激光原理及应用

要实际获得相干受激辐射，必须使受激辐射在光学谐振腔内得到多次反 馈而形成激光振荡。激光器的谐振腔是由半导体的自然解理面作为反射镜形 成的，用半导体解理面构成共振腔，能获得的反射率一般只有30％左右，为 适应某些应用的要求，腔镜达到高反射率，可以在有源层两侧各交替迭加许 多层折射率不同的半导体材料。
为了形成稳定振荡，激光媒质必须能提供足够大的增益，以弥补谐振腔 引起的光损耗及从腔面的激光输出等引起的损耗，不断增加腔内的光场。这 就必须要有足够强的电流注入，即有足够的粒子数反转，粒子数反转程度越 高，得到的增益就越大，即要求必须满足一定的电流阈值条件。当激光器达 到阈值时，具有特定波长的光就能在腔内谐振并被放大，最后形成激光而连 33 续地输出。
红宝石激光器
氦氖激光器
氩离子激光器
染料激光器
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半导体激光器又称为半导体激光二 极管，或简称激光二极管，英文缩写为 LD (Laser Diode)，是实用中最重要
的一类激光器 。
优点：体积小、效率高、寿命长，可采用简单的电流注入方式来泵浦；其工作
电压和电流与集成电路兼容，因而有可能与之单片集成；并且还可用高 达GHZ的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出，可实行 温度调谐和电流调谐。
③二次微分法：在P－I曲线中，将光功率对电流求二阶导数，二阶导
峰所对应的电流值为Ith，这种作法的测量精度较高 （如图c所示）。
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波长调谐特性
LD 激光器与其它传统激光器相比，LD的输出光功率和频 率受温度和注入电流的影响显著。因此LD的波长调谐可采用 温度调谐和注入电流调谐。
在半导体中，温度和禁带宽度之间存在着依赖关系
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半导体激光器的发射波长既与增益系数有依赖关系，又受折射率变化的影响
1 g 2
Δβ为传输常数的变化量
n k n
2p
Δn为折射率的变化量 Δg为增益系数的变化量 α为线宽增加因子

半导体激光器的注入电流的变化导致的载流子浓度的变化不但会引起 材料折射率的改变，而且也会改变增益系数。因此半导体激光器的波长会 随着注入电流的改变而改变。典型的电流调谐曲线与温度调谐曲线很相似， 也是以阶梯形式变化的。
直流电源
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三个基本条件
建立起激射媒质(有源区)内载流子的反转分布。在半导体中代表电子能 量的是由一系列接近于连续的能级所组成的能带，因此在半导体中要实现粒 子数反转，必须使处在高能态导带底的电子数比处在低能态价带顶的空穴数 大很多，这靠给同质结或异质结加正向偏压，向有源层内注入必要的载流子 来实现，将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带中去。当处于粒子 数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。
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光盘存储器原理—激光刻蚀与读出
16
偏振光显微镜
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激光全息防伪人民币（建国50周年纪念币）
18
激光控制核聚变
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天文台（激光导航星）
来自纳层 的反射光 （高度约 100km) 最大高度 约35km
来自空气 分子的 Rayleigh光
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激光测距与激光雷达
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激光切割
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长度测量
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11
中国第一台激光器（1961）
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激光技术发展简史之二
各种激光器的开发:
工作物质：固体，气体，染料，化学，离子，原 子，半导体，X射线 输出功率：大功率，低功率
工作方式：短脉冲，脉冲，超短脉冲，连续 输出稳定性：稳频率，稳功率，稳方向
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我国激光器研究情况
激光器的第一台 红宝石激光器（我国第一台) He-Ne激光器 掺钕玻璃激光器 GaAs同质结半导体激光器 CO2分子激光器 研制成功时间 1961年11月 1963年7月 1963年6月 1963年12月 1965年9月 研 制 人 邓锡铭、 王之江 邓锡铭等 干福熹 王守武 王润文等
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：实现粒子数反转
激励源：使原子被激发
谐振腔：光放大作用
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三、激光的特性

方向性好：激光器发出的激光发射角很小，接近于一毫弧度，只有一
般探照灯发射角的一百万分之一。即使将其发射到几千米以外，光束的直径也不 过增加几厘米。因此输出的能量集中在很小的范围里。

单色性好：激光具有很好的单色性，是普通光源完全达不到的。在激光
激光原理及应用
1
普通光源
普通光源是光的自发辐射。
特点：多波长、任意方向、 不相干。
普通光源向四面八方辐射, 光线分散到4p球面度的立体 角内.
2
激光
激光：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation （Laser）。 激光是光的受激辐射。
Tolman
7
激光技术发展简史之一
实验基础：
Prokhorov和 H.Townes分别 独立报导了第一 个微波受激辐射 放大器(Maser) （1953）
Prokhorov
Townes
8
激光技术发展简史之一
1958年Townes和 Schawlow抛弃了尺度必 须和波长可比拟的封闭 式谐振腔的老思路，提 出利用尺度远大于波长 的开放式光谐振腔实现 Laser的新想。 Schawlow
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五、半导体激光器的应用
信息存储 与处理
军事 应用
半导体激光器的应用
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半导体激光器的基本特性
激光工作物质：直接带隙半导体材料------砷化稼(GaAs)、
砷化铟(InAs)、铝稼砷(A1xGaAs)、铟磷砷 (InPxAs)等等
谐振腔：半导体介质的自然解理面
构成平行平面腔
泵浦源：通常采用电压很低的
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激光技术发展简史之三
激光应用技术
信息技术方面的应用：光通讯，光存储，光放大，光计算， 光隔离器 检测技术方面的应用：测长，测距，测速，测角，测三维 形状 激光加工：焊接，打孔，切割，热处理，快速成型 医学应用：外科手术，激光幅照（皮肤科、妇产科），眼 科手术，激光血照仪，视光学测量 科学研究方面的应用：激光核聚变，重力场测量，激光光 谱，激光对生物组织的作用，激光制冷，激光诱导化学过 程等等
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率仅为1毫瓦的氦氖激光器的亮度要比太阳光强100倍；而一台巨型脉冲固体激光 器的亮度可比太阳亮度高100亿倍。
四、激光器的分类
固体激光器：把金属离子掺入晶体或玻璃基质中
气体激光器：原子气体、分子气体和离子气体 按工作物质分类 液体激光器：有机染料溶液和无机化合物溶液
半导体激光器：半导体材料
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输出特性
当注入电流I<Ith时，激光器的增益小于谐振腔的损耗，无法形成激 光振荡，激光器输出荧光。当注入电流I>Ith时，输出光功率随注入电流的 增加而迅速增大，产生激光振荡。Ith被称为阈值电流，其大小由激光器的 结构决定并与激光器的温度有关——随着温度的降低，Ith减小。当注入电 流一定时，输出功率随温度降低而增大。
P
Ith P－I曲线
I
输出功率与注入电流的关系
阈值电流与激光器温度的关系
34
a
b
c
利用激光器的P－I曲线找到Ith的作法有三种：
① 直线拟合法：输出光功率延长线与电流轴的交点作为激光器的Ith （如图a所示），是一种比较常规的作法；
②两段直线拟合法：将P－I曲线中两条直线延长线交点所对应的电流 作为激光器的阈值电流Ith（如图b所示）；
生物和医学应用
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激光技术涉及的学科
物理（光学） 精密加工（光学谐振腔的制作） 光学加工（光学镀膜、光学装调） 电子技术（激光电源、控制电路） 应用技术基础（数学方法、误差理论）
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二、激光器的三要素
Laser
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 表示“受激辐射的光放大” 1964年10月，物理学家钱学森建议称之为-----激光 工作物质
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激光技术发展简史之一
美国休斯公司实验室一位从事 红宝石荧光研究的年轻人梅曼 在1960.5.16利用红宝石棒首 次观察到激光；
梅曼在7月7日正式演示了世 界第一台红宝石固态激光器；
他在Nature(8月16日)发表了 一个简短的通知。
Maiman
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激光技术发展简史之一
Maiman的第一台激光器
理论基础： 爱因斯坦的光子学说 (1905)； 波粒二象性(1909) 辐射理论(1917)：提出 了受激辐射的概念，预 测到光可以产生受激辐 射放大。
Einstein
6
激光技术发展简史之一
理论基础： R.C.Tolman指出： 具有粒子数反转的介 质具有光学增益（产 生激光的基本条件之 一）（1924）。
激光的特点：单色性好,方 向性好；相干性好；亮度高.
基本沿某一条直线传播,通 常发散角限制在10-6球面度 量级的立体角内.
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激光
辐射跃迁： 受激吸收； 自发辐射； 受激辐射
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激光
粒子数反转
激光原理就是要研究光 的受激辐射是如何在激 光器内产生并占主导地 位而抑制自发辐射！
5
激光技术发展简史之一
出现之前，以同位素86Kr灯的单色性最好，谱线宽度为10-4nm的量级，而最普通 的氦氖激光器所输出的红色激光(632.8纳米)的谱线宽度达到10-8nm的数量级。 现代技术的应用可以使谱线宽度缩到更小的范围。

相干性好：就氦氖激光而言，其相干长度可达400km。 能量密度大：激光的亮度是普通光源的上百万倍。与太阳光比，一支功
AT 2 Eg (T ) Eg (0) T B
Eg(0)为绝对零度时的禁带宽度 A和B为经验参量
禁带宽度的变化又引起波长的变化：
c Eg (T )
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禁带宽度随温度升高变窄，半导体激光器的波长发生红移。典型 的温度调谐曲线如图所示，随着温度的升高，半导体激光器的发射波 长以阶梯形式跳跃变化，跳跃是由增益曲线移动引起的纵模之间的跳 变引起的。