第一章三教學教案

典型激光器激光器的分類按工作波段分類遠紅外、紅外激光器可見光激光器紫外、真空紫外激光器X光激光器按運轉方式分類連續(xù)激光器脈沖激光器超短脈沖激光器按工作物質分類固體激光器氣體激光器染料激光器半導體激光器典型激光器固體激光器氣體激光器液體激光器半導體激光器固體激光器固體激光器基本上都是由工作物質、泵浦系統(tǒng)、諧振腔和冷卻、濾光系統(tǒng)構成的。下圖是長脈沖固體激光器的基本結構示意圖(冷卻、濾光系統(tǒng)未畫出)。固體激光器固體工作物質通常加工成圓棒狀(也有盤片狀的),棒側面磨毛。對棒兩端面的加工要求很高:兩端面為垂直于棒軸向的平行平面,平行誤差在5″～10″之間;端面與棒軸向的垂直度<1″;端面的平整度小于半個光圈。為避免端面反射和內部寄生振蕩,端面鍍有增透膜。固體激光器固體激光器一般采用光泵浦。主要的泵浦光源有：惰性氣體放電燈(脈沖氙燈、連續(xù)氪燈等)；半導體激光二極管；金屬蒸氣燈(汞燈、鈉燈等)；鹵化物燈(碘鎢燈、溴鎢燈等)四類。惰性氣體放電燈具有輻射強度高、既能脈沖工作又能連續(xù)工作、工藝簡單、使用方便等優(yōu)點,應用最為廣泛。惰性氣體放電燈與聚光腔共同構成固體激光器的燈泵浦系統(tǒng)。半導體激光二極管泵浦固體激光器較之其他的泵浦方式具有最高的泵浦效率,代表了固體激光器的一個發(fā)展方向。固體激光器（1）紅寶石激光器紅寶石的化學表示式為Cr3+:Al2O3,其激活離子是三價鉻離子Cr3+,基質是剛玉晶體(化學成分是A12O3)。紅寶石屬六方晶系,是無色透明的負單軸晶體。紅寶石是在Al2O3中摻入適量的Cr3+,使Cr3+部分地取代Al3+而成。Cr3+在很強的晶格場作用下,其能級發(fā)生很大的變化,呈現(xiàn)出極為復雜的能級分裂和重新組成的情況。通過實驗和理論分析,已確定紅寶石中Cr3+的工作能級屬三能級系統(tǒng)。固體激光器固體激光器紅寶石激光器的工作物質是紅寶石棒。在Xe（氙）燈照射下，紅寶石晶體中原來處于基態(tài)E1的粒子，吸收了Xe燈發(fā)射的光子而被激發(fā)到E3能級。粒子在E3能級的平均壽命很短（約10-9秒）。大部分粒子通過無輻射躍遷到達激光上能級E2。粒子在E2能級的壽命很長，可達3×10-3秒。所以在E2能級上積累起大量粒子，形成E2和E1之間的粒子數(shù)反轉，此時晶體對頻率ν滿足hν＝E2—E1的光子有放大作用，即對該頻率的光有增益。當增益G足夠大，能滿足閾值條件時，就在部分反射鏡端有波長為6943×10-10米的激光輸出。固體激光器固體激光器紅寶石晶體的主要特點優(yōu)點:機械強度和化學穩(wěn)定性高,能承受很高的激光功率密度,易生成較大尺寸;亞穩(wěn)態(tài)壽命長,儲能大,可獲得大能量輸出;熒光譜線較寬,易獲得大能量單模輸出;低溫性能優(yōu)良;輸出可見光。從應用觀點看,紅寶石激光器輸出可見光極具吸引力,一是因為光電探測器件的響應波長大多位于可見光區(qū),而大多數(shù)稀土元素四能級系統(tǒng)固體激光器工作波長則位于近紅外區(qū)域,二是對于全息照相等應用,需要使用可見光作為光源。缺點:能級結構屬三能級系統(tǒng),器件閾值高;晶體性能隨溫度變化明顯,室溫下不適于做連續(xù)和高重頻器件。固體激光器（2）摻釹釔鋁石榴石(Nd3+:YAG)Nd3+:YAG的激活離子為Nd3+，基質是YAG晶體(釔鋁石榴石晶體Y3Al5O12的簡稱)。Nd3+部分取代YAG中的Y3+便成為Nd3+:YAG。YAG中Nd3＋與激光產生有關的能級結構如圖所示。它屬于四能級系統(tǒng)。

固體激光器二、氣體激光器工作物質是氣體或金屬蒸氣。氣體激光的特點是激光輸出波長范圍較寬。常用的氦-氖激光器，是通過氣體放電使Ne原子產生粒子數(shù)反轉，輸出激光的波長為632.8nm（紅光）。氣體激光器具有結構簡單、造價低、操作方便、光束質量好以及能長時間較穩(wěn)定連續(xù)工作的特點，是目前品種最多應用最廣泛的激光器。氣體激光器（1）He-Ne(氦-氖)激光器He-Ne激光器的結構形式很多，但都是由激光管和激光電源組成。激光管由放電管、電極和光學諧振腔組成，放電管是He-Ne激光器的心臟，是產生激光的地方，放電管通常由毛細管和貯氣室構成。放電管中充入一定比例的氦（He）、氖（Ne）氣體，當電極加上高電壓后，毛細管中的氣體開始放電使氖原子受激，產生粒子數(shù)反轉，產生激光躍遷的是Ne氣，He是輔助氣體，用以提高Ne原子的泵浦速率。四能級系統(tǒng)氣體激光器氣體激光器特點：He-Ne激光器輸出連續(xù)光,主要工作波段在可見光到近紅外區(qū)域,其中,最常用的工作波長為632.8nm(紅光),其次是1.15μm和3.39μm以及1.52μm、543.5nm等。He-Ne激光器輸出光束質量很高,表現(xiàn)為單色性好(Δν<20Hz)和方向性好(Q<1mrad)。由于增益低,輸出功率一般為毫瓦量級(0.5～100mW)。器件結構簡單,造價低廉。應用：He-Ne激光器廣泛應用于準直、精密計量、信息處理、醫(yī)療、照排印刷等領域。氣體激光器He-Ne激光器的基本結構由激光管和電源兩部分組成,其中,激光管主要包括放電管、電極和諧振腔三部分,放電管是He-Ne激光器的核心。放電管通常由毛細管和儲氣室構成。當在電極上施加高壓后,毛細管中的氣體開始放電,使氖原子產生粒子數(shù)反轉。氣體放電僅在毛細管中進行,儲氣室的作用是維持毛細管內He、Ne氣體的比例及總氣壓,以延長器件的壽命。氣體激光器He-Ne激光器的工作原理He原子核外有兩個電子,其基態(tài)電子組態(tài)為1s1s。He原子處于基態(tài),其能級符號表示為1s0。當He原子受激時,其中,一個電子由1s殼層激發(fā)到2s殼層(電子組態(tài)為1s2s),使He原子處于激發(fā)態(tài)。該激發(fā)態(tài)中有兩個亞穩(wěn)能級(21s0和23s1)與He-Ne激光躍遷有關。氣體激光器根據(jù)能量躍遷選擇定則,在Ne原子的3s與2p、3p能態(tài)之間,2s與2p能態(tài)之間的很多對子能級之間都能產生躍遷譜線(現(xiàn)已獲得100多條譜線),其中,最強的譜線有3條,即632.8nm、3.39μm和1.15μm,分別對應于3s2→2p4、3s2→3p4和2s2→2p4之間的躍遷。一般He-Ne激光器輸出工作波長為632.8nm,對應于3s2→2p4的躍遷。躍遷至激光下能級2p4上的Ne原子通過自發(fā)輻射躍遷到1s能級,最后通過擴散返回基態(tài)。由上述分析可知,He-Ne激光器是典型的四能級系統(tǒng)。氣體激光器He-Ne激光器的譜線競爭632.8nm、3.39μm與1.15μm三條譜線是He-Ne激光器上百條譜線中最強的三條。三者之中,由于3.39μm譜線與632.8nm譜線共用一個激光上能級3s2,且增益都很高。因此,二者之間存在激烈的譜線競爭。3.39μm譜線的振蕩,將大量消耗激光上能級的粒子,導致632.8nm譜線的增益與輸出功率下降,甚至振蕩被抑制。氣體激光器為保證632.8nm譜線起振并提高其輸出功率,應設法抑制3.39μm譜線的振蕩。抑制所遵循的原則是增大3.39μm譜線的損耗或者降低其增益。采取的方法有:1）棱鏡色散法氣體激光器2）腔內放置甲烷吸收盒該法利用甲烷氣體對632.8nm透明而對3.39μｍ強吸收的特性，增大3.39μｍ譜線的腔內損耗以抑制其振蕩，結構如圖所示。3）外加非均勻磁場法其原理是利用塞曼效應。塞曼效應指磁場將引起譜線的分裂，譜線分裂的大小與磁感應強度成正比。施加非均勻磁場后，造成放電管內各處譜線分裂程度不同，其作用相當于把譜線展寬氣體激光器（2）CO2激光器CO2激光器是一種混合氣體激光器,CO2為工作物質，N2、He、CO、Xe、H2O、H2與O2等為輔助氣體,其作用是提高激光器的輸出功率和效率。氣體激光器CO2激光器的輸出特性有兩個顯著的特點:其一是輸出功率或能量相當大,能量轉換效率高。 CO2激光器連續(xù)輸出功率可達數(shù)十萬瓦,是所有激光器中連續(xù)輸出功率最高的器件;脈沖輸出能量可達數(shù)萬焦,脈寬可壓縮到納秒量級,脈沖功率密度可達太瓦量級。其二是輸出波長分布在9～18μm波段,已觀察到的激光譜線二百多條。 其中,9～11μm紅外波段中最重要的輸出波長10.6μm處于大氣傳輸?shù)拇翱?有利于激光測距、激光制導、大氣通信等方面的應用,且該波長對人眼安全。染料激光器有機化合物液體（染料）激光器（簡稱染料激光器）和無機化合物液體激光器（簡稱無機液體激光器）。特點：激光波長可調諧且調諧范圍寬廣、可產生極短的超短脈沖（3fs）、可獲得窄的譜線寬度。廣泛應用到光生物學、光譜學、光化學同位素分離、全息照像等技術中，研究物質的瞬態(tài)變化過程及微觀動力學。染料激光器染料激光器一種波長連續(xù)可調的激光器，染料分子的吸收光譜和熒光光譜均為寬帶結構，這是由染料特殊的分子結構造成的，也是能波長連續(xù)可調的原因。染料激光器染料分子的結構及常用染料的種類

染料分子的結構

染料是一種碳、氫化合物。染料分子中參與光的吸收或激光輻射的電子（π電子）處于分子的共軛雙鍵中。染料激光器染料分子的能級

典型的染料分子由五十多個原子組成，是一個結構非常復雜的大分子系統(tǒng)。很難把染料發(fā)出的熒光歸結為是其中哪一對原子所發(fā)射的，要精確地計算能級非常困難。染料激光器器件典型結構脈沖染料激光器染料激光器連續(xù)染料激光器四、半導體激光器以半導體材料為工作物質的激光器稱為半導體激光器。其特點為超小型、高效率、低成本、工作速度快和波長范圍寬等。它是激光光纖通信的重要光源。目前在光存儲、激光高速印刷、全息照相、激光準直、測距及醫(yī)療等許多方面廣泛應用。而在光信息處理、光計算機和固體激光器泵浦等方面卻正是方興未艾。半導體激光器半導體激光器自1962年半導體砷化嫁（GaAs）同質結激光器問世后，半導體從同質結、單異質結、雙異質結到半導體激光器陣列，波長范圍履蓋了可見光到長波紅外，逐漸地成為現(xiàn)代激光器件中的應用面最廣、發(fā)展最為迅速的一種重要器件類型。同以氣體或固體作為工作物質的激光器一樣，欲使半導體材料產生激光，同樣要使半導體材料中電子能態(tài)發(fā)生變化，以形成一定的粒子數(shù)反轉，并且要有一個合適的光學共振腔。但是，由于半導體材料中電子運動的特殊性半導體激光器又有著許多不同于氣體和固體激光器的特性。因此，要深入了解半導體激光器的特性和原理，我們必須先了解有關半導體材料的一些理論基礎。半導體激光器有關半導體的基本概念能帶電子和空穴的統(tǒng)計分布雜質半導體中費米能級的位置與雜質類型及摻雜濃度有密切關系。半導體激光器在未摻雜質的本征型半導體中，費米能級居于禁帶中央，導帶內的電子或價帶內的空穴是非簡并化分布(圖a)。在輕摻雜P型半導體中，受主能級使費米能級向下移動(圖b);輕摻雜N型半導體中，施主能級使費米能級向上移動(圖d);在重摻雜P型半導體中，費米能級向下移到價帶中，低于費米能級的能帶被電子填滿，高于費米能級的能態(tài)都是空的，——P型簡并半導體(圖c);在重摻雜N型半導體中，費米能級向上移到導帶中，低于費米能級的能帶被電子填滿，高于費米能級的能態(tài)都是空的，導帶中也有自由電子——N型簡并半導體(圖e);雙簡并半導體——半導體中存在兩個費米能級。(圖f);兩個費米能級使得導帶中有自由電子；價帶中有空穴。半導體激光器PN結和粒子數(shù)反轉在熱平衡系統(tǒng)中(圖a—e)中的情況都只有一個費米能級不能產生光放大。把P型和N型半導體制作在一起，是否可能在結區(qū)產生兩個費米能級呢？如果我們設法使一塊完整的半導體一邊是N型，而另一邊是P型，則在接合處形成P－N結。PN結空間電場區(qū)P區(qū)N區(qū)++++++Ef能量EePEVPEeNEVNP區(qū)N區(qū)半導體激光器當給P－N結加以正向電壓V時，原來的自建場將被削弱，勢壘降低，破壞了原來的平衡，引起多數(shù)載流子流入對方，使得兩邊的少數(shù)載流子比平衡時增加了，這些增加的少數(shù)載流子稱為“非平衡載流子”。這種現(xiàn)象叫做“載流子注入”。此時結區(qū)的統(tǒng)一費米能級不復存在，形成結區(qū)的兩個費米能級EF+和EF-，稱為準費米能級。它們分別描述空穴和電子的分布。在結區(qū)的一個很薄的作用區(qū)，形成了雙簡并能帶結構。EVPEePEeNEVNEfNEfPhfhf半導體激光器為了形成在正向偏壓下的載流子的粒子數(shù)反轉分布必須采用重摻雜的PN結型半導體。對于重摻雜的GaAsP－N結，在P－N結的附近，導帶中有電子而價帶中有空穴，這一小段區(qū)域稱為“作用區(qū)”。如果電子從導帶中向價帶中躍遷，則將釋放光子，并在諧振腔的反饋作用下，產生受激輻射。當然，價帶中的電子也可能在光子的激發(fā)下躍遷到導帶中，即所謂受激吸收，而要產生激光輸出自然要求受激發(fā)射光子的速率大于受激吸收光子的速率。半導體激光器半導體激光器的基本結構和工作原理半導體激光器同質結砷化鎵(GaAs)激光器的特性與二極管相同，也具有單向導電性半導體激光器異質結半導體激光器

理論分析及實驗研究表明，同質結激光器難以得到低閾值電流和實現(xiàn)室溫連續(xù)工作。為此,在同質結的基礎上發(fā)展了異質結半導體