相同(0)
9E02
0
1/(3v1)
2/(3v1) 1/v1
• 锁模染料激光器可以获得超短脉冲 • 染料一般为液体，光学均匀性好价格低 • 一般用较短波长的激光泵浦 • 主要用于需要调谐激光波长的场合，以
及超短脉冲和超快现象研究
二氧化碳激光器
属分子气体激光器
一、工作原理
1、CO2分子运动
CO2分子有三种不同的运动形式：
1.对称振动(b) 2.形变振动(c)
t
三 个光波的 相位锁 定
锁模的方法 1.主动锁模
主动锁模采用的是周期性调制谐振腔参量的方法。 2.被动锁模
产生超短脉冲的另一种有效的方法是被动锁模。 3.自锁模
当激活介质本身的非线性效应能够保持各个振荡纵模频率的等间隔分布，并有确 定的初相位关系，不需要在谐振腔内插入任何调制元件，就可以实现纵模锁定的方法。
互联系起来，使之有一确定
的关系(q+1 - q =常数)，那 么就会出现一种与上述情况
0
E(t)
E0
1/(3v1)
2/(3v1) 1/v1
v3=3三v1,个光波v2的=2相v1位，锁 初定相位无 规 律
t 有质的区别而有趣的现象； 激光器输出的将是脉宽极窄、
-E0
I(t)
v2 v3
v1
峰值功率很高的光脉冲，这 就是说，该激光器各模的相
• 半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注人式、光泵式和高 能电子束激励式。
• 绝大多数半导体激光器的激励方式是电注人，即给PN结加正向 电压，以使在结平面区域产生受激发射，也就是说是个正向偏置 的二极管，因此半导体激光器又称为半导体激光二极管。
• 对半导体来说，由于电子是在各能带之间进行跃迁，而不是在分 立的能级之间跃迁，所以跃迁能量不是个确定值，这使得半导体 激光器的输出波长展布在一个很宽的范围上.它们所发出的波长在 0.3 -34pm之间.其波长范围决定于所用材料的能带间隙，最常见 的是AlGaA:双异质结激光器，其输出波长为750 - 890nm。
半导体激光器（LD）
• 世界上第一只半导体激光器是1962年问世的，经过几十年来的研究，半导体 激光器得到了惊人的发展，它的波长从红外、红光到蓝绿光，被盖范围逐渐扩 大，各项性能参数也有了很大的提高；其制作技术经历了由扩散法到液相外延 法(LPE)，气相外延法(VPE) ，分子束外延法(MBE)，MOCVD方法(金属有机 化合物汽相淀积)，化学束外延(CBE)以及它们的各种结合型等多种工艺；其激 射闭值电流由几百mA降到几十mA，直到亚mA，其寿命由几百到几万小时， 乃至百万小时；输出功率由几毫瓦提高到千瓦如果在PN结上加正向电压，外电场与内电 场的方向相反，扩散与漂移运动的平衡被破坏。 外电场驱使P区的空穴进入空间电荷区抵消一 部分负空间电荷，同时N区的自由电子进入空 间电荷区抵消一部分正空间电荷，于是空间电 荷区变窄，内电场被削弱，多数载流子的扩散 运动增强，形成较大的扩散电流（由P区流向N 区的正向电流）。在一定范围内，外电场愈强， 正向电流愈大，这时PN结呈现的电阻很低，即 PN结处于导通状态。
3、CO2分子激发机理
N2分子受到电子碰撞后 被激发并和CO2分子发生 碰撞， N2分子把获得的 能量传递给CO2分子，使 大量的CO2分子被激发到 001能级时，能级001和 能级 100之间形成粒子数 的反分布。
100能级和020能级的分子迅速 跃迁到亚稳态010能级上。因此必须 把跃迁到010能级上的CO2分子立 即抽空，否则不利于粒子数的反转。
• 它具有效率高、体积小、重量轻、结构简单、能将电能直接转换为激光能、功 率转换效率高(已达10%以上、最大可达50%)。便于直接调制、省电等优点， 因此应用领域日益扩大。目前，固定波长半导体激光器的使用数量居所有激光 器之首，某些重要的应用领域过去常用的其他激光器，已逐渐为半导体激光器 所取代.