激光原理-激光器基本结构
半导体激光器工作原理及基本结构
工作三要素：
01
受激光辐射、谐振腔、增益大于等于损耗。
02
半导体激光器工作原理
02
在材料设计时，考虑将p区和n区重掺杂等工艺，使得辐射光严格在pn结平面内传播，单色性较好，强度也较大，这种光辐射叫做受激光辐射。
条形结构类型
从对平行于结平面方向的载流子和光波限制情况可分为增益波导条形激光器(普通条形)和折射率波导条形激光器(掩埋条形、脊形波导)。
”
增益波导条形激光器 (普通条形)
特点：只对注入电流的侧向扩展和注入载流子的侧向扩散有限制作用，对光波侧向渗透没有限制作用。 我们的808大功率激光器属于这种结构：把p+重掺杂层光刻成条形，限制电流从条形部分流入。但是在有源区的侧向仍是相同的材料，折射率是一样的，对光场的侧向渗透没有限制作用，造成远场双峰或多峰、光斑不均匀，同时阈值高、光谱宽、多纵摸工作，有时会出现扭折问题。
半导体激光器材料和器件结构
808大功率激光器结构
采用MOCVD方法制备外延层，外延层包括缓冲层、限制层、有源层、顶层、帽层。有源层包括上下波导层和量子阱。
有源层的带隙比P型和N型限制层的小，折射率比它们大，因此由P面和N面注入的空穴和电子会限制在有源区中，它们复合产生的光波又能有效地限制在波导层中。大大提高了辐射效率。
最上面的一层材料（帽层）采用高掺杂，载流子浓度高，目的是为了与P面金属电极形成更好的欧姆接触，降低欧姆体激光器器件制备
大片工艺包括：材料顶层光刻腐蚀出条形、氧化层制备光刻、P面和N面电极制备、衬底减薄。 条形结构：在平行于结平面方向上也希望同垂直方向一样对载流子和光波进行限制，因此引进了条形结构。 条形结构的优点： 1. 使注入电流限制在条形有源区内，限制载流子的侧向扩散， 使 阈值电流降低； 2. 有源区工作时产生的热量能通过周围四个方向的无源区传递而逸散，提高器件的散热性能； 3. 有源区尺寸减小了，提高材料均匀的可能性； 4. 器件的可靠性提高、效率提高、远场特性改善。
激光器结构原理
激光器结构原理Laser technology has had a profound impact across a wide range of fields, from medicine to manufacturing. 激光技术在医学到制造业等各个领域都产生了深远影响。
Understanding the principles behind laser structure is crucial to grasping the potential applications and limitations of this technology. 理解激光结构原理对于掌握该技术的潜在应用和局限性至关重要。
At its core, a laser is a device that generates an intense beam of coherent monochromatic light. 从本质上说，激光器是一种产生强烈的一致单色光束的设备。
The principles that govern the design and function of lasers are rooted in the interactions between light and matter.支配激光器设计和功能的原理根植于光与物质之间的相互作用。
The basic structure of a laser consists of three main components: an active medium, an optical resonator, and a pump source. 激光器的基本结构包括三个主要组成部分：活性介质、光学谐振腔和泵浦源。
The active medium is a material that undergoes stimulated emission to produce the coherent light beam. 活性介质是一种通过受激辐射产生一致光束的材料。
二氧化碳激光器原理及光学镜片的损伤ppt课件
输的窗口,有利于激光测距、激光制导、大气通信等方面的应用,
且该波长对人眼安全。 二氧化碳激光器原理及光学镜片的损伤
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气体激光器 D气 体 成 分
实验发现, 当CO2 激光器中充有适量的N2 、CO 、Xe 、Ne 、H2 、 H2O等气体时,输出功率显著提高。而当充有Ar 、N2 O等气体 时,输出功率则显著下降。为提高输出功率,CO2 激光器都充有 不同组分的辅助气体,主要分为含N2 组分与含CO组分两种。
二氧化碳激光器原理及光学镜片的损伤
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气体激光器
• 水蒸气和氢:
在CO2 +N2 +He混合气体中再加入少量的水蒸气或H2 ,能提
高器件的输出功率和使用寿命。原因是H2O 分子对CO2 分子 激光下能级100 0以及011 0能级的弛豫速率很大,且H2O分子振 动能级寿命很短,可以很快返回基态。 H2 的作用与H2O 相同, 因CO2 分子在放电时会离解出O,H 2 与O合成H2O 。因H2 在 常态下是气体,其充入量比水蒸气更易于控制,故常用H2 代替
• 氙:在CO2 +N2 +He混合气体中,加入少量的Xe,可使输出功率 进一步提高约30% ~ 40%,能量转换效率提高10% ~ 15%。原因是 :Xe的电离电位低,加入后可增加放电气体中的电离度,使E/N值降 低(充有Xe的放电管管压降可以下降20%),从而提高激光器的效 率。混合气体中Xe的含量有一最佳值,一般其分压强在107 ~ 160Pa之间。 Xe的含量不可过高,过高虽使电子密度增加,但电子 碰撞机会也随之增加,导致电子温度下降。
工质量好；
二氧化碳激光器原理及光学镜片的损伤
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激光器基本结构
激光器基本结构一、激光器的基本原理激光器是一种能够产生高强度、高单色性的光束的装置。
它的核心部分是一个能够产生受激辐射的介质，通常采用激光介质，如Nd:YAG晶体或CO2气体等。
当这个介质被能量激发时，它会放出一束相干的光束。
二、激光器的基本结构1. 激发源：用于提供能量以激发介质产生受激辐射。
通常采用电子束、闪光灯和半导体等。
2. 激光介质：用于产生受激辐射的物质，通常采用固态、液态或气态介质。
3. 光学谐振腔：由两个反射镜组成，其中一个为半透明镜。
它们将产生的光束反复反射在内部形成一条相干且强度增强的光线。
4. 准直系统：用于控制输出光束方向和形状，通常由透镜和棱镜组成。
5. 输出窗口：将准直后的光线引出谐振腔，输出到外界。
三、激光器的工作原理1. 激发介质：激光器的激发源提供能量，使介质中的原子或分子进入高能态。
2. 受激辐射：当介质中的原子或分子处于高能态时，它们会受到外界光线的刺激，并发生受激辐射，产生相干光束。
3. 谐振腔：产生的相干光束在谐振腔内反复反射，形成一条强度增强、相干性好的光线。
4. 输出：准直系统控制输出光线方向和形状，通过输出窗口将光线引出谐振腔。
四、常见的激光器类型1. 固态激光器：采用固体介质，如Nd:YAG晶体等。
2. 气体激光器：采用气体介质，如CO2气体等。
3. 半导体激光器：采用半导体材料作为介质。
4. 其他类型：还包括自由电子激光器、化学气相激光器等。
五、应用领域1. 制造业：激光器在制造业中广泛应用，如激光切割、激光打标等。
2. 医疗领域：激光器在医疗领域中常用于手术、皮肤美容等。
3. 通信领域：激光器在通信领域中被用于传输信息。
4. 科学研究：激光器在科学研究中也有广泛的应用，如原子物理实验等。
六、发展趋势1. 激光器技术将继续发展，产生更高功率和更高质量的激光束。
2. 激光器应用领域将不断扩大，特别是在智能制造和高精度加工等方面。
3. 激光器将成为未来通信、医疗和科学实验的重要工具。
激光原理与技术--第二章 激光器的工作原理
0.3GHz
q
2L
q
2 5 101 m 6.328107 m
1.5803106
q 1.5 10 9 Hz 5 310 8 Hz
34
第三十四页，共60页。
激光的产生
激光振荡示意图
35
第三十五页，共60页。
❖ 三能级系统
粒子数反转激励条件
激光的产生有三个能级
E 下能级，基态能级： 1
上能级，亚稳态能级:
a) 三能级
E3
A30
S32
W03
E2
A21 B12 B21
E1
E0
b) 四能级
量子效率0
亚稳态发射的荧光光子数 工作物质从光泵吸收的光子数
1
2
三能级1
=
S32 S32 +A31
2
A21 A21 S21
四能级1
=
S32
S32 +A30
+A31
优质红宝石: 0.7
钕玻璃: 0.4
50
纵模的频率间隔：
q
q1
q
C
2L
18
第十八页，共60页。
腔的纵模在频率尺度上是等距离排列的
激光器谐振腔内可能存在的纵模示意图
19
第十九页，共60页。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
q 0.5109 Hz
❖ L=10厘米和L=30厘米的He-Ne气体激光器
L=10厘米的He-Ne气体激光器
q 1.5109 Hz
L=30厘米的He-Ne气体激光器
21 第二十一页，共60页。
激光谐振腔内低阶纵模分布示意图
22 第二十二页，共60页。
激光纵模分布示意图
激光原理5.1固体激光器的基本结构与工作物质
f
νGGf (νν)a内8cν221Lf2νlnν2erd1rJ2
J阈
a内
21Llnr1r2
8
22ed
c2
5.4.4 同质结和异质结半导体激光器
5.2.3 Ar+离子激光器
1. Ar＋激光器的结构
➢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。如图(5-14)所示为石墨放电管的分段结构 。
图(5-14) 分段石墨结构Ar+激光器示意图
2. Ar＋激光器的激发机理
5.2.3 Ar+离子激光器
2. Ar＋激光器的激发机理 ➢Ar＋激光器与激光辐射有关的能级结构如图(5-15)所示
➢图(5-10 )是与产生激光有关的Ne原子的部分能级图，Ne原子的激 光上能级是3S和2S能级，激光下能级是3P和2P能级。
➢He-Ne激光器是 典型的四能级系 统，其激光谱线 主要有三条 : ➢3S2P 0.6328 ➢2S2P 1.15 ➢3S3P 3.39
图(5-10) 与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图
图5-1 固体激光器的基本结构示意图
5.1.1 固体激光器的基本结构与工作物质
2.红宝石激光器 ➢红宝石是在三氧化二铝(A12O3)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＋)， 如图5-2所示。它属于三能级系统，相应于图5-3的简化能 级模型
图(5-2) 红宝石中铬离子的吸收光谱
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E
F
和E
F
，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
激光器产生激光的三个基本结构
激光器产生激光的三个基本结构一、引言激光器是一种能够产生单色、高亮度、几乎无散射的光束的装置，广泛应用于科学研究、医疗、通信等领域。
激光器的基本结构有三种，分别是气体激光器、固体激光器和半导体激光器。
本文将详细介绍这三种激光器的基本结构及其工作原理。
二、气体激光器1. 气体激光器的基本结构气体激光器由放电管和反射镜组成。
放电管是一个密闭的玻璃管，内部填有稀薄气体（如氦氖气），两端分别安装有高压电极和低压电极。
反射镜则是由两个平面镜或球面镜组成，其中一个反射镜具有一定透过率。
2. 气体激光器的工作原理当高压电极加上高电压时，放电管内的气体被电离，形成等离子体。
等离子体中的自由电子通过碰撞使得氦原子发生受激辐射，产生激光。
激光在反射镜间来回反射，形成一个稳定的激光束。
3. 气体激光器的应用气体激光器广泛应用于科学研究、医疗、通信等领域。
其中，二氧化碳激光器被广泛应用于工业加工领域，如切割、焊接和打孔等。
三、固体激光器1. 固体激光器的基本结构固体激光器由放电管和固态材料组成。
固态材料通常是掺有特定元素（如钕）的晶体或玻璃材料。
放电管则是一个密闭的腔体，内部填有闪烁物质（如氙气），两端分别安装有高压电极和低压电极。
2. 固体激光器的工作原理当高压电极加上高电压时，放电管内的闪烁物质被电离，形成等离子体。
等离子体中的自由电子通过碰撞使得掺杂元素发生受激辐射，产生激光。
激光在固态材料中来回反射，形成一个稳定的激光束。
3. 固体激光器的应用固体激光器广泛应用于科学研究、医疗、通信等领域。
其中，钕掺杂的固态激光器被广泛应用于医疗领域，如眼科手术和皮肤美容等。
四、半导体激光器1. 半导体激光器的基本结构半导体激光器由PN结和反射镜组成。
PN结是由P型半导体和N型半导体组合而成的结构，反射镜则是由两个端面反射镜组成。
2. 半导体激光器的工作原理当PN结加上正向电压时，电子从N型区域流向P型区域，与空穴复合产生辐射能量，产生激光。
激光器的结构原理及应用
激光器的结构原理及应用1. 激光器的结构激光器是一种将能量转换为激光光束的装置，由多个部件构成，包括：1.激光介质：通常由固体、气体或液体构成。
激光介质的选择取决于应用需求和波长要求。
2.光泵源：激光器需要外部能量源将其激活，常用的光泵源包括电子束、闪光灯、半导体激光二极管等。
3.光腔：光腔是激光器中的一个空腔，通过在光腔中反射和放大光子来产生激光。
有三种常见的光腔结构：Fabry-Perot腔、光纤腔和共振腔。
4.反射镜：放置在光腔的两端，用于产生光的反射和放大。
2. 激光器的工作原理激光器的工作原理可以分为三个步骤：激活、放大和辐射。
•激活：通过光泵源提供能量，激发激光介质中的粒子。
激光介质可以是固体、气体或液体，当粒子被激活时，它们会跃迁到一个高能级。
•放大：在光腔中，激活的粒子与光子相互作用，产生光的反射和放大。
这个过程在反射镜之间的来回反射中不断进行，光的强度逐渐增强。
•辐射：当光的强度达到一定程度时，激光会从反射镜中射出，形成一束高度聚焦的激光光束。
3. 激光器的应用激光器具有许多广泛的应用领域，包括但不限于以下几个方面：3.1 切割和焊接激光器可以通过将激光光束聚焦在物体表面，将其加热到高温并切割或焊接材料。
这种技术被广泛应用于金属切割、电子器件的焊接以及医疗手术中的组织切割。
3.2 医疗和美容激光器在医疗和美容领域有着广泛的应用，如激光治疗、激光除毛、激光去纹身等。
激光器的高度聚焦和可控性能够精确地处理皮肤问题，并缩短了康复时间。
3.3 通信激光器被广泛应用于光纤通信。
激光光束可以在光纤中传输大量的信息，并且具有低损耗和高带宽的优势。
激光器在光纤通信中起到了关键的作用。
3.4 材料加工激光器可以用于材料的刻蚀、打孔、表面改性等加工过程。
激光器的高度聚焦和较高的功率密度可以实现对微小细节的精确处理，广泛应用于电子元件的制造、印刷和纺织等行业。
3.5 科学研究激光器在科学研究中有着重要的应用，比如光谱分析、原子与分子物理、等离子体物理等领域。
激光器的构造及工作原理
激光器的构造及工作原理
激光器是由激光源和光学系统组成的一种光谱仪。
激光源一般指能够发出连续或短脉冲的单调径向的高能量、高浓度的光束的设备，其光束具有空间和时间上的共轭性。
表面积小、能量大、具有很强的抗形变性能、良好的传输特性，它们都是光子学应用领域的主要设备之一
激光器的构造主要由三部分组成，即激光激发源、激光放大器和激光器输出腔。
激光激发源由发射活性物质构成，发射活性物质可以获得电子能量。
在有电子能量激发状态的发射活性物质状态下，光子压力迫使电子从高能状态向低能状态跃迁，从而释放出与其他系统无法比拟的能量。
激光放大器把由激发源发出的微弱光子增强到与激发源达到较高的能量。
激光器的输出腔是把激发源和放大器的光束收集并聚集起来，表现出空间均匀分布形成一束光束，从而输出激光能量的部分。
激光器是把粒子的运动转化为激光的一种有序的机制。
根据力学反演原理，根据反激光的原理，激发活性物质中的电子被激发到了高能状态，使得它们的电子位置出现了不同的状态，激发活性物质为一种固体，形成了发射团的几种状态，电子在这几种状态间来回跃迁，在其中产生激发发射，最后形成一束激光。
激光器及其原理简介
♦ Ne原子可以产生多条激光谱线, 图中标明了最强的三条:
0．6328μｍ 1．15 μm 3．39 μｍ
它们都是从亚稳态到非亚稳态、 非基态 之间发生的，因此较易实现粒子数反转。
§4 增益系数
激光器内受激辐射光 来回传播时，并存着
增益 损耗
增益——光的放大；
损耗——光的吸收、散射、衍射、透射 （包括一端的部分反射镜处必要 的激光输出）等。
§6 激光的特性及其应用
★方向性极好的强光束 --------准直、测距、切削、武器等。
★相干性极好的光束 --------精密测厚、测角，全息摄影等。
例１．激光光纤通讯
由于光波的频率 比电波的频率高 好几个数量级，
一根极细的光纤 能承载的信息量， 相当于图片中这 麽粗的电缆所能 承载的信息量。
若 E2 > E 1，则两能级上的原子数目之比
N2
− E2 − E1
= e kT
<1
N1
数量级估计：
T ～103 K；
kT～1.38×10-20 J ～ 0.086 eV;
E 2-E 1～1eV;
N2
− E2 − E1
= e kT
−1
= e 0.086
≈ 10−5
<< 1
N1
但要产生激光必须使原子激发;且 N2 > N1, 称粒子数反转(population粒子数反转 一. 为何要粒子数反转 (population inversion)
从E2 E1 自发辐射的光，可能引起 受激辐射过程，也可能引起吸收过程。
⎜⎛ ⎝
dN 21 dt
⎟⎞ ⎠受激
=
B21ρ (ν
,T
)N 2
《激光原理》PPT课件
2024/1/28
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前沿动态及发展趋势预测
超快激光技术
实现飞秒、皮秒级超短脉冲输出，用 于精密加工、生物医学等领域。
高功率激光技术
发展高能量、高效率的激光器，应用 于国防、能源等领域。
2024/1/28
激光显示技术
利用激光作为光源的显示技术，具有 色域广、亮度高等优点，是未来显示 技术的重要发展方向。
概述光纤激光器的工作原理、 优势及在通信、传感等领域的 应用前景。
其他典型固体激光器
简要介绍其他类型的固体激光 器，如半导体激光器、拉曼激
光器等。
10
03
气体激光器原理与技术
2024/1/28
11
气体放电过程及发光机制
01
02
03
气体放电基本概念
电子与气体原子或分子碰 撞，引发电离和激发过程 ，产生带电粒子和光子。
液体染料激光器技术特点பைடு நூலகம்
具有宽调谐范围、高转换效率、短脉冲输出等优点。同时 ，液体染料激光器也存在染料稳定性差、需要定期更换等 缺点。
液体染料激光器应用领域
广泛应用于光谱学、生物医学、光化学等领域。例如，可 用于荧光光谱分析、激光医疗、光动力疗法等。
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半导体材料发光机制及器件结构
2024/1/28
利用半导体材料的特性实现受激辐射，具有 体积小、效率高、寿命长等优点，广泛应用 于通信、显示等领域。
2024/1/28
6
02
固体激光器原理与技术
2024/1/28
7
固体激光材料及其发光机制
2024/1/28
固体激光材料种类与特性
01
包括晶体、玻璃、陶瓷等，具有不同的发光特性和应用场景。
激光器的基本结构_激光器的基本构造特点【完整解析】
激光器的基本结构_激光器的基本构造特点内容来源网络，由“深圳机械展（11万㎡，1100多家展商，超10万观众）”收集整理！更多cnc加工中心、车铣磨钻床、线切割、数控刀具工具、工业机器人、非标自动化、数字化无人工厂、精密测量、数控系统、3D打印、激光切割、钣金冲压折弯、精密零件加工等展示，就在深圳机械展.激光器一般包括以下部分。
1、激光工作介质激光的产生必须选择合适的工作介质，可以是常体、液体、固体或半导体。
在这种介质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必要条件。
显然亚稳态能级的存在，对实现粒子数反转世非常有利的。
现有工作介质近千种，可产生的激光波长包括从真空紫外道远红外，非常广泛。
作为激光器的核心，是由激活粒子（都为金属）和基质两部分组成，激活粒子的能级结构决定了激光的光谱特性和荧光寿命等激光特性，基质主要决定了工作物质的理化性质。
根据激活粒子的能级结构形式，可分为三能级系统（例如红宝石激光器）与四能级系统（例如Er：YAG激光器）。
工作物质的形状目前常用的主要有四种：圆柱形（目前使用最多）、平板形、圆盘形及管状。
2、激励源为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使处于上能级的粒子数增加。
一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子，称为电激励；也可用脉冲光源来照射工作介质，称为光激励；还有热激励、化学激励等。
各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运。
为了不断得到激光输出，必须不断地“泵浦”以维持处于上能级的粒子数比下能级多。
泵浦源能够提供能量使工作物质中上下能级间的粒子数翻转，目前主要采用光泵浦。
泵浦光源需要满足两个基本条件：有很高的发光效率和辐射光的光谱特性应与工作物质的吸收光谱相匹配。
常用的泵浦源主要有惰性气体放电灯、太阳能及二极管激光器。
其中惰性气体放电灯是当前最常用的，太阳能泵浦常用在小功率器件，尤其在航天工作中的小激光器可用太阳能最为永久能源，二极管(LD)泵浦是目前固体激光器的发展方向，它集合众多优点于一身，已成为当前发展最快的激光器之一。
激光器的基本结构
激光器的基本结构1、激光工作介质激光的产生必须选择合适的工作介质，可以是常体、液体、固体或半导体。
在这种介质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必要条件。
显然亚稳态能级的存在，对实现粒子数反转世非常有利的。
现有工作介质近千种，可产生的激光波长包括从真空紫外道远红外，非常广泛。
作为激光器的核心，是由激活粒子（都为金属）和基质两部分组成，激活粒子的能级结构决定了激光的光谱特性和荧光寿命等激光特性，基质主要决定了工作物质的理化性质。
根据激活粒子的能级结构形式，可分为三能级系统（例如红宝石激光器）与四能级系统（例如Er：YAG激光器）。
工作物质的形状目前常用的主要有四种：圆柱形（目前使用最多）、平板形、圆盘形及管状。
2、激励源为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使处于上能级的粒子数增加。
一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子，称为电激励；也可用脉冲光源来照射工作介质，称为光激励；还有热激励、化学激励等。
各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运。
为了不断得到激光输出，必须不断地“泵浦”以维持处于上能级的粒子数比下能级多。
泵浦源能够提供能量使工作物质中上下能级间的粒子数翻转，目前主要采用光泵浦。
泵浦光源需要满足两个基本条件：有很高的发光效率和辐射光的光谱特性应与工作物质的吸收光谱相匹配。
常用的泵浦源主要有惰性气体放电灯、太阳能及二极管激光器。
其中惰性气体放电灯是当前最常用的，太阳能泵浦常用在小功率器件，尤其在航天工作中的小激光器可用太阳能最为永久能源，二极管(LD)泵浦是目前固体激光器的发展方向，它集合众多优点于一身，已成为当前发展最快的激光器之一。
LD泵浦的方式可以分为两类，横向：同轴入射的端面泵浦；纵向:垂直入射的侧面泵浦。
LD泵浦的固体激光器有很多优点，寿命长、频率稳定性好、热光畸变小等等，当然最突出的优点是泵浦效率高，因为它泵浦光波长与激光介质吸收谱严格匹配。
半导体激光器工作原理及基本结构
半导体激光器工作原理及基本结构一、工作原理1.荷豆模型在半导体材料中，价带中的电子和导带中的空穴之间存在禁带。
当在半导体材料中施加电压时，使得导带的电子与价带的空穴之间发生复合，释放出能量。
这些能量释放的过程称为辐射复合，可以产生光子。
2.PN结PN结由P型材料和N型材料构成。
当外加正向偏压时，电子从N区向P区移动，空穴从P区向N区移动。
当电子与空穴发生复合时，会释放能量并产生光子。
这个过程叫做受激辐射。
3. 双异质结狭缝结Laser腔双异质结狭缝结Laser腔是半导体激光器中的关键部分。
它由N型半导体、无掺杂半导体和P型半导体构成。
在P区和N区之间有一个高折射率的无掺杂材料，形成光学腔。
当电流通过激光器时，光子在光学腔中来回多次反射，产生受激辐射，形成激光。
二、基本结构1.顶部光输出窗口顶部光输出窗口是半导体激光器的光输出口，通常由透明的材料制成，如薄膜或外延层。
光通过这个窗口从激光器中输出。
2.激光腔激光腔由双异质结狭缝结Laser腔和P-N结构构成。
当电流通过激光器时，光子在激光腔中来回反射，形成激光。
3.P-N结P-N结由P型半导体和N型半导体构成。
当电流通过P-N结时，激活材料中的电子和空穴，使它们受到激发并产生光子。
4.底部反射镜底部反射镜是反射激光的组件。
它通常由金属反射镜或布拉格反射镜构成，用于增强激光的反射。
除了这些基本结构外，半导体激光器通常还包括P-N结电极、N阳极和P阴极等组件，用于正向偏压激活P-N结并控制电流流动。
总结起来，半导体激光器的工作原理是基于半导体材料的光电特性和电子激发，通过PN结和双异质结狭缝结Laser腔的相互作用来产生激光。
其基本结构包括顶部光输出窗口、激光腔、P-N结和底部反射镜。
半导体激光器具有技术成熟、小型化、高效率和易于集成等优点，是现代光子学和信息技术中不可或缺的重要器件。
激光原理与激光器的构造
激光原理与激光器的构造激光，即“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”(通过受激辐射放大的光)的缩写，是一种高度聚焦和具有高能量密度的光束。
激光器作为产生激光的装置，广泛应用于科学研究、工业生产、医疗治疗等领域。
本文将介绍激光的原理及激光器的构造。
一、激光原理激光的产生是基于受激辐射的物理现象。
根据受激辐射原理，当处于激发态的原子或分子受到外界能量的刺激时，其内部的电子跃迁会发生，从而产生一束具有相同频率、相干相位和高度定向性的光束。
首先，激光器的能源将外界的能量输送给工作物质，使得工作物质中的原子或分子跃迁至激发态。
接着，这些激发态的原子或分子会经历非辐射过程，使得部分其它原子或分子也跃迁至激发态。
最后，当受激辐射占据优势并超过自发辐射时，激光得以产生。
二、激光器的构造激光器通常由三个基本组件组成：激励源、工作物质和光学谐振腔。
激励源提供输入能量以激发工作物质，激发过程使得原子或分子在激发态积聚能量。
工作物质是激光器的核心，它负责转换能量并产生激光。
光学谐振腔则用于放大和反射光线。
首先，激励源可以是光电池、放电等设备，其产生的能量用于激发工作物质。
激励源会向工作物质中提供能量，将原子或分子激发至激发态。
激励源的能量输入对于激光器的性能和效率至关重要。
其次，工作物质是激光器的重要组成部分。
它由实验室制备的不同化合物构成，其中包括气体、液体、固体和半导体。
根据不同的需求，可以选择不同的工作物质。
例如，氦氖激光器使用氦氖气体，二氧化碳激光器则使用CO2气体。
最后，光学谐振腔对于提供反射和放大光线非常关键。
光学谐振腔由两个镜片组成，其中一个是部分透明的，另一个是完全反射的。
这种设置使得光线在谐振腔内来回反射，通过多次来回反射，激发出更多的工作物质原子或分子跃迁并产生激光。
除了基本的构造，激光器通常还包括其他附加组件，如冷却系统、功率稳定器和波长选择器等。
激光器的构造及工作原理
激光器的基本结构
激光器一般由三部 分构成，如图4-1-3所示。
1.激光工作物质
在一定条件下，能产生光的受激辐射的物质，称为激 光工作物质。 激光工作物质可以是气体、液体、固体（包括各类半 导体）。现在，激光工作物质已有近千种，可以产生的激 光包括X射线、紫外光、可见光、红外光等，具有很宽广 的波长范围。
多的次数后，就可以在腔内建立起稳定的相干光振荡。
激光器的工作原理
激光工作物质中自发辐射的光，引起工作物质的受激 辐射。在天然情况下，这种受激辐射的光不能被放大。但 是，当激光工作物质处于特定的装置（谐振腔）中时，受
激辐射光可以被反射回来诱导产生新的受激辐射，光在上
述谐振腔内来回反射、振荡，在激励源不断提供必要能量 的条件下，受激辐射的光就可被不断放大，并从部分反射 镜一端输出，形成具有一系列特殊性质的激光。
2.光的受激辐射 当处于高能态E2上的粒子，受到能量等于 E=hv=|E2-E1| 的外来入射光子照射时，由于这种光的刺激而发 射一个与入射光子一模一样的光子，粒子自身跃 迁到低能态E1上去，在这一过程中，发射的光子 与入射的光子，在频率、相位、偏振状态以及发 射方向等方面都完全相同，这个过程称为光的受 激辐射（stimulatedemission），如图4-1-2所示。
2.激励源
给激光工作物质提供能量的装置，叫激励源，包 括用气体放电的办法激发工作物质的电激励；用脉冲 光源来照射工作物质的光激励；还有热激励、化学激 励等。
3.谐振腔
使受激辐射的光得以放大的装置，叫谐振腔。在激光 器的两端面对面地装上两块反射率很高的镜，使得在一定 方向上的受激辐射的光在两块镜间多次往返，当往返足够
练习与评价
1.什么是自发辐射？什么是受激辐射？ 2.激光器由哪三个基本部分组成？ 3.简述激光器的工作原理。
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粒子数反转 (population inversion) 从E2→E1自发辐射的光，可能引起受激辐射过程，也可能 引起吸收过程。
dN21 dt
受激
B21
,T
N2
W21 N 2
dN12 dt
吸收
B12
,T
N1
W12 N1
产生激光必须 dN21 dN12 dt 受激 dt 吸收
694.3 nm
基态
(2)氦氖激光器
全反射镜
内腔式 部分反射镜
阳极
毛细管
阴极
E4
激发态 无辐射跃迁
泵 E3
亚稳态
浦 E2
E!
基态
氦氖原子能级
布儒斯特窗
布儒斯特窗
球面反 阳极 射镜
外腔式
阴极 球面半 反射镜
受激辐射过程
外来光子满足频率条件:
(E2 E1) / h
趋近高能级E2上的粒子时
发射一个全同光子 (频率相同、
传播方向相同、 偏振方向相同）
感应跃迁至低能级E1
光放大
受激吸收过程（stimulated absorption ）
E2 N2
h
E1 N1
上述外来光也有可能被吸收，使原子从E1E2。 单位体积中单位时间内因吸收外来光而从E1E2 的原子数：
至低能级;
E2
E2 E1
h
E1
②吸收跃迁: 粒子吸收一光子ε=hv=E2－E1 而由低能级跃迁
至高能级.
E2
E1
3.无辐射跃迁: 既不发射又不吸收光子的跃迁(通过与其它粒子 或气体容器壁的碰撞、或其它能量交换过程)
4.激发态的平均寿命 τ : 粒子在激发态停留时间的平均值τ的
典型 值: 10-7～10-9秒
光 的 光 增 益
光
三能级系统 当
的 泵浦光足够强时，有
光 增 益
可能使 N2 N1,在能 级E2 于E1 间实现粒子
数反转。
E
E
E3
E3
E2
E1
0 N3
N2
N1 N
E2
E1 0 N3
亚稳态能级
N1N2
N
光
的 红宝石激光器的工作物质：红宝石
光 —— 是掺有少量铬离子（Cr3+)的
增 益
（Al2O3)晶体。
激光原理
按量子力学原理，原子只能稳定地存在于一系列能 量不连续的定态中，这些定态称为原子的“能级”；原 子能量的任何变化（吸收或辐射）都只能在某两个定态 之间进行。我们把原子的这种能量的变化过程称之为跃 迁。
E3 E2
E1
n
能级: 粒子的内部能量值 高能级: 能量较高的能级 低能级: 能量较低的能级
激
光 激光器的组成
器
谐振腔
工作物质 激励系统
一对反射镜为端面的腔体称为谐振腔。
工作原理：
激光工作物质
全
半
反
反
射
射
镜
镜
out 光放大原理
谐振腔作用：正反馈和选择方向
光 光学谐振腔的作用
学 谐
一对反射镜为端面的腔体称为谐振腔。
振
腔 激光在两反射镜间形成驻波。谐振条件为：
2nL = q = qc 2nL
E2 E1
0
N2
亚稳态能级
N N3
Nd：YAG激光器是四能级系统
光 的
氦氖气体激光器是四能级系统
光
增
益
共
21s
振 转
23s 移
3s 2s
3p
2p
氖原子
在3s 2 p 间
实现粒子数反转分布
电
子 碰
1s
撞
激
发
自发辐射
管壁效应 电子碰撞激发
He
Ne
产生激光的能级系统 （1） 三能系统 （2）四能级系统
自发辐射过程(spontaneous radiation)
E2 N2
h
E1 N1
设 N1 、N2 — 单位体积中处于E1 、E2 能级的原子数。 单位体积中单位时间内， 从E2 E1自发辐射 的原子数：
dN21 dt
自发
N2
写成等式
dN21 dt 自发
A21N 2
Ａ21 自发辐射系数，单个原子在单位时间内发生自发辐
dN21 dt
受激
(、T
)N2
写成等式
dN21 dt
受激
B21 (、T
)N2
B21受激辐射系数
令
W21 = B21·（、T）
则
dN 21 dt
受激
W21
N2
W21 单个原子在单位时间内发生受激辐射过程的概率。
受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、相位及传播方 向均相同------有光的放大作用。
采用光激励方法：
受激和发光都在Cr3+
上进行，是典型的三
能级系统。
光 的
四能级系统 比三能级系统容易实
光 现粒子数反转分布。
增
益
光
四能级系统 当
的 泵浦光足够强时，有
光 增
可能使 N3 N1,在能
益 级E3 于E2 间实现粒子
数反转。
E
E
E4 E3
E4 E3
E2 E1
0 N4 N3 N2
N N1
因 B21=B12
W21=W12
必须 N2 >N1 这种状态称为 粒子数反转或者集居数反转。
其中 N N2 N1 称为反转粒子数。
通常情况下： N1 N2
B21 · (21) ·N1 B12 · (21) ·N2
受激吸收总是占优势 表现为光的吸收
为得到光放大,必须使 受激辐射占优势
N2
(19.77eV) 10-6 S
热平衡时，单位体积内处于各个能级上的原子数分布
玻尔兹曼分布律:
( E2 E1 )
N e 2
kT
N2
高 能 级
N1
E
低
E2
N1
能
级
E1
N2
N1
N
光与物质相互作用的三种过程
爱因斯坦为了解释黑体辐射的规律，从量子论观点 出发提出辐射与原子相互作用应该包括三种过程： 自发辐射 受激辐射 受激吸收
5.亚稳态:若某一激, 则该态的平均寿命会很长(≥10-3秒), 称亚稳能级,相应的态 为亚稳态。
一般，能级寿命 10-8 10-9 S
如H原子 2p态 0.1610-8 S 3p态 0.5410-8S
亚稳态：如He原子的两个亚稳态能级 (20.55eV) 10-4 S
ｌ. 激励能源（使原子激发，形成粒子数反转） ２. 粒子数反转（有合适的亚稳态能级） ３.光学谐振腔（方向性，光放大，单色性）
激光器的结构
激光器基本上由三部分份组成： 激励能源，工作物质，谐振腔
(1)红宝石激光器
氙闪光灯
E3
激发态 无辐射跃迁
泵
E2亚稳态
浦
红宝石棒 触发电极
550.0 nm
激光束 E! 聚光反射器
dN12 dt
吸收
,T
N1
写成等式
dN 12 dt
吸收
B12
,T
N1
B12 吸收系数
令 W12=Ｂ12 ( 、T)
dN 12 dt
吸收
W12
N1
W12 单个原子在单位时间内发生 吸收过程的概率。
A21 、B21 、B12 称为爱因斯坦系数。 结合普朗克黑体辐射公式，爱因斯坦从理论上推出
射过程的概率。
各原子自发辐射的光是独立的、 无关的 非相 干光 。
受激辐射 (stimulated radiation)
E2 N2
h
E1 N1
全同光子
设 （、Ｔ）—温度为Ｔ时, 频率为 = (E2 - E1) / h附近，
单位频率间隔的外来光的能量密度。
则单位体积中单位时间内，从E２ E１ 受激辐射的原子数：
粒子数分布反转 N2 N1
N1 视频
实现了粒子数反转的物质对光具有增益作用
怎样才能实现粒子数反转呢？
粒子数反转状态
1）提供足够的外界激励能量； 2）原子在激发态多“呆”一会；
E2 E1
光
的 1) 实现粒子数反转分布的条件
光
增
光激励
益 电激励
(A) 激励(又称泵浦)
化学激励
热激励
(B) 合适的能级结构（合适亚稳态的存在）
E3 E2
h E2 E1
E1
三能级系统 红宝石激光器
E4
E3
h E3 E2
E2
E1
四能级系统
钕玻璃激光器
产 生 激光形成的基本条件或激光器的基本结构
激
光 激光形成的基本条件
的 条
(1) 要有适当的激光工作物质
件 (2) 要有外界激励源
(3) 要有激光谐振腔
谐振腔的作用： （1）维持光振荡，起到光放大作用。－正反馈 （2）使激光产生极好的方向性。（空间） （3）使激光的单色性好。（频率）
基能级: 能量最低的能级
(相应的状态称基态）
激发能级: 能量高于基能 级的其它所有能级(相应 状态称激发态)
6
5 4 激发态 3
2
基态 1
辐射跃迁和非辐射跃迁
1.跃迁: 粒子由一个能级过渡到另一能级的过程
2.辐射跃迁: 粒子发射或吸收光子的跃迁(满足跃迁选择定则)
①发射跃迁: 粒子发射一光子ε = hv=E2－E1而由高能级跃迁
f2B21 = f1 B12
A21
8 h