(完整版)现代光学基础—新型激光器介绍
各种激光器的介绍
各种激光器的介绍激光（Laser）是光学与物理学领域中的重要研究方向之一，也是现代科学中应用最广泛的光源之一、激光器是产生、放大和产生激光的装置，它能够使光以高度有序的方式输出，并具有高度相干和高度定向的特性。
激光器可以根据不同的工作原理和激光频率，分为多种类型，下面将为大家介绍几种常见的激光器。
1. 固体激光器（Solid State laser）：固体激光器是利用固体材料作为介质的激光器。
固体激光器的工作物质通常为具有特殊能级结构的晶体或玻璃材料。
最早的固体激光器是由人工合成的红宝石晶体制成的。
它具有高度的可靠性、较高的功率输出和较宽的谱段覆盖等特点，广泛应用于医疗、测量、通信、材料加工等领域。
2. 气体激光器（Gas laser）：气体激光器是利用气体作为活性介质的激光器。
常见的气体激光器有二氧化碳激光器、氦氖激光器等。
其中，二氧化碳激光器是最早被发现和研究的激光器之一，具有连续激光输出、较高的功率密度和中远红外波段特点，广泛应用于材料加工、切割、医疗等领域。
3. 半导体激光器（Semiconductor laser）：半导体激光器是利用半导体材料作为活性介质的激光器。
它是目前应用最广泛的激光器之一，常见的有激光二极管（LD）和垂直腔面发射激光器（VCSEL）。
半导体激光器具有小巧轻便、功耗低、寿命长等特点，广泛应用于激光显示、光通信、生物医学等领域。
4. 光纤激光器（Fiber laser）：光纤激光器是利用光纤作为反射镜和放大介质的激光器。
它采用光纤的内部介质作为激光器的活性介质，激光通过光纤进行传输和放大。
光纤激光器具有高度稳定性、方便携带、适用于长距离传输等特点，广泛应用于材料加工、制造业、激光雷达等领域。
5. 半导体泵浦固体激光器（Diode-pumped solid-state laser）：半导体泵浦固体激光器是利用半导体激光器（如激光二极管）泵浦固体材料产生激光的激光器。
它继承了固体激光器的高功率、高效率和稳定性等特点，同时又具有半导体激光器小尺寸、低功耗等优势。
新激光第三章典型激光器01PPT课件
02 激光原理概述
激光产生的基本原理
受激发射
当原子或分子吸收特定频率的光 子后，其电子从低能级跃迁至高 能级，当电子从高能级回落到低 能级时，会释放出与原光子频率
相同的光子。
光学共振腔
为了形成持续的激光输出，需要 一个光学共振腔来选择特定频率 的光子，并维持光子在其中的共
振。
泵浦机制
通过外部能量源（如电流或光泵 浦）为原子或分子提供能量，使 其从低能态跃迁至高能态，为受
激光与其他技术的结合
随着科技的不断发展，激光技术将与其他技术如人工智能 、物联网等结合应用，实现更高效、更智能的技术解决方 案。
05 结论
本章总结
01
02
03
04
理解了典型激光器的原理和结 构，包括气体、固体、染料和
半导体激光器等。
掌握了不同类型激光器的特点 和优缺点，以及它们在不同领
域的应用。
激光在科学研究领域的应用
激光光谱学
利用激光技术进行光谱分析，研究物质的分 子结构和化学性质。
激光显微镜
利用激光技术提高显微镜的分辨率和观察能 力，可观察微小生物和细胞结构等。
激光雷达
利用激光技术进行遥感测量和环境监测，具 有高精度、高分辨率等特点。
激光操控
利用激光能量对微观粒子进行精确操控，如 量子计算、量子通信等。
通信。
测量
由于激光的高亮度和方向性， 可以用于各种高精度测量，如 距离、角度、速度等。
加工
激光的高能量密度可用于各种 材料的加工，如切割、焊接、 打标等。
医学
激光可用于各种医学治疗和诊 断，如眼科手术、皮肤科治疗
、肿瘤治疗等。
03 典型激光器介绍
气体激光器
各种激光器的介绍
四、 新型固体激光器
3. 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续、准连续 及脉冲固体激光器，它一直是军事应用和激光加工应用所追求的目标。
从二十世纪七十年代起开始研制的板条形固体激光器，就是针对克服工作物 质中的热分结构如图(5-8)所示。
3.掺钕钇铝石榴石(Nd3＋：YAG) 工作物质:将一定比例的A12O3、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＋)，其吸收光谱如图(5-4)所示
图(5-4) Nd3＋:YAG 晶体的吸收光谱
YAG中Nd3＋与激光产生有关的能级结构如图(5-5) 所示。它属于四能级系统。 荧光谱线中心波长为1.35um和1.06um；由于 1.06um比1.35um波长的荧光强约4倍，所以激光振 荡中，将只产生1.06um的激光
图(5-8) 板条形固体激光器结构示意图
一、氦-氖(He-Ne)激光器
He-Ne激光器的结构形式很多，但都是由激光管和激光电源组成，激光管 由放电管、电极和光学谐振腔组成。
1. He-Ne激光器的结构和激发机理 He-Ne激光器可以分为内腔式、外腔式和半内腔式三种，如图(5-9)所示。 He-Ne激 光器工作物 质为Ne原子， 即激光辐射 发生在Ne原 子的不同能 级之间。He 主要起提高 Ne原子泵浦 速率的辅助 作用。
图(5-5) Nd3＋:YAG 的能级结构
二、固体激光器的泵浦系统
1. 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。 2. 泵浦光源应当满足两个基本条件：一是有很高的发光效率；二是辐射光的光 谱特性应与激光工作物质的吸收光谱相匹配
激光器及其应用介绍
原子温度降低到了与绝对
零度只相差百万分之一度 的程度。
的方法，使冷却温度进一
步降低。因此获得1997年 诺贝尔物理奖。
13
1961年8月，中国第一台红宝石激光器问世。中 国科学院长春光学精密机械研究所研制成功。
1987年6月，1012W的大功率脉冲激光系统——神 光装臵，在中国科学院上海光学精密机械研究所 研制成功。
1960年7月，世界第一台红宝石固态激光器问世，
标志了激光技术的诞生。
美国加利福尼亚州休斯航空公司实验室的研究员梅
曼演示的。 波长为694.3nm的激光
2014-10-16
7至此，一门新的科学技来自术——量子电子学中的激光 技术以科学史上罕见的高速 度向前发展！
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8
1961年
⑴ 2月（A.Javan）研制成了
He—Ne混合气体激光器。
⑵ 有人提出了Q调制技术，
并制成第一台调Q激光器。
⑶ 制成了钕玻璃脉冲激光器。
为什么要调Q？
1962年，美国三个研究小组几乎同时分别发布砷化镓 （GaAs）半导体激光器运转的报道。
仅1961—1962年间世界各国发表 的激光方面的论文达200篇以上。
从历史来看，任何科学发明或科学发现，都不外是两条 道路：一是自然界业已存在，当人们自觉或不自觉地发现以 后再产生理论，并加以证明和利用，如万有引力、氧气、电 磁等，这种情况称为“科学发现”；二是自然界（至少地球 上的自然界）并不存在的事物，但人们先从理论上推导、预 测，然后再通过努力加以证明和实现，如相对论、核衰变、 核聚变等，这种情况称为“科学发明”。而后者则更有科学 理论性和挑战性，激光的诞生过程就是属于后者。
激光器简介
激光器能发射激光的装置。
1954年制成了第一台微波量子放大器，获得了高度相干的微波束。
1958年A.L.肖洛和C.H.汤斯把微波量子放大器原理推广应用到光频范围，并指出了产生激光的方法。
1960年T.H.梅曼等人制成了第一台红宝石激光器。
1961年A.贾文等人制成了氦氖激光器。
1962年R.N.霍耳等人创制了砷化镓半导体激光器。
以后，激光器的种类就越来越多。
按工作介质分，激光器可分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器和染料激光器4大类。
近来还发展了自由电子激光器，其工作介质是在周期性磁场中运动的高速电子束，激光波长可覆盖从微波到X射线的广阔波段。
按工作方式分，有连续式、脉冲式、调Q和超短脉冲式等几类。
大功率激光器通常都是脉冲式输出。
各种不同种类的激光器所发射的激光波长已达数千种，最长的波长为微波波段的0.7毫米，最短波长为远紫外区的210埃，X射线波段的激光器也正在研究中。
除自由电子激光器外，各种激光器的基本工作原理均相同，装置的必不可少的组成部分包括激励（或抽运）、具有亚稳态能级的工作介质和谐振腔（见光学谐振腔）3部分。
激励是工作介质吸收外来能量后激发到激发态，为实现并维持粒子数反转创造条件。
激励方式有光学激励、电激励、化学激励和核能激励等。
工作介质具有亚稳能级是使受激辐射占主导地位，从而实现光放大。
谐振腔可使腔内的光子有一致的频率、相位和运行方向，从而使激光具有良好的定向性和相干性。
激光工作物质是指用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的物质体系，有时也称为激光增益媒质，它们可以是固体（晶体、玻璃）、气体（原子气体、离子气体、分子气体）、半导体和液体等媒质。
对激光工作物质的主要要求，是尽可能在其工作粒子的特定能级间实现较大程度的粒子数反转，并使这种反转在整个激光发射作用过程中尽可能有效地保持下去；为此，要求工作物质具有合适的能级结构和跃迁特性。
激励(泵浦)系统是指为使激光工作物质实现并维持粒子数反转而提供能量来源的机构或装置。
激光器简介介绍
05 激光器的未来发展趋势和 挑战
高功率激光器的研发和应用
高功率激光器在国防、工业和 医疗等领域具有广泛的应用前 景。
研发高功率激光器的关键在于 提高输出功率、光束质量和稳 定性，以及降低制造成本。
高功率激光器在材料加工、激 光雷达、照明和通信等领域已 取得重要进展。
超快激光器的研发和应用
应用
二氧化碳激光器在医疗美容中应用广 泛，如激光手术刀、皮肤美白等。
固体激光器
特点
体积小、重量轻、效率高、操作简单。
应用
用于材料加工、打标、雕刻等领域。
液体激光器
特点
输出波长可调、效率较高。
应用
用于生物医学、光谱学等领域。
半导体激光器
要点一
特点
体积小、寿命长、价格便宜。
要点二
应用
用于光纤通信、数据存储等领域。
激光打标
利用激光的高能量密度在 物体表面刻印图案、文字 或编码等标识，实现高效 、环保的打标方式。
激光焊接
通过激光束将两个或多个 材料连接在一起，具有高 精度、高强度和高密封性 等优点。
医学领域
激光治疗
利用激光的能量照射人体组织， 通过热能、光化学效应等作用达 到治疗目的，如激光手术、激光
美白等。
感谢您的观看
光纤激光器
特点
输出波长稳定、效率高、光束质量好。
VS
应用
用于高速光纤通信、激光雷达等领域。
03 激光器的组成和工作02
03
04
增益介质
用于提供能量放大作用，通常 由气体、液体、固体或半导体
等材料组成。
泵浦源
用于向增益介质提供能量，通 常采用光、电、化学等方法。
激光器介绍
一、激光产生的原理1、物质的发光过程在自然界，任何物质的发光都需要经过两个过程，受激吸收过程和自发辐射过程。
（1）、吸收过程当物质受到外来能量如光能、热能、电能等的作用时，原子中的电子就会吸收外来能量(如一个光子)，从低轨道跃迁到高轨道上去，或者说处于低能态的粒子会吸收外来能量，跃迁至高能态。
由于吸收过程是在外来光子的激发下产生的，所以称之为“受激吸收”。
受激吸收的特点是：必须有外来光子(或其他方式的能量)“刺激”，而且这个外来光子的能量必须是：0N h E E ν=- (N=1，2，3……)式中E 0是粒子吸收外界能量前所处的能级，E N 是吸收后所处的能级 ，h 为普朗克常数。
（2）、自发辐射过程被激发到高能级上的粒子是不稳定的，它们在高能级上只能停留一个极为短暂的时间，然后立即向低能级跃迁。
这个过程是在没有外界作用的情况下完全自发地进行的，所以称为“自发跃迁”。
粒子在自发跃迁过程中，要把原先吸收的能量释放出来，所释放的能量数值为E=E N -E 0。
释放能量转变为热能，传给其他粒子，这种跃迁叫做“无辐射跃迁”，不会有光子产生。
另一种是以光的形式释放能量(叫做自发辐射跃迁)，即向外辐射一个光子，于是就产生了光。
自发辐射过程放出的光子频率，由跃迁前后两个能级之间的能量差来决定，即：可见，两个能级之间的能量差越大，自发辐射过程所放出的光子频率就越高。
自发辐射光极为常见，普通光源的发光就包含受激吸收与自发辐射过程。
前一过程是粒子由于吸收外界能量而被激发至高能态；后一过程是高能态粒子自发地跃迁回低能态并同时辐射光子。
当外界不断地提供能量时，粒子就会不断地由受激吸收到自发辐射，再受激吸收，再自发辐射，如此循环不止地进行下去。
每循环一次，放出一个光子，光就这样产生了。
0N E E h ν-=自发辐射的特点是：由于物质(发光体)中每个粒子都独立地被激发到高能态和跃迁回低能态，彼此间没有任何联系，所以各个粒子在自发辐射过程中产生的光子没有统一的步调，不仅辐射光子的时间有先有后，波长有长有短，而且传播的方向也不一致。
新型激光器的调制与解调技术研究
新型激光器的调制与解调技术研究在当今科技飞速发展的时代，激光技术已经成为众多领域不可或缺的重要工具，从通信、医疗到工业制造，其应用范围不断拓展。
而新型激光器的调制与解调技术更是在提高激光性能、拓展应用领域方面发挥着关键作用。
一、新型激光器概述新型激光器相较于传统激光器，在性能、结构和工作原理等方面都有了显著的改进和创新。
例如，量子级联激光器、分布反馈式激光器等，它们具有更高的输出功率、更窄的线宽以及更好的波长稳定性。
这些新型激光器的出现，为实现更高速、更高效的信息传输和处理提供了可能。
然而，要充分发挥它们的优势，离不开先进的调制与解调技术。
二、调制技术调制是将信息加载到激光载波上的过程。
常见的调制方式包括幅度调制、频率调制和相位调制。
幅度调制是通过改变激光的振幅来传递信息。
这种方式简单直观，但容易受到噪声的影响，限制了传输的距离和质量。
频率调制则是根据信息改变激光的频率。
它具有较好的抗噪声性能，适用于长距离传输，但对系统的精度要求较高。
相位调制通过改变激光的相位来承载信息。
相位调制具有较高的频谱效率，能够在有限的带宽内传输更多的数据。
此外，还有一些复杂的调制方式，如正交幅度调制（QAM）等。
QAM 结合了幅度和相位调制，能够大大提高信息传输的速率，但实现难度也相应增加。
在新型激光器中，由于其独特的性能特点，对调制技术提出了更高的要求。
例如，量子级联激光器的快速响应特性使得它能够支持更高频率的调制；而分布反馈式激光器的良好波长稳定性则为高精度的调制提供了基础。
三、解调技术解调是从接收到的已调制激光信号中恢复出原始信息的过程。
解调技术的性能直接影响着信息的准确性和完整性。
常见的解调方法有直接检测和解调、相干解调等。
直接检测解调相对简单，但灵敏度较低。
相干解调通过与本地参考光进行干涉，能够更精确地恢复出信号，但系统复杂度较高。
对于新型激光器的解调，需要充分考虑其调制方式和信号特点，选择合适的解调方案。
激光器的简介以及发展历程课件
气体激光器通常采用气体作为增益介质，通过放电或燃烧等方式激发气体内部 的原子或分子，使它们跃迁到高能级状态，从而实现光的放大。常见的气体激 光器有氦氖激光器和二氧化碳激光器等。
液体激光器
总结词
利用液体作为增益介质的激光器。
详细描述
液体激光器通常采用有机染料或重金属盐溶液作为增益介质，通过激发介质内部 的分子或离子产生光子，从而实现光的放大。常见的液体激光器有染料激光器和 金钠米激光器等。
科研领域
激光光谱学
利用激光技术对物质进 行光谱分析，以研究其
组成和结构。
激光物理
利用激光技术对物理现 象进行研究和实验，如 量子光学、非线性光学
等。
激光化学
利用激光技术对化学反 应进行激发和观测，以 提高化学反应的效率和
产率。
生物医学成像
利用激光技术对生物组 织进行无损检测和成像 ，如光学显微镜、共聚
02
激光器的发展历程
激光器的起源
激光器的起源可以追溯到20世纪60年代，当 时科学家们开始探索光的相干性，并发现了 光的受激发射现象。
1960年，美国科学家梅曼发明了第一台红宝 石激光器，从此开启了激光技术的新篇章。
激光器的发明引起了广泛的关注和兴趣，因 为它具有高亮度、高方向性、高单色性和高 相干性的特点，为科学研究、工业生产和军 事领域提供了新的工具和手段。
焦显微镜等。
感谢您的观看
THANKS
02
光束质量
激光的光束质量影响其聚焦和 传输效果，光束质量越高，激 光的亮度越高。
03
稳定性
激光器的稳定性对其应用效果 和使用寿命具有重要影响，稳 定的激光器能够保证长时间的 工作效果。
04
《现代光学基础教学课件》激光原理(1)
arccos1(AD)为实数
2
1 ( A D) 1 稳定性条件 2
A、D为光线在腔内往返一次对应矩阵元。
ห้องสมุดไป่ตู้
ppt课件
26
共轴球面腔稳定性条件的三种表达式：
1 (A D) 1 2
A、D为光线在腔内往返 一次对应矩阵元。
LL
0 (1 )(1 ) 1
R1
R2
凹面镜：R 0 凸面镜：R 0
2
L
c
损耗越小，Q值越高
ppt课件
20
例1）衍射损耗——平均单程损耗因子
M1
M2
L
2a
L
衍射损耗平均单程损耗因子: (衍射损耗不大时)
d
1 a2
1 N
L
N a 2 菲涅耳数
L
N
d
ppt课件
21
例2) 透射损耗/输出损耗 ——平均单程损耗因子
初始强度为I0的光，在腔内经两个镜面反射 往返一周后，其强度应为
tc
I(t)I0e L
I0etR
物理意义：1.腔内光强
衰减到初始值的 1 所用
t R 时： I(t) I0 e 的时间。
e
:R
2.腔内光子数密度衰减到初始值的 1
用的时间。
ppt课件
e
所
19
3. 无源腔的品质因数——Q值
品质因数 Q 2 E
P
储存在腔内的总能量 单位时间内损耗的能量
Q
2 R
I1I0r1r2I0e2r r1，r2两镜面反射系数
1
1
r2ln r 1 r2 ()2(lr 1 n ln r2)
ppt课件
22
典型激光器介绍范文
典型激光器介绍范文激光器（Laser）是一种产生单色、相干、直线偏振、高照度、狭谱线宽和高光度的光源。
激光器由激光介质和激励源组成，通过激励源的能量输入，激活激光介质，从而产生激光。
激光有着许多优异的特性，使其在科学、军事、医学、通信和工业等领域广泛应用。
首先，激光具有高浓度和高照度的特点。
激光是通过光的受激辐射产生的，具有高度一致的光子能量。
因此，激光的能量集中在一个相对较小的空间范围内，使其照射到目标区域时具有高浓度和高照度的特性。
这种特点使得激光可以在实验室研究中进行高精度的测量和操作，也可以在工业制造中实现高精度的加工。
其次，激光是单色和相干的。
激光的波长非常狭窄，通常只有几个纳米的宽度。
这使得激光具有单色性，可以在光谱范围内非常准确地选择特定的波长。
激光还具有相干性，这意味着激光的光波是同相位的，能够产生干涉和衍射现象。
这些特性使得激光在干涉测量、光学成像和激光雷达等领域有广泛应用。
激光还具有直线偏振的特点。
激光的光波可以只在特定的方向上振动，这被称为直线偏振。
激光的直线偏振特性使其可以用于光通信中的光纤传输，也可以用于成像和材料加工中的光学调制。
另外，激光还具有高光度和狭谱线宽的特点。
激光的光束是非常狭窄的，能够在远距离传播而几乎不发散。
这使得激光在空间通信、激光雷达和激光制导等领域有着重要的应用。
此外，激光的狭谱线宽使得其光谱质量较高，可以用于光学谱学、精密测量和激光组成分析等领域。
根据激光产生的方式和特性，常见的激光器包括气体激光器、固体激光器、半导体激光器和液体激光器。
气体激光器使用高压放电激活气体，常见的气体激光器有氦氖激光器、二氧化碳激光器和氩离子激光器等。
固体激光器使用固体晶体或玻璃样品作为激光介质，通常由激光二极管或灯管等激励源激活。
半导体激光器使用半导体材料作为激光介质，结构简单、体积小、功率高，通常用于激光打印、光纤通信和光存储等领域。
液体激光器使用液体作为激光介质，主要用于科研实验。
完整版现代光学基础新型激光器介绍
有源区形状设计自由，可按照需求制成圆柱形，与圆传形统边孔发径射激和光圆器：形电极共同作
用，使通输过移出动光N型束上窄DB又R，圆，无像散，易于与光纤耦合。
腔长通常为几百微米，纵模间隔不
到一纳米，使得改变腔长对输出波长影
改c变.远空气场层发厚度散，角进而小增
响不大。
加通谐过振腔控腔制长，有改源变输区出直径和注入电流对输出光束远场发散垂角直腔腔进表长行面短发，控射仅制激有光单[10器个]。：纵模同落时在激，光由器
于光波长束。的远场特性圆对称，可被透镜聚焦和准直。 的增益带宽内。
2020/4/17
现代光学基础
7
主要特性介绍
LOGO
(2)输出功率 由于发光方向增益介质非常短，一般只有几十纳米，单程增益小于1%，使得 输出功率低于端面发射激光器，一般为毫瓦量级。(所需阈值电流也小) 可采用以下措施，增强输出功率：
(2)谐振腔：P型DBR为全反镜，N型
P型接触电极 P型分布布拉格反射器
氧化物孔径 钝化层
量子阱有源区
N型分布布拉格反射器
DBR为激光输出镜，输出镜透过率为1% 左右。
砷化镓基底 N型接触电极 增透膜
(3)增益介质：由2种不同的半导体材料 (如：GaAsP/InGaAs)相间排列形成，具 有量子限制效应的载流子势阱[9, 10]，与两
负接触电极
3与0传nm统厚的的GAalA0.0s2势Ga垒0.9层8A相s层比位，于GPaA型sD0.9BPR0.1与更Al0空G.9宽GaAa气0s.的1As层带之隙间可，以经使选In择G氧aA化s阱后中形的成载低流透子 射得率到的更好高的阻限氧制化，物避Al免xO有y，源限区制温注度入升有高源导区致的阈基电底值流电和流光增场加。和效率下降。
新型蓝光激光器设计
新型蓝光激光器设计一、引言随着科技的不断发展，激光技术已经成为现代科技中不可或缺的一部分。
其中，蓝光激光器是目前最为先进的激光器之一。
本文将介绍新型蓝光激光器设计的相关内容。
二、蓝光激光器简介1. 蓝光激光器的定义和特点蓝色激光是指波长在400nm到500nm之间的激光。
与传统红色或绿色激光相比，蓝色激光具有更短的波长和更高的频率。
这使得它在许多应用中具有重要优势，例如高密度数据存储、高清晰度电视和显示屏、医学成像等领域。
2. 蓝光激光器原理蓝色激光器通常使用半导体材料作为活性介质，并通过注入电流来实现放大和发射。
当电流通过半导体材料时，它会产生强烈的电场，在这个过程中活性材料会被刺激并发射出蓝色激光。
三、新型蓝光激光器设计1. 激光二极管阵列技术在传统的蓝光激光器中，使用单个激光二极管来产生蓝色激光。
但是，这种方法会导致激光的功率和效率受到限制。
为了解决这个问题，新型蓝光激光器采用了激光二极管阵列技术。
这种技术将多个小型激光二极管组合成一个大型阵列，从而提高了功率和效率。
2. 超快速调制技术在高速通信和数据存储等领域，需要对蓝色激光进行快速调制。
传统的方法是通过改变注入电流来实现调制。
但是，这种方法的响应时间较长，无法满足高速通信的需求。
为了解决这个问题，新型蓝色激光器采用了超快速调制技术。
这种技术可以在纳秒级别内对蓝色激光进行调制，并且能够实现更高的带宽。
3. 纳米结构设计纳米结构设计是一种将微观结构应用于宏观系统的技术。
在新型蓝光激光器中，采用了纳米结构设计来提高激光的效率和性能。
通过控制半导体材料的微观结构，可以改变电子和空穴的行为，并提高激光器的效率和性能。
四、新型蓝光激光器应用1. 高密度数据存储蓝色激光具有更短的波长和更高的频率，因此可以实现更高密度的数据存储。
新型蓝光激光器可以应用于蓝色光盘、蓝光硬盘等高密度存储设备。
2. 高清晰度电视和显示屏蓝色激光可以产生更细致、更真实的图像。
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垂直腔面发射激光器
目录
2020/4/17
1
激光原理回顾
2
结构与工作原理
3
主要特性介绍
4
研究进展与应用
现代光学基础
LOGO
2
激光原理回顾
LOGO
激光的产生，主要源于爱因斯坦在研究光辐射与原子相互作用时，提出的受激
辐射理论[1, 2]：
处于受激态的发光原子在外来辐
高能级E3
射场的作用下，向低能态或基态跃 迁时将辐射出光子。
有源区形状设计自由，可按照需求制成圆柱形，与圆传形统边孔发径射激和光圆器：形电极共同作
用，使通输过移出动光N型束上窄DB又R，圆，无像散，易于与光纤耦合。
腔长通常为几百微米，纵模间隔不
到一纳米，使得改变腔长对输出波长影
改c变.远空气场层发厚度散，角进而小增
响不大。
加通谐过振腔控腔制长，有改源变输区出直径和注入电流对输出光束远场发散垂角直腔腔进表长行面短发，控射仅制激有光单[10器个]。：纵模同落时在激，光由器
负接触电极
3与0n传m统厚的的GAalA0.0s2势Ga垒0.9层8A相s层比位，于GPaA型sD0.9BPR0.与1更Al0空G.9宽GaAa气0s.的1As层带之隙间可，以经使选In择G氧aA化s阱后中形的成载低流透子
射得率到的更好高的阻限氧制化，物避Al免xO有y，源限区制温注度入升有高源导区致的阈基电底值流电和流光增场加。和效率下降。
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参考文献
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辐射场
低能级E2
辐射光子 E1 图(1)典型三能级系统与受激辐射示意图
(1)通过 泵浦源 将基态原子抽运 至高能级，形成粒子数反转。
(2)通过 谐振腔 将输出光子局域 在腔内，在振荡过程中实现功率放 大与模式选择。
(3) 增益介质 作为抽运对象，在 受激辐射产生光子输出的同时，弥 补损耗放大光功率。(最大前提)
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研究进展与应用
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随着光互联及二维光信息处理的发展[13, 14]，VCSEL具有以下应用： (1)VCSEL具有高密度、高传输率、高并行光输出的特点，可方便地进行二维 空间组合，成为理想的集成光电子有源器件和光计算机并行处理器件。 (2)VCSEL具有高速响应的特点，特别适宜于计算机中的芯片光互连和自由空 间光互连，并可用于光神经网络计算技术，可做成高速率光开关。
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激光原理回顾
以传统的半导体激光二极管(LD) [3, 4]为例：
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自发辐射产生的光子经过电子—空穴对附近时[5]，将激励二者复合，产生新光 子。当注入电流足够大，则会形成粒子数反转。(受激辐射)
(1)采用电抽运的方式，以自发辐射产生 的光作为泵浦源。
(2)以正向偏压的PN结作为增益介质，输 出波长由禁带宽度决定。
(2)P型和N型DBR：
正接触电极
P型DBR由30.5对碳(2x1018cm-3)掺杂的Al0.9Ga0.1As/GaAs组成，提供99.9%的反
射率。
N型DBR由21.5对硅(1.5x1018cm-3)掺杂的Al0.9Ga0.1As/GaAs组成，提供99.3%的 反射率。
(3)氧化物孔径与钝化层：
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主要特性介绍
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由于VCSEL的两块反射镜分别位于结层上、下方，使得其结构在细节上具有很 高的自由度，进而具有如下特性：
(1)输出光束质量 a.波长可调谐 谐振波长与谐振腔的长度有关，VCSEL的腔长非常短(几微米)，改变腔长能显 著调谐VCSEL的输出波长。
b.圆形光斑
当前主要研究方向： (1)通过结构优化，提高VCSEL的电光功率转化效率和输出光功率。
(2)由于长波长折射率材料差值小，以致DBR的对数需求大大增加，衍射损耗也 随之增大。为实现波长1.3~1.55μm的光输出，需提高谐振腔端面镜反射率。
(3)通过微机械结构改变谐振腔腔长，实现尽可能大的波长调谐范围。
a.使用反射率超过99%的反射镜构成谐振腔。(端面发射激光器仅需30%)
b.大规模集成，制成二维阵列 谐振腔很小，可做成高速率的光开关；控制二维列阵[11, 12]中各VCSEL的位相， 可控制输出光的相干性；通过各个VCSEL激射光的锁模效应，可得到方向性强的 大功率激光输出。
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(2)谐振腔：P型DBR为全反镜，N型
P型接触电极 P型分布布拉格反射器
氧化物孔径 钝化层
量子阱有源区为1% 左右。
砷化镓基底 N型接触电极 增透膜
(3)增益介质：由2种不同的半导体材料
(如：GaAsP/InGaAs)相间排列形成，具
在抽运电流作用下，双异质结附近
于光波长束。的远场特性圆对称，可被透镜聚焦和准直。
的增益带宽内。
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主要特性介绍
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(2)输出功率 由于发光方向增益介质非常短，一般只有几十纳米，单程增益小于1%，使得 输出功率低于端面发射激光器，一般为毫瓦量级。(所需阈值电流也小) 可采用以下措施，增强输出功率：
有量子限制效应的载流子势阱[9, 10]，与两 的载流子发生复合，产生光辐射，并
个限制层构成双异质结。
在两侧DBR之间来回振荡形成激光输
出。
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结构与工作原理
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其中，激光器具体结构如下：
(14)表有面源接区触增层益：介质： 衬有底源和区由P型3个DBInR0的.2G外a0表.8A面s(制8n作m金)/ G属a-A金s属0.9P接0.1触(1层0n，m并)量在子P型阱或组N成型，D输B出R上波制长成为圆形 光980窗n口m，，同输时出与近两圆侧形A激l0光.2G束a0。.8As组成一个波长的谐振腔。
(3)以输出方向的一对解理面作为谐振腔 端面镜，构成F-P腔。
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结构与工作原理
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垂直腔表面发射激光器(VCSEL)是一种抽运电流和激光输出方向都与激活区垂 直的激光器[6-8]，有源区的厚度即为谐振腔长度。
(1)泵浦源：P型接触电极接电源正极， N型电极接负极，提供抽运电流。