常用氣體激光器講解演示文稿

常用氣體激光器講解演示文稿本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第1頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分常用氣體激光器講解本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第2頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分1.CO2氣體是工作物質(zhì)，輔助氣體有N2、He、Xe和H2等；2.N2在氣體中起能量轉(zhuǎn)移作用。N2分子受電子碰撞的概率很大，放電中使大量N2處于亞穩(wěn)態(tài)。通過(guò)近共振碰撞把內(nèi)能轉(zhuǎn)移給CO2分子，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反分布；3.He對(duì)CO2分子有冷卻作用，也可加速下能級(jí)粒子數(shù)抽空；4.Xe的電離電位低，激光器內(nèi)的氣體易電離，使CO2分子能量轉(zhuǎn)換效率提高10％～15％。同時(shí)在維持放電電流相同的情況下，加入Xe后可使放電電壓下降20％～30％。

5.H2或(H2O蒸汽)可促使低能粒子抽空，H2O蒸汽有利于CO2分子的還原，可延長(zhǎng)壽命。

2、工作物質(zhì)本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第3頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分

N2分子受到電子碰撞后被激發(fā)并和CO2分子發(fā)生碰撞，N2分子把獲得的能量傳遞給CO2分子，使大量的CO2分子被激發(fā)到001能級(jí)時(shí)，能級(jí)001和能級(jí)100之間形成粒子數(shù)的反分布。

3、CO2分子激發(fā)機(jī)理本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第4頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分

He原子質(zhì)量小，運(yùn)動(dòng)速度快，頻繁地碰撞CO2分子，高效地抽運(yùn)010能級(jí)上的CO2分子，大大提高了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度。

100能級(jí)和020能級(jí)的分子迅速躍遷到亞穩(wěn)態(tài)010能級(jí)上。因此必須把躍遷到010能級(jí)上的CO2分子立即抽空，否則不利于粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)。

本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第5頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分二、基本結(jié)構(gòu)

縱向電激勵(lì)水冷內(nèi)腔式封離型

CO2激光器的典型結(jié)構(gòu)

所謂封離型是指工作氣體被密封在放電管內(nèi)(由放電管、水冷管和儲(chǔ)氣管三層結(jié)構(gòu)組成)。它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊。但它的單位放電長(zhǎng)度可輸出的功率比其他結(jié)構(gòu)的（如流動(dòng)型和氣動(dòng)型）CO2激光器要低。本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第6頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第7頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分折疊式CO2激光器（水冷套未畫(huà)出）橫向循環(huán)流動(dòng)CO2激光器縱向流動(dòng)CO2激光器本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第8頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分三、輸出特性1、能量轉(zhuǎn)換效率高：20～25%(氦氖激光器的能量轉(zhuǎn)換效率僅為千分之幾)；

2、常用的CO2激光器輸出波長(zhǎng)為10.6，屬于中紅外區(qū)，對(duì)人眼損害?。?/p>

3、連續(xù)輸出功率可達(dá)萬(wàn)瓦級(jí)，常用電激勵(lì)；4、溫度效應(yīng)轉(zhuǎn)換效率最高也不會(huì)超過(guò)40％，這就是說(shuō)有60％以上的能量轉(zhuǎn)換為氣體的熱能，氣體溫度的升高，將引起CO2分子的分解，降低放電管內(nèi)的CO2分子濃度。使激光器的輸出功率下降，因此，冷卻問(wèn)題是CO2激光器正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要技術(shù)問(wèn)題。本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第9頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分

原子或分子因某種原因失去電子或獲得電子的過(guò)程稱(chēng)為電離。若原子失去電子，稱(chēng)為正離子，反之則稱(chēng)為負(fù)離子。利用離子的能級(jí)躍遷所獲得的激光器件稱(chēng)為離子激光器。氖、氬、氪、氙、鎘蒸氣、硒蒸氣等均能作離子激光器的工作物質(zhì)。它們的激光輸出功率比原子氣體激光器要高，達(dá)幾十瓦，可連續(xù)或脈沖輸出。氬離子激光器本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第10頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分一、工作原理激發(fā)過(guò)程一般分兩步：氣體放電后，放電管中的高速電子與中性氬離子碰撞，從氬離子中打出一個(gè)電子，使之電離，形成處在基態(tài)上的氬離子；該基態(tài)Ar+再與高速電子碰撞，被激發(fā)到高能態(tài)，當(dāng)激光上下能級(jí)間產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)時(shí)，即可產(chǎn)生氬離子激光。因此，氬離子激光器的激活粒子是Ar+。本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第11頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分采取兩次電子碰撞將氬原子激發(fā)到3p44P態(tài)要比直接碰撞、一次將氬原子激發(fā)到3p44P態(tài)的電子能量要小，后者只能在低氣壓放電中才有如此大的能量（35.5eV）。由于3p44P和3p44S能級(jí)上有許多不同的電子態(tài)，所以氬離子激光輸出由豐富的譜線(xiàn)。最強(qiáng)的譜線(xiàn)波長(zhǎng)是488.0nm、514.5nm。

本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第12頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分二、基本結(jié)構(gòu)

氬離子激光器包括：放電管、電極、回氣管、諧振腔、軸向磁場(chǎng)等。本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第13頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分氬離子激光器分段石墨放電管本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第14頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分國(guó)產(chǎn)的氬離子激光管

本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第15頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分三、輸出特點(diǎn)

1、是一種惰性氣體離子激光器，在離子激光器中輸出效率最高；

2、其輸出波長(zhǎng)較多，主要有514.5nm和488.0nm兩個(gè)藍(lán)綠色的譜線(xiàn)，是可見(jiàn)光區(qū)域中最強(qiáng)的激光器。

；3、一般連續(xù)輸出幾瓦到十幾瓦，甚至上百瓦。4、輸出波長(zhǎng)易被血紅蛋白吸收，所以氬離子激光器對(duì)生物止血效果最好。在臨床上主要用于外科手術(shù)，用它作“光刀”，尤其是上、下消化道出血時(shí)，氬離子激光器可以利用光纖導(dǎo)人內(nèi)鏡進(jìn)行止血等非手術(shù)治療。目前它廣泛用于眼科凝固、皮膚科、內(nèi)科等綜合治療領(lǐng)域。本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第16頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分

表氬離子激光的可見(jiàn)光光譜線(xiàn)激光躍遷能級(jí)波長(zhǎng)(nm)或率（W）4P2S01/2——4S2P1/2

457.90.354P2D03/2——4S2P3/2

472.70.304P2P03/2——4S2P1/2

476.50.754P2D05/2——4S2P3/2

488.01.504P2D03/2——4S2P1/2

496.50.704P4D05/2——4S2P3/2

514.52.004P4D03/2——4S2P3/2

528.70.34

本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第17頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分準(zhǔn)分子激光器一、工作物質(zhì)

“準(zhǔn)分子”：不是穩(wěn)定分子。它是混合氣體受到外來(lái)能量激發(fā)所引起的一系列物理和化學(xué)的反應(yīng)中曾經(jīng)形成但轉(zhuǎn)瞬即逝的分子，其壽命僅為幾十毫秒。

這類(lèi)激光器的工作物質(zhì)是受激的氣體原子(如Ar、Kr、Xe，用Rg表示)和鹵元素(例如F、Cl，用X表示)結(jié)合而成的準(zhǔn)分子，如氟化氬(ArF)、氯化氪(KrCl)、氟化氙(XeF)等;

本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第18頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分二、工作原理

通常情況下，基態(tài)的稀有氣體原子化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，因此呈兩種氣體混合狀態(tài)（Rg+X）

。但當(dāng)它們受到激發(fā)時(shí)，如電子束的轟擊或高壓激勵(lì)等，稀有氣體原子就可能從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，甚至被電離，這時(shí)很容易和另一個(gè)原子形成一個(gè)壽命極短的分子（RgX）

，這種處于激發(fā)態(tài)的分子稱(chēng)受激二聚物，簡(jiǎn)稱(chēng)準(zhǔn)分子。

RgX基態(tài)分子壽命極短，為10-13s量級(jí)，它沿著自己的勢(shì)能曲線(xiàn)想核間距增大的方向移動(dòng)，直至最終離解成獨(dú)立的原子Rg+X。激發(fā)態(tài)RgX*能級(jí)壽命為10-8s量級(jí)，比基態(tài)穩(wěn)定，因此很容易形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第19頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分三、基本結(jié)構(gòu)準(zhǔn)分子激光器的結(jié)構(gòu)

本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第20頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分1．功率特性：準(zhǔn)分子基態(tài)的電子迅速排空造成激光下能級(jí)總是空的，這樣有利于離子數(shù)反轉(zhuǎn)的形成，即使在超短脈沖下運(yùn)轉(zhuǎn)，從而可以獲得較高的輸出功率（10瓦量級(jí)）。2.輸出波長(zhǎng):

從真空紫外到可見(jiàn)光區(qū)域。3．脈沖特性：

由于基態(tài)壽命短，即使是超短脈沖情況下，基態(tài)也可被認(rèn)為是空的，因此準(zhǔn)分子激光對(duì)產(chǎn)生巨脈沖特別有利。

4.能夠精確聚焦和控制，其切削精度非常高，每個(gè)光脈沖切削深度為0.2微米，能夠在人的頭發(fā)絲上刻出各種花樣來(lái)。

本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第21頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分近視眼由于眼球的前后徑太長(zhǎng)，眼角膜前表面太凸，外界光線(xiàn)不能準(zhǔn)確會(huì)聚在眼底所致。準(zhǔn)分子激光矯正近視是用電腦精確控制的準(zhǔn)分子激光，根據(jù)近視度數(shù)和有無(wú)散光在瞳孔區(qū)的角膜基質(zhì)層進(jìn)行刻蝕，使眼角膜前表面稍稍變平。從而使外界光線(xiàn)能夠準(zhǔn)確地在眼底視網(wǎng)膜上會(huì)聚成像，達(dá)到矯正近視的目的。準(zhǔn)分子激光治療近視眼的原理

本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第22頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分

什么是LASIK手術(shù)?

LASIK手術(shù)即準(zhǔn)分子激光原位角膜磨鑲術(shù)（LaserinSituKeratomileusis）：醫(yī)生用角膜刀掀開(kāi)一個(gè)角膜瓣，在瓣下角膜基質(zhì)層上用準(zhǔn)分子激光根據(jù)近視、遠(yuǎn)視、散光度數(shù)進(jìn)行精確切削。患者術(shù)前檢查的數(shù)據(jù)卡輸入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)控制切削的范圍和深度，削出一個(gè)光滑的曲面，相當(dāng)于在角膜上切削出一個(gè)眼鏡片，使視力變得清晰。它采用自動(dòng)微型角膜板層節(jié)削僅進(jìn)行手術(shù)，在角膜表面切削一直徑8毫米，厚0.16毫米的帶蒂板層角膜瓣，翻轉(zhuǎn)角膜瓣后，應(yīng)用準(zhǔn)分子激光電腦控制多步分區(qū)角膜基質(zhì)內(nèi)切削，最后將角膜瓣復(fù)位。本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第23頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分制做角膜瓣

準(zhǔn)分子激光切削

角膜瓣復(fù)位

本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第24頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分

LASIK手術(shù)示意圖

角膜微切器切割角膜

角膜瓣形成并翻轉(zhuǎn)

本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第25頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分角膜中間基質(zhì)切削區(qū)準(zhǔn)備

準(zhǔn)分子激光切削角膜基質(zhì)

本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第26頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分角膜瓣復(fù)位

準(zhǔn)分子激光角膜原位磨鑲術(shù)完成

本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第27頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分智慧型大小光斑技術(shù):

根據(jù)不同的個(gè)人數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整光斑大?。汗獍咧睆娇稍?.65-6.5mm范圍內(nèi)變化?？墒箯?fù)雜的角膜切削變得極為輕松。三維主動(dòng)眼球跟蹤技術(shù):除對(duì)眼球在XY軸運(yùn)動(dòng)進(jìn)行追蹤外，還可以追蹤眼球在Z軸的立體位移，可隨眼球運(yùn)動(dòng)自動(dòng)將激光調(diào)整到切削點(diǎn)，極大的加強(qiáng)了手術(shù)的安全性和精確性。本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第28頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分高精度200Hz飛點(diǎn)掃描、193nm氟化氬（ArF)準(zhǔn)分子激光和最優(yōu)光傳輸系統(tǒng)的完美結(jié)合形成光斑直徑0.8mm優(yōu)化高斯光束本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第29頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分染料激光器

固體或其它激光所輸出的波長(zhǎng)已幾乎覆蓋了真空紫外至紅外波段，還出現(xiàn)了X射線(xiàn)波激光器。但是，一般激光器輸出的波長(zhǎng)都是固定單一的，至多也只是有幾個(gè)波長(zhǎng)，這在應(yīng)用上有一定的局限性。為此人們研究了可調(diào)諧激光。染料激光器是液體激光器的一種，以染料為工作物質(zhì)，如若丹明6G等，溶劑有乙醇、苯類(lèi)、水及其他物質(zhì)。染料的能量轉(zhuǎn)換效率很高，可達(dá)數(shù)百毫瓦。染料激光器的最大特點(diǎn)是其輸出波長(zhǎng)在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，所以稱(chēng)為可調(diào)諧激光器。醫(yī)學(xué)上常用的可調(diào)諧染料激光器有：N2激光泵浦可調(diào)諧染料激光器和Nd：YAG激光泵浦可調(diào)諧染料激光器等。本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第30頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分工作原理染料分子能級(jí)圖

S0是基態(tài)，S1、S2是激發(fā)態(tài)。S0、S1、S2本身是由許多密集的振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)組成的。在原子光譜里，不同電子態(tài)之間的躍遷產(chǎn)生一條銳的譜線(xiàn)；在分子光譜里，不同電子態(tài)（例如S1與S0）之間的躍遷將產(chǎn)生由一簇密集的譜線(xiàn)組成的譜帶。染料分子的這種能級(jí)結(jié)構(gòu)是染料激光器的輸出波長(zhǎng)在一定范圍內(nèi)可調(diào)的根本原因。一、染料分子能級(jí)本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第31頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分染料分子能級(jí)圖

吸收了外來(lái)光子后，分子就從基態(tài)能級(jí)躍遷到S1態(tài)的較高的振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)能上（圖中A→b）。由于頻繁的熱交換，大多數(shù)被激發(fā)的分子無(wú)輻射地衰變到S1態(tài)的最低的振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)上（圖中b→B）。這樣，在B與基態(tài)S0的較高的振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)（圖中a）之間就實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。當(dāng)反轉(zhuǎn)達(dá)到閾值時(shí)，就可以產(chǎn)生激光?？梢?jiàn)染料激光形成過(guò)程，經(jīng)歷了兩次無(wú)輻射躍遷。二、染料分子的光輻射過(guò)程本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第32頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分三、染料分子的三重態(tài)“陷阱”能級(jí)圖中的T1和T2是三重態(tài)。由于三重態(tài)T1較單態(tài)S1低，所以處在S1中的分子很容易無(wú)輻射地躍遷到T1上，又因?yàn)門(mén)1與S0之間不產(chǎn)生輻射躍遷，而且T1的壽命較長(zhǎng)，約為10-4～10-3s，所以T1態(tài)對(duì)于激發(fā)分子來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于一個(gè)“陷阱”。當(dāng)T1態(tài)上積累了足夠的分子后，T1→T2的吸收將很快使激光器的增益下降，以致激光淬滅。通常采用的方法是在染料中加入三重態(tài)淬滅劑，縮短Tl的壽命。本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第33頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第34頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分直管閃光燈泵浦的染料激光器示意圖

一般由激光工作物質(zhì)、激勵(lì)光源、聚光系統(tǒng)和諧振腔及波長(zhǎng)選擇裝置組成

本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第35頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第36頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第37頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第38頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分

輸出特性1．輸出激光波長(zhǎng)可調(diào)諧某些染料激光波長(zhǎng)的可調(diào)寬度達(dá)上百納米，所以稱(chēng)為可調(diào)諧激光器。2．由于染料分子能級(jí)的準(zhǔn)連續(xù)寬帶結(jié)構(gòu)，其熒光譜范圍也是準(zhǔn)連續(xù)寬帶，這既使得染料激光器在大范圍內(nèi)可調(diào)諧，目前由染料激光器產(chǎn)生的超短脈沖寬度可壓縮至飛秒（10-15秒）量。3．染料激光器的輸出功率大，達(dá)數(shù)百毫瓦，可與固體激光器比擬，并且價(jià)格便宜。4．染料分子是一種四能級(jí)級(jí)系統(tǒng)，由于S0的較高振動(dòng)能級(jí)在室溫時(shí)粒子數(shù)幾乎為0，所以很容易實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，使得染料分子激光器的閾值很低。本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第39頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分一、光柵調(diào)諧圖示為一種光柵—反射鏡調(diào)諧腔。光束與諧振腔軸成一個(gè)小角度θ（θ≈3°）。諧振腔由反射光柵G與一個(gè)鍍有介質(zhì)膜的反射鏡M組成。光柵G具有擴(kuò)束和色散作用，轉(zhuǎn)動(dòng)光柵就可以改變輸出激光的頻率。腔內(nèi)插入一個(gè)法布里—珀羅標(biāo)準(zhǔn)具，擺動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)具可以進(jìn)一步選擇輸出激光的頻率。不插入標(biāo)準(zhǔn)具時(shí)，輸出激光的線(xiàn)寬為0.05nm，插入標(biāo)準(zhǔn)具后，可獲得線(xiàn)寬約為0.001nm的單模激光。輸出特性本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第40頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分二、棱鏡調(diào)諧圖示為一種折疊式縱向泵浦染料激光器原理圖，腔內(nèi)放置的棱鏡是一種色散元件。由于棱鏡的色散作用，一束來(lái)自M3、M2的不同波長(zhǎng)的光，將有不同的折射方向。當(dāng)旋轉(zhuǎn)平面反射鏡M1使其與某一波長(zhǎng)的光垂直時(shí)，該波長(zhǎng)光便能返回諧振腔，形成振蕩。因此，旋轉(zhuǎn)M1便可實(shí)現(xiàn)調(diào)諧作用。本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第41頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分TunableLasers

DyeLasers很多有機(jī)染料可以被用作激光介質(zhì)。其中最常見(jiàn)的是若丹明6G（Rhodamine6G），溶于甲醇或者乙二醇。躍遷上下能級(jí)由于和溶劑的相互作用而分裂為連續(xù)的能帶。分子被激發(fā)到上能帶后迅速無(wú)輻射弛豫到上能帶的最低能級(jí)，并由此向基態(tài)各能級(jí)躍遷，產(chǎn)生熒光輻射。輻射熒光曲線(xiàn)不隨激發(fā)光源的改變而改變。本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第42頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分如果將充有染料溶液的小室放置于激光腔內(nèi)，并提供足夠的泵浦能量，則可以放出激光。如果使用寬帶激光反射鏡，受激輻射在熒光發(fā)射曲線(xiàn)頂點(diǎn)的周?chē)鷰资畟€(gè)?附近發(fā)生?？梢园逊瓷溏R用光柵代替。激發(fā)輻射帶寬降低到0.5?。通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)光柵，可以讓激光在整個(gè)熒光發(fā)射帶范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。泵浦可以用閃光燈來(lái)實(shí)現(xiàn)，得到的激光脈寬1ms，峰值功率大概幾kW，重復(fù)頻率1Hz。也可以用固定波長(zhǎng)激光器，例如氮分子激光器，準(zhǔn)分子激光器，銅蒸氣激光器或倍頻后的Nd:YAG激光器。本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第43頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分幾種典型裝置本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第44頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分通過(guò)使用各種染料，脈沖染料激光器工作范圍可以從320到1000nm。對(duì)準(zhǔn)分子激光泵浦的染料激光器，能量轉(zhuǎn)換效率可以到10~20%。而對(duì)于倍頻后的Nd:YAG激光器，則可以達(dá)到40%。本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第45頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分染料激光器脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)較容易，而連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)比較困難。主要問(wèn)題是三重態(tài)布居數(shù)的增加造成的吸收損耗會(huì)使激光無(wú)法起振。脈沖泵浦時(shí)，可以在三重態(tài)集聚足夠的粒子數(shù)之前產(chǎn)生激光。要想達(dá)到連續(xù)泵浦，則必須去掉三重態(tài)分子。可以在溶液中加入某種三重態(tài)猝滅劑，可以有效地使三重態(tài)分子無(wú)輻射躍遷到基態(tài)。連續(xù)的染料激光器往往使用氬離子或者氪離子激光器泵浦。目前可以覆蓋的光譜范圍為375~950nm。使用染料射流來(lái)讓染料高速通過(guò)激活區(qū)。本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第46頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分TunableSolid-StateLasers某些固體激光器的增益曲線(xiàn)范圍較寬，因此可以在某個(gè)范圍內(nèi)調(diào)諧。例如釹玻璃激光器可以在1.0~1.1mm范圍調(diào)諧。鈦寶石（Ti:Al2O3）激光器可調(diào)諧范圍為660到1100nm。不使用激光泵浦的可調(diào)諧固體激光器引起人們廣泛的興趣。倍頻以及受激拉曼散射等可以用來(lái)進(jìn)一步擴(kuò)展調(diào)諧波長(zhǎng)。本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第47頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分TunableCO2Lasers二氧化碳激光器是最有效地氣體激光器，功率轉(zhuǎn)換率達(dá)到20%。工作波長(zhǎng)位于10mm附近，很多工作用的是固定波長(zhǎng)的二氧化碳激光器。本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第48頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分因?yàn)榕c加入的N2分子的碰撞，(001)模式充分布居。由放電使得氮分子布居于第一振動(dòng)能級(jí)。由此形成與低能級(jí)(100),(020)之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。激光發(fā)射可能在子轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間發(fā)生，并形成位于10.2~10.8mm和9.2~9.7mm的幾個(gè)光譜帶。其中最強(qiáng)的譜線(xiàn)為10.59mm。可以使用光柵來(lái)選擇其一為輸出波長(zhǎng)。如果使用同位素分子13CO2，則可以增加可選的波長(zhǎng)。二氧化碳激光器也可以工作于高氣壓（1個(gè)大氣壓到10個(gè)大氣壓）。在較高氣壓下，譜線(xiàn)加寬，不同的振轉(zhuǎn)譜線(xiàn)溶和在一起，從而可以在該波段范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)諧激光。工業(yè)上使用的二氧化碳激光器輸出功率最高可以達(dá)到幾十千瓦的量級(jí)。本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第49頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分光纖激光器光纖激光器是以摻雜光纖本身為工作物質(zhì)，而該光纖本身又起到導(dǎo)波作用的固體激光器。由工作物質(zhì)、諧振腔、泵浦源三個(gè)基本部分組成。優(yōu)點(diǎn)：散熱性能好、轉(zhuǎn)換效率高、激光閾值低；諧振腔可以是直接鍍?cè)诙嗣娴那荤R、或光纖耦合器、光纖圈等?？色@得寬帶的可調(diào)諧激光輸出，并調(diào)節(jié)激光輸出。光纖激光器的某些波長(zhǎng)適用于光纖通信的低損耗窗口。本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第50頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分§1摻雜光纖§2光纖激光器的諧振腔§3摻稀土元素的光纖激光器§4超熒光光纖激光器(SFS)本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第51頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分§1摻雜光纖一、摻雜元素?fù)较⊥猎亍|系[Xe6S2]，外層都為為5S25P66S2鑭系元素電子結(jié)構(gòu)的差別只在4f殼層的電子占有數(shù)。1、摻雜濃度最佳在100ppm量級(jí)。太低：摻雜離子的總有效數(shù)小于入射光子數(shù)，激發(fā)態(tài)可能被耗盡。太高：稀土離子之間出現(xiàn)非輻射的濃度抑制，躍遷產(chǎn)生激光的能級(jí)上有效粒子數(shù)減少；導(dǎo)致玻璃基質(zhì)產(chǎn)生結(jié)晶效應(yīng)，不利于產(chǎn)生激光。本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第52頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分2、摻雜光纖的基質(zhì)（1）石英玻璃石英玻璃對(duì)稀土元素離子的光譜能級(jí)的影響：產(chǎn)生斯塔克分裂，使得能級(jí)加寬，光譜變寬。（2）重金屬氟化物玻璃優(yōu)點(diǎn)：通光窗口寬，在300-8000nm范圍透過(guò)率很高。易于成纖。易于激活，因?yàn)榉锊Ａ窍⊥猎氐睦硐胨拗?。本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第53頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分二、石英光纖中摻稀土元素離子的光譜特性1、Er3+、Nd3+的電子能級(jí)4I13/24I15/2Er3+Nd3+能級(jí)分裂本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第54頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分4F5/24F3/24F5/2本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第55頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分2、摻稀土光纖的光譜特性摻釹光纖：使用800nm、900nm、530nm波長(zhǎng)的泵浦光源，將在900nm、1060nm、1350nm波長(zhǎng)處得到激光。摻鉺光纖：使用800nm、900nm、1480nm、530nm波長(zhǎng)的泵浦光源，將在900nm、1060nm、1536nm波長(zhǎng)處得到激光。

摻鉺光纖存在最佳光纖長(zhǎng)度（約10m）。Er3+Nd3+本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第56頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分3、摻雜光纖的激光特性摻鉺的三能級(jí)系統(tǒng)：基態(tài)E1、亞穩(wěn)態(tài)E2、高能級(jí)E3。從E3——E1

，泵浦幾率為WP，躍遷幾率為WP

。

E3

非輻射——E2

，幾率為S32；E3

自發(fā)輻射和非自發(fā)輻射——E2

、E1

，幾率為A32、A31、

S31。選擇工作物質(zhì)要求：A32、A31和S31

S32

以及S32

WP(3-1)

，

N2

N1。一般選擇A21較小的工作物質(zhì)。A32本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第57頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分一、F——P腔1，結(jié)構(gòu)M1:對(duì)泵浦光高透；對(duì)激光高反M2:對(duì)激光高反（低增益系統(tǒng)95%；高增益系統(tǒng)75%）2，光傳輸特性理論——波動(dòng)光學(xué)。假設(shè)：諧振腔內(nèi)的光纖伸直；為階躍折射率弱波導(dǎo)光纖?！?光纖激光器的諧振腔本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第58頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分光在腔內(nèi)傳輸來(lái)回一次后的光強(qiáng)為：要保證激光在腔內(nèi)振蕩，要求：反射光與入射光發(fā)生干涉，為了在腔內(nèi)形成穩(wěn)定振蕩，要求干涉加強(qiáng)。則腔長(zhǎng)與波長(zhǎng)滿(mǎn)足(駐波條件)：增益系數(shù)平均損耗系數(shù)本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第59頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分縱模和橫?！?/p>

在腔內(nèi)，軸向駐波場(chǎng)為腔的本征模式光場(chǎng)。特點(diǎn)：與軸線(xiàn)垂直的橫截面光場(chǎng)穩(wěn)定均勻分布；軸線(xiàn)方向形成駐波，稱(chēng)為縱模。節(jié)數(shù)為q，為縱模序數(shù)。

與軸線(xiàn)垂直的橫截面內(nèi)光場(chǎng)穩(wěn)定分布，稱(chēng)為橫模，用LPml表示，為線(xiàn)性偏振模。m為方位數(shù)，表示垂直光纖的橫截面內(nèi)沿圓周方向方位角從0到2光場(chǎng)的變化數(shù)（節(jié)線(xiàn)數(shù)）。l為徑向模數(shù)，表示纖芯區(qū)域光場(chǎng)的半徑方向變化數(shù)(節(jié)線(xiàn)數(shù))。

LP01表示基模，它的角向徑向節(jié)線(xiàn)數(shù)沒(méi)有變化，為圓形光斑。本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第60頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分二、基于定向耦合器的諧振腔和反射器1、光纖環(huán)行諧振腔泵浦光由1端進(jìn)入，經(jīng)耦合器進(jìn)入環(huán)行腔。激勵(lì)的激光與泵光無(wú)關(guān)。產(chǎn)生的激光由4端到3端。經(jīng)耦合器分為2束：一束從2端輸出；另一束由4端返回并被諧振放大；如此反復(fù)。其中儲(chǔ)存了能量。摻雜光纖耦合器：4端出射光比1端入射光停滯后/2。本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第61頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分2、光纖圈反射器

普通單模光纖制成的耦合器的重要特性：只要在工作波長(zhǎng)下單模運(yùn)行，在兩個(gè)輸出端與輸入端之間存在固定相位差，交叉耦合的光波比輸入光波滯后相位

/2。光纖圈的功率反射率R、透射率T為：從2端的透射功率總和為0：

1342

的的順時(shí)針光場(chǎng)相位差為0，與從1432的逆時(shí)針光場(chǎng)的相位差為π。兩光場(chǎng)因?yàn)檎穹嗤?、相位相反而抵消，總和?。光從1返回。SMF本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第62頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分3、光纖圈諧振腔光纖圈為非諧振的干涉儀結(jié)構(gòu)。注意分束器的取向。其中沒(méi)有能量?jī)?chǔ)存。透射反射反射透射光波既可以通過(guò)另一端輸出；又可以再?gòu)妮斎攵朔瓷洹１疚臋n共114頁(yè)；當(dāng)前第63頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分4、全光纖激光器兩個(gè)光纖圈反射器串聯(lián)起來(lái)組成的諧振腔，通過(guò)一條摻雜光纖熔錐而成的全光纖激光器。激光器要實(shí)現(xiàn)振蕩，要求光纖圈提供正反饋。由此得到諧振腔的有效腔長(zhǎng)為：L1L2L摻雜光纖本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第64頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分三、可調(diào)諧光纖激光器光纖激光器有較寬的波長(zhǎng)調(diào)節(jié)范圍，比染料激光器的化學(xué)性質(zhì)更穩(wěn)定，不需低溫運(yùn)行，潛在應(yīng)用價(jià)值顯著。1，反射鏡+光柵形式可調(diào)諧輸出諧振腔使用閃耀光柵，若對(duì)激光中心的閃耀級(jí)次為M級(jí)，閃耀角為，光柵常數(shù)為d，則光柵方程為：

只要轉(zhuǎn)動(dòng)衍射光柵，使光束相對(duì)于光柵法線(xiàn)的入射角在附近變化，就能實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)波長(zhǎng)。本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第65頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分可調(diào)諧激光器

采用這種結(jié)構(gòu)，利用氬離子激光器的514nm的光作為泵浦光，分別激勵(lì)摻鉺光纖及摻釹光纖,可調(diào)諧的波長(zhǎng)范圍分別為25nm和80nm。由于分束器與光學(xué)元器件帶來(lái)了腔內(nèi)損耗，導(dǎo)致閾值功率提高。14nm11nm本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第66頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分四、(反射鏡+光纖圈反射器形式)可調(diào)諧輸出激光器光纖圈的功率反射率為：激光反射率大于95%泵浦光反射率為5%通過(guò)改變溫度來(lái)調(diào)節(jié)光纖圈的反射率，使摻雜光纖達(dá)到激光諧振放大。本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第67頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分五、窄帶輸出的光纖激光器

通過(guò)光纖光柵的選模作用：達(dá)到窄帶輸出。B是布拉格波長(zhǎng)，d是光柵周期，ne是有效折射率。激光線(xiàn)寬0.06nm本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第68頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分六、光纖Fox-Smith諧振腔

一般地，1——4段及1——3段的諧振頻率不同。復(fù)合腔的縱模頻率間隔為：選擇適當(dāng)?shù)膌3、l4以致于在整個(gè)熒光線(xiàn)寬內(nèi)只有一個(gè)縱模在振蕩。則可以實(shí)現(xiàn)單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)。本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第69頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分摻稀土元素的光纖激光器以980nm的半導(dǎo)體光源作為泵浦源；摻Er3+光纖中Er3+的受激輻射產(chǎn)生Laser。一、摻Er3+光纖激光器的示例

1、Er3+的三能級(jí)系統(tǒng)能級(jí)分裂本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第70頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分

由合適長(zhǎng)度的摻Er3+光纖、980nm大功率半導(dǎo)體激光器泵浦源和諧振腔構(gòu)成。世界上第一臺(tái)摻Er3+光纖激光器由英國(guó)南安譜敦大學(xué)的L.Reekie教授于1987年實(shí)現(xiàn)。斜率效率=輸出功率/吸收功率%=3.3%輸入鏡輸出鏡吸收功率mW本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第71頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分二、摻Nd3+光纖激光器的示例

由合適長(zhǎng)度的摻Nd3+光纖、800nm大功率半導(dǎo)體激光器泵浦源和諧振腔構(gòu)成。世界上第一臺(tái)摻Nd3+光纖激光器由英國(guó)南安譜敦大學(xué)的R.J.Mears教授于1985年實(shí)現(xiàn)。本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第72頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分GaAs激光二極管的輸出功率mW光纖激光器輸出功率/mW泵浦功率與光纖激光器的輸出功率優(yōu)點(diǎn)：不需要水冷即可工作；不容易飽和。本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第73頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分分類(lèi)：根據(jù)泵浦光與超熒光傳播方向的異同，以及光纖兩端是否存在反射分類(lèi)。§5.4超熒光光纖激光器

(SuperfluorescentFibersource)單程反向雙程前向單程前向雙程反向本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第74頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分原理：由于泵浦光的激勵(lì)，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。如果亞穩(wěn)態(tài)的粒子自發(fā)輻射，產(chǎn)生光子的傳輸在光纖接收角內(nèi)，就能夠在光纖內(nèi)傳輸，誘發(fā)許多亞穩(wěn)態(tài)的粒子受激輻射躍遷，并產(chǎn)生完全相同的光子而放大。如果光纖的增益足夠，就稱(chēng)之為放大的自發(fā)輻射（AmplifiedSpontaneousEmitting,ASE）。特點(diǎn)：與普通光纖激光器相比，沒(méi)有諧振腔。SFS的原理、特點(diǎn)本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第75頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分雙程前向及雙程后向摻鉺光纖激光器本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第76頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分Fig.2輸出功率與摻鉺光纖長(zhǎng)度的關(guān)系超過(guò)最佳長(zhǎng)度將被再吸收Fig.3不同長(zhǎng)度光纖的泵浦功率與波長(zhǎng)的關(guān)系本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第77頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分光纖端鏡的反射率與光譜寬度的關(guān)系

DPF:因?yàn)?535nm處的ASE信號(hào)比1550nm處的ASE信號(hào)增長(zhǎng)快，所以小的反射率也有大的帶寬．DPB:反射率達(dá)到50%時(shí)，1535nm處的ASE信號(hào)飽和，而1550nm處的ASE信號(hào)繼續(xù)增強(qiáng)，所以帶寬增加。本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第78頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第79頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第80頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分

半導(dǎo)體激光器

價(jià)帶：是價(jià)電子能級(jí)分裂出來(lái)的價(jià)電子能帶，當(dāng)晶體處于絕對(duì)零度和無(wú)外界激發(fā)時(shí)，價(jià)電子完全被共價(jià)健束縛住，是不導(dǎo)電的。導(dǎo)帶：導(dǎo)帶是自由電子能帶，在沒(méi)有自由電子的情況下，這個(gè)能級(jí)是空著的。當(dāng)有自由電子時(shí)，它們?cè)谕怆妶?chǎng)作用下就能參與導(dǎo)電。禁帶（帶隙）：在價(jià)帶和導(dǎo)帶之間存在一段空隙，稱(chēng)為禁帶或帶隙。本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第81頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分（1）半導(dǎo)體的禁帶很窄，滿(mǎn)帶中的電子較易進(jìn)入導(dǎo)帶。導(dǎo)帶中的電子在外場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)而參與導(dǎo)電。（3）金屬導(dǎo)體沒(méi)有禁帶，可顯示很強(qiáng)的導(dǎo)電性。（2）絕緣體的禁帶很寬，滿(mǎn)帶中的電子很難進(jìn)入導(dǎo)帶，導(dǎo)電性很差。外場(chǎng)

滿(mǎn)帶導(dǎo)帶滿(mǎn)帶導(dǎo)帶滿(mǎn)帶導(dǎo)帶（1）半導(dǎo)體禁帶禁帶外場(chǎng)（2）絕緣體（3）金屬本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第82頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分半導(dǎo)體中的能帶本征半導(dǎo)體：

完全純凈、結(jié)構(gòu)完整沒(méi)有雜質(zhì)的半導(dǎo)體。摻雜半導(dǎo)體：在本征半導(dǎo)體中摻入微量雜質(zhì)可使半導(dǎo)體性質(zhì)發(fā)生顯著變化，稱(chēng)為摻雜半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體：若摻入的雜質(zhì)提供電子給導(dǎo)帶，稱(chēng)為N型雜質(zhì)或施主雜質(zhì)，如摻入錫和碲。摻入N型雜質(zhì)的材料稱(chēng)為N型半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體：若摻入的雜質(zhì)提供空穴給價(jià)帶，稱(chēng)為受主雜質(zhì)或P型雜質(zhì)，如摻入鍺。摻入P型雜質(zhì)的材料稱(chēng)為P型半導(dǎo)體。本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第83頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分（1）本征半導(dǎo)體純凈的半導(dǎo)體，如硅、鍺等。半導(dǎo)體禁帶寬度窄、在外場(chǎng)的作用下,導(dǎo)帶中的電子、滿(mǎn)帶中的空穴都可參與導(dǎo)電。（本征導(dǎo)電性。見(jiàn)下圖）外場(chǎng)滿(mǎn)帶導(dǎo)帶半導(dǎo)體的分類(lèi)本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第84頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分（2）雜質(zhì)半導(dǎo)體當(dāng)四價(jià)的元素中摻入少量五價(jià)元素時(shí)形成n

型半導(dǎo)體。如：硅中摻入雜質(zhì)磷后，磷原子在硅中形成局部能級(jí)位于導(dǎo)帶底附近（稱(chēng)為施主能級(jí)）。一般溫度下，雜質(zhì)的價(jià)電子很容易被激發(fā)躍遷至導(dǎo)帶，成為導(dǎo)電電子，使導(dǎo)帶中的電子濃度大大增加。n型半導(dǎo)體以電子導(dǎo)電為主。*n

型半導(dǎo)體外場(chǎng)滿(mǎn)帶導(dǎo)帶施主能級(jí)n

型半導(dǎo)體本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第85頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分*P型半導(dǎo)體四價(jià)的元素中摻入少量三價(jià)元素時(shí)形成P型半導(dǎo)體，如：在硅中摻入三價(jià)的雜質(zhì)硼，雜質(zhì)原子的局部能級(jí)位于價(jià)帶頂附近（稱(chēng)為受主能級(jí)）。一般溫度下，滿(mǎn)帶中的電子很容易被激發(fā)躍遷至雜質(zhì)能級(jí)上，滿(mǎn)帶中留下的空穴也將因此而大大增加，而成為多數(shù)載流子。P型半導(dǎo)體以空穴導(dǎo)電為主。外場(chǎng)滿(mǎn)帶導(dǎo)帶受主能級(jí)P型半導(dǎo)體附：幾個(gè)3、4、5價(jià)的元素本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第86頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分P-N結(jié)：正向連接時(shí)，P中的空穴和N中的電子都易于通過(guò)P-N結(jié)，形成P

N的正向宏觀電流。（2）作用：

PN結(jié)具有單向?qū)щ娮饔?是制造整流器和集成電路的基本結(jié)構(gòu)。結(jié)果：交界處出現(xiàn)正、負(fù)電偶層，阻擋繼續(xù)擴(kuò)散達(dá)到平衡，形成P-N結(jié)。P型材料中的空穴將向N型材料擴(kuò)散；N型材料中的電子將向P型材料擴(kuò)散。正向連接反向連接反向連接時(shí)，P中的空穴和N中的電子都難以通過(guò)P-N結(jié)。故P-N結(jié)具有單向?qū)щ姷男阅?。?）形成：P與N密切接觸本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第87頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分PN結(jié)的能帶圖(EF)PP型區(qū)N型區(qū)(EF)N(EF)P(EF)NqVD=(EF)N-(EF)P本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第88頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分PN結(jié)的特性

PN結(jié)的特性：當(dāng)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合后，在它們之間就出現(xiàn)了電子和空穴的濃度差別，電子和空穴都要從濃度高的地方向濃度底的地方擴(kuò)散，擴(kuò)散的結(jié)果破壞了原來(lái)P區(qū)和N區(qū)的電中性，P區(qū)失去空穴留下帶負(fù)電的雜質(zhì)離子，N區(qū)失去電子留下帶正電的雜質(zhì)離子，由于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的原因，它們不能任意移動(dòng)，形成一個(gè)很薄的空間電荷區(qū)，稱(chēng)為PN結(jié)。其電場(chǎng)的方向由N指向P，稱(chēng)為內(nèi)電場(chǎng)。該電場(chǎng)的方向與多數(shù)載流子（P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子）擴(kuò)散的方向相反，因而它對(duì)多數(shù)載流子的擴(kuò)散有阻擋作用，稱(chēng)為勢(shì)壘。本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第89頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分半導(dǎo)體器件的發(fā)光機(jī)理

如果在PN結(jié)上加正向電壓，外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)的方向相反，擴(kuò)散與漂移運(yùn)動(dòng)的平衡被破壞。外電場(chǎng)驅(qū)使P區(qū)的空穴進(jìn)入空間電荷區(qū)抵消一部分負(fù)空間電荷，同時(shí)N區(qū)的自由電子進(jìn)入空間電荷區(qū)抵消一部分正空間電荷，于是空間電荷區(qū)變窄，內(nèi)電場(chǎng)被削弱，多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，形成較大的擴(kuò)散電流（由P區(qū)流向N區(qū)的正向電流）。在一定范圍內(nèi)，外電場(chǎng)愈強(qiáng)，正向電流愈大，這時(shí)PN結(jié)呈現(xiàn)的電阻很低，即PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。

本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第90頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分半導(dǎo)體器件的發(fā)光機(jī)理

當(dāng)外加電場(chǎng)正端接P區(qū)負(fù)端接N區(qū)與內(nèi)電場(chǎng)方向相反時(shí)，電子被迫從N區(qū)向P區(qū)方向集結(jié)，當(dāng)足夠數(shù)量的電子能級(jí)上升到導(dǎo)帶能級(jí)，它們的電子能級(jí)就超過(guò)了勢(shì)壘能級(jí)，電子流過(guò)P-N結(jié)進(jìn)入P區(qū)。

此時(shí)價(jià)帶中有許多空穴存在而導(dǎo)帶中有許多電子存在，這種狀態(tài)稱(chēng)為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。來(lái)自導(dǎo)帶的電子失去它的一些能量并下降到價(jià)帶時(shí)，它們和空穴復(fù)合并產(chǎn)生出光子。這種過(guò)程稱(chēng)為復(fù)合。

在理想情況下，能量完全以光子的形式釋放出來(lái)。如果這一過(guò)程自發(fā)地發(fā)生，則所發(fā)生出的光子能量近似地等于帶隙的能量Eg，所產(chǎn)生的光子在許多隨機(jī)的方向上進(jìn)行。另一方面，若在復(fù)合區(qū)有足夠密度的光子存在，則自發(fā)發(fā)射(或復(fù)合)及受激復(fù)合兩者都會(huì)發(fā)生，所產(chǎn)生的受激光子的行進(jìn)方向和原始光子相同。為了使發(fā)光半導(dǎo)體(LED)和二極管激光器(LD)能分別正常工作，自發(fā)發(fā)射和受激發(fā)射都是必要的。本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第91頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分半導(dǎo)體器件的發(fā)光機(jī)理直接復(fù)合中一個(gè)光子產(chǎn)生一個(gè)電子和一個(gè)空穴，它們碰撞后又放出一個(gè)光子；間接復(fù)合中載流子被trapT捕捉到，在trapsite中發(fā)生復(fù)合，并放出熱。本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第92頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分半導(dǎo)體激光器（LD）世界上第一只半導(dǎo)體激光器是1962年問(wèn)世的，經(jīng)過(guò)幾十年來(lái)的研究，半導(dǎo)體激光器得到了驚人的發(fā)展，它的波長(zhǎng)從紅外、紅光到藍(lán)綠光，被蓋范圍逐漸擴(kuò)大，各項(xiàng)性能參數(shù)也有了很大的提高；其制作技術(shù)經(jīng)歷了由擴(kuò)散法到液相外延法(LPE)，氣相外延法(VPE)，分子束外延法(MBE)，MOCVD方法(金屬有機(jī)化合物汽相淀積)，化學(xué)束外延(CBE)以及它們的各種結(jié)合型等多種工藝；其激射閉值電流由幾百mA降到幾十mA，直到亞mA，其壽命由幾百到幾萬(wàn)小時(shí)，乃至百萬(wàn)小時(shí)；輸出功率由幾毫瓦提高到千瓦級(jí)(陣列器件)。它具有效率高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能將電能直接轉(zhuǎn)換為激光能、功率轉(zhuǎn)換效率高(已達(dá)10%以上、最大可達(dá)50%)。便于直接調(diào)制、省電等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。目前，固定波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器的使用數(shù)量居所有激光器之首，某些重要的應(yīng)用領(lǐng)域過(guò)去常用的其他激光器，已逐漸為半導(dǎo)體激光器所取代.本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第93頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分半導(dǎo)體激光器（LD）半導(dǎo)體激光器的激勵(lì)方式主要有三種，即電注人式、光泵式和高能電子束激勵(lì)式。絕大多數(shù)半導(dǎo)體激光器的激勵(lì)方式是電注人，即給PN結(jié)加正向電壓，以使在結(jié)平面區(qū)域產(chǎn)生受激發(fā)射，也就是說(shuō)是個(gè)正向偏置的二極管，因此半導(dǎo)體激光器又稱(chēng)為半導(dǎo)體激光二極管。對(duì)半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，由于電子是在各能帶之間進(jìn)行躍遷，而不是在分立的能級(jí)之間躍遷，所以躍遷能量不是個(gè)確定值，這使得半導(dǎo)體激光器的輸出波長(zhǎng)展布在一個(gè)很寬的范圍上.它們所發(fā)出的波長(zhǎng)在0.3-34pm之間.其波長(zhǎng)范圍決定于所用材料的能帶間隙，最常見(jiàn)的是AlGaA:雙異質(zhì)結(jié)激光器，其輸出波長(zhǎng)為750-890nm。本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第94頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分5.4.2PN結(jié)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)1.P-N結(jié)的雙簡(jiǎn)并能帶結(jié)構(gòu)

把P型和N型半導(dǎo)體制作在一起，是否可能在結(jié)區(qū)產(chǎn)生兩個(gè)費(fèi)米能級(jí)呢？

未加電場(chǎng)時(shí)，P區(qū)和N區(qū)的費(fèi)米能級(jí)必然達(dá)到同一水平，如圖(5-26)。

圖(5-26)PN能帶在P-N結(jié)上加以正向電壓V時(shí)，形成結(jié)區(qū)的兩個(gè)費(fèi)米能級(jí)和，稱(chēng)為準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)，如圖(5-27)。

圖(5-27)正向電壓V時(shí)形成的雙簡(jiǎn)并能帶結(jié)構(gòu)本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第95頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分2.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

5.4.2PN結(jié)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生受激輻射的條件是在結(jié)區(qū)的導(dǎo)帶底部和價(jià)帶頂部形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。

激光器在連續(xù)發(fā)光的動(dòng)平衡狀態(tài)，導(dǎo)帶底電子的占據(jù)幾率為價(jià)帶頂空穴的占據(jù)幾率可以用P區(qū)的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)來(lái)計(jì)算

價(jià)帶頂電子占據(jù)幾率則為

在結(jié)區(qū)導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂實(shí)現(xiàn)粒子（電子）數(shù)反轉(zhuǎn)的條件是本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第96頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的半導(dǎo)體激光器由一個(gè)薄有源層（厚度約0.1μm）、P型和N型限制層構(gòu)成，如圖示。有源層夾在P型和N型限制層中間，由此產(chǎn)生的PN異質(zhì)結(jié)通過(guò)歐姆接觸正向偏置，電流在覆蓋整個(gè)激光器芯片的較大面積注入。這樣的激光器面積大，稱(chēng)為大面積激光器。由于在平行于結(jié)平面的側(cè)向無(wú)光限制結(jié)構(gòu)，沿激光器的整個(gè)寬度上都存在光輻射，損耗太大，閾值電流較高，這是大面積激光器的主要特點(diǎn)。為解決側(cè)向輻射和光限制問(wèn)題，實(shí)際的激光器采用了增益導(dǎo)引型和折射率導(dǎo)引型結(jié)構(gòu)。P型N型電流金屬接觸有源層解理面本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第97頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分1.半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理圖(5-28)GaAs激光器的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的工作原理和閾值條件圖(5-28)示出了GaAs激光器的結(jié)構(gòu)。

2.半導(dǎo)體激光器工作的閾值條件激光器產(chǎn)生激光的前提條件除了粒子數(shù)發(fā)生反轉(zhuǎn)還需要滿(mǎn)足閾值條件

增益系數(shù)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的關(guān)系也取決于諧振腔內(nèi)的工作物質(zhì)本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第98頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分光學(xué)諧振腔與激光器的閾值條件

激光器穩(wěn)定工作的必要條件:(1)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生增益(2)提供光的反饋:其中最簡(jiǎn)單的是法布里——珀羅腔

激光二極管的諧振腔注入電流有源區(qū)解理面解理面L增益介質(zhì)R1R2z=0z=L本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第99頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)

§2.2.2半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)

最簡(jiǎn)單的半導(dǎo)體激光器由一個(gè)薄有源層（厚度約0.1μm）、P型和N型限制層構(gòu)成，如圖2.2.2-1所示。圖2.2.2-1大面積半導(dǎo)體激光器解理面金屬接觸電流有源層P型N型300μm100μm200μm本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第100頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器1.同質(zhì)結(jié)砷化鎵(GaAs)激光器的特性

圖(5-29)GaAs激光器的伏安特性伏安特性:與二極管相同，也具有單向?qū)щ娦?，如圖(5－29)所示。

閾值電流密度:影響閾值的因素很多方向性:圖(5-30)給出了半導(dǎo)體激光束的空間分布示意圖。圖(5-30)激光束的空間分布示意圖本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第101頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器1.同質(zhì)結(jié)砷化鎵(GaAs)激光器的特性

光譜特性:圖(5-31)是GaAs激光器的發(fā)射光譜。其中圖(a)是低于閾值時(shí)的熒光光譜，譜寬一般為幾百埃，圖(b)是注入電流達(dá)到或大于閾值時(shí)的激光光譜，譜寬達(dá)幾十埃。圖(5-31)GaAs激光器的發(fā)射光譜本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第102頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器1.同質(zhì)結(jié)砷化鎵(GaAs)激光器的特性

外微分量子效率:

功率效率:功率效率定義為激光器的輸出功率與輸入電功率之比

2.異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器單異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器:單異質(zhì)結(jié)器件結(jié)構(gòu)如圖(5-32)(b)所示雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器:雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)如圖(5－32)(c)所示。圖(5-32)同質(zhì)結(jié)、異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)示意圖本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第103頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分半導(dǎo)體激光器的的主要特性

半導(dǎo)體激光器是半導(dǎo)體二極管，它具有半導(dǎo)體二極管的一般特性，還具有激光器所具有的光頻特性。1、伏安特性

半導(dǎo)體激光的伏安特性與一般半導(dǎo)體二極管相同，具有單向?qū)щ娦?。其伏安特性曲線(xiàn)如圖所示。由于工作時(shí)加正向偏壓，所以其結(jié)電阻很小。其正向電阻值主要由材料的體積電阻和引線(xiàn)的接觸電阻來(lái)決定。這些電阻雖然很小，但由于工作電流很大，其作用不能忽略。

正向電壓/V正向電流（mA）1232004008000本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第104頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分半導(dǎo)體激光器的的主要特性2.量子效率與閾值電流

在復(fù)合區(qū)內(nèi)，有兩種復(fù)合。一種叫輻射復(fù)合，一種叫無(wú)輻射復(fù)合。前者發(fā)出光子，后者不發(fā)出光子，而是將多余的能量以熱的形式散失掉。因而注入的電子只有一部分對(duì)發(fā)光是有效的。通常用內(nèi)量子效率ηi表示輻射復(fù)合所占的比例。由于各種損耗的存在，激光器輸出的光子數(shù)會(huì)減少，因而又定義了外量子效率ηex.本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第105頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分半導(dǎo)體激光器的的主要特性3.方向特性普通氣體激光器和固體激光器方向性很好，光束的發(fā)散角只有(球面度)。而半導(dǎo)體激光器的方向性要差得多。半導(dǎo)體激光器的作用區(qū)矩形光學(xué)諧振腔，其長(zhǎng)、寬、高分別為l、w和d。其端面可近似看做面積為A=wd的相干光源。其輻射圖樣近似一個(gè)矩形狹縫的衍射圖形。它的方向性用光束發(fā)散角表示。光束在與P-N結(jié)垂直方向的半功率點(diǎn)的張角叫垂直發(fā)散角，以θd表示，光束在平行P-N結(jié)方向半功率點(diǎn)的張角叫水平發(fā)散角，以θw表示。一般θd為40度，θw為10度。本文檔共114頁(yè)；當(dāng)前第106頁(yè)；編輯于星期六\4點(diǎn)19分半導(dǎo)體激光器的的主要特性