常用氣體激光器講解

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1、二氧化碳激光器,,屬分子氣體激光器,一、工作原理,,CO2分子有三種不同的運(yùn)動形式：,1.對稱振動(b),2.形變振動(c),3.非對稱振動(d),1、CO2分子運(yùn)動,方向相反,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CO2分子有冷卻作用，也可加速下能級粒子數(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1015。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2030

2、。,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，可延長壽命。,2、工作物質(zhì),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能級時(shí)，能級001和能級 100之間形成粒子數(shù)的反分布。,3、CO2分子激發(fā)機(jī)理,He原子質(zhì)量小，運(yùn)動速度快，頻繁地碰撞CO2分子，高效地抽運(yùn)010能級上的CO2分子，大大提高了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度。,100能級和020能級的分子迅速躍遷到亞穩(wěn)態(tài)010能級上。因此必須把躍遷到010能級上的CO2分子立即抽空，否則不利于粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)。,二、基本結(jié)構(gòu),,縱向電激勵水冷內(nèi)

3、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、水冷管和儲氣管三層結(jié)構(gòu)組成 )。 它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、緊湊。但它的單位放電長度可輸出的功率比其他結(jié)構(gòu)的（如流動型和氣動型）CO2激光器要低。,,,折疊式CO2激光器（水冷套未畫出）,橫向循環(huán)流動CO2激光器,,縱向流動CO2激光器,,,三 、輸出特性,1、能量轉(zhuǎn)換效率高 ： 2025% (氦氖激光器的能量轉(zhuǎn)換效率僅為千分之幾) ；,2、常用的CO2激光器輸出波長為10.6 ，屬于中紅外區(qū)，對人眼損害?。?,3、連續(xù)輸出功率可達(dá)萬瓦級，常用電激勵 ；,4、溫度效應(yīng) 轉(zhuǎn)換效率最高也不會超過40，這就是說

4、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，冷卻問題是CO2激光器正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要技術(shù)問題。,原子或分子因某種原因失去電子或獲得電子的過程稱為電離。若原子失去電子，稱為正離子，反之則稱為負(fù)離子。 利用離子的能級躍遷所獲得的激光器件稱為離子激光器。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,,一、工作原理,,激發(fā)過程一般分兩步：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

5、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+。,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。最強(qiáng)的譜線波長是488.0nm、514.5nm。,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、軸向磁場等。,氬離子激光器分段石墨放電管,,,國產(chǎn)的氬離子激光

6、管,,,,,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、其輸出波長較多，主要有 514.5nm和488.0nm兩個(gè)藍(lán)綠色 的譜線，是可見光區(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、輸出波長易 被血紅蛋白吸收，所以氬離子激光器對生物止血效果最好。 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。,表 氬離子激光的可見光光譜線,,,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

7、外來能量激發(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;,,,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)的分子稱受激二聚物，簡稱準(zhǔn)分子。,RgX基態(tài)分子壽命

8、極短，為10-13s量級，它沿著自己的勢能曲線想核間距增大的方向移動，直至最終離解成獨(dú)立的原子Rg+X。激發(fā)態(tài)RgX*能級壽命為10-8s量級，比基態(tài)穩(wěn)定，因此很容易形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。,,三、基本結(jié)構(gòu),,,準(zhǔn)分子激光器的結(jié)構(gòu),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）。,2. 輸出波長:,從真空紫外到可見光區(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

9、為0.2微米，能夠在人的頭發(fā)絲上刻出各種花樣來。,,,近視眼由于眼球的前后徑太長，眼角膜前表面太凸，外 界光線不能準(zhǔn)確會聚在眼底所致。 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。從而使外界光線能夠準(zhǔn)確地在眼底視網(wǎng)膜上會聚成像，達(dá)到矯正近視的目的。,準(zhǔn)分子激光治療近視眼的原理,,,,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)（Laser in Situ Keratomileusis）：醫(yī)生用角膜刀掀開一個(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

10、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。,,,,,制做角膜瓣,,準(zhǔn)分子激光切削,角膜瓣復(fù)位,,,,,,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),,,,,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),,,,,角膜瓣復(fù)位,,準(zhǔn)分子激光角膜原位磨鑲術(shù)完成,,,,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)自動調(diào)整光斑大

11、?。汗獍咧睆娇稍?.65- 6.5mm范圍內(nèi)變化?？?使復(fù)雜的角膜切削變得 極為輕松。,,三維主動眼球跟蹤技術(shù): 除對眼球在XY軸運(yùn)動進(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)動自動將激光調(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。,,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,染料激光器,固體或其它激光所輸出的波長已幾乎覆蓋了真空紫外至紅外波段，還出現(xiàn)了X射線波激光器。但是，一般激光器輸出的波長都是固定單一的，至多也只是有幾個(gè)波長，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

12、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、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)是其輸出波長在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，所以稱為可調(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。,工作原理,,染料分子能級圖,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轉(zhuǎn)動能級組成的。 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；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組成的譜帶。染料分子的這種能級結(jié)構(gòu)是染料激光器的輸出波

13、長在一定范圍內(nèi)可調(diào)的根本原因。,一、染料分子能級,,,染料分子能級圖,吸收了外來光子后，分子就從基態(tài)能級躍遷到S1態(tài)的較高的振動轉(zhuǎn)動能上（圖中Ab）。由于頻繁的熱交換，大多數(shù)被激發(fā)的分子無輻射地衰變到S1態(tài)的最低的振動轉(zhuǎn)動能級上（圖中bB）。這樣，在B與基態(tài)S0的較高的振動轉(zhuǎn)動能級（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。 可見染料激光形成過程，經(jīng)歷了兩次無輻射躍遷。,二、染料分子的光輻射過程,三、染料分子的三重態(tài)“陷阱”,能級圖中的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中的分子很容易無輻射地躍遷到T1上，又因?yàn)門1與S0之間不產(chǎn)生輻射躍遷，而且

14、T1的壽命較長，約為10-410-3s，所以T1態(tài)對于激發(fā)分子來說，相當(dāng)于一個(gè)“陷阱”。 當(dāng)T1態(tài)上積累了足夠的分子后，T1T2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。,,,,,,,,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)、激勵光源、聚光系統(tǒng)和諧振腔 及波長選擇裝置組成,,,,,,,,,,輸出特性,1輸出激光波長可調(diào)諧 某些染料激光波長的可調(diào)寬度達(dá)上百納米，所以稱為可調(diào)諧激光器。 2由于染料分子能級的準(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

15、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級系統(tǒng)，由于S0的較高振動能級在室溫時(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。,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（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)，輸出激光的線寬為0.05nm，插入標(biāo)準(zhǔn)具后，可獲得線寬約為0.001nm的單模激光。

16、,輸出特性,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，一束來自M3、M2的不同波長的光，將有不同的折射方向。當(dāng)旋轉(zhuǎn)平面反射鏡M1使其與某一波長的光垂直時(shí)，該波長光便能返回諧振腔，形成振蕩。因此，旋轉(zhuǎn)M1便可實(shí)現(xiàn)調(diào)諧作用。,Tunable Lasers Dye Lasers,很多有機(jī)染料可以被用作激光介質(zhì)。其中最常見的是若丹明6G（Rhodamine 6G），溶于甲醇或者乙二醇。 躍遷上下能級由于和溶劑 的相互作用而分裂為連續(xù) 的能帶。分子被激發(fā)到上 能帶后迅速無輻射弛豫到上能帶的最低 能級，并由此向基態(tài)各能級躍遷，產(chǎn)生 熒光輻射

17、。輻射熒光曲線不隨激發(fā)光源 的改變而改變。,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)射曲線頂點(diǎn)的周圍幾十個(gè)附近發(fā)生。可以把反射鏡用光柵代替。 激發(fā)輻射帶寬降低到0.5 。 通過轉(zhuǎn)動光柵，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。,幾種典型裝置,通過使用各種染料，脈沖染料激光器工作范圍可以從320到1000nm。對準(zhǔn)分子

18、激光泵浦的染料激光器，能量轉(zhuǎn)換效率可以到1020%。而對于倍頻后的Nd: YAG激光器，則可以達(dá)到40%。,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。主要問題是三重態(tài)布居數(shù)的增加造成的吸收損耗會使激光無法起振。 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?？梢栽谌芤褐屑尤肽撤N三重態(tài)猝滅劑，可以有效地使三重態(tài)分子無輻射躍遷到基態(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375950nm。 使用染料射流來讓染料高速通過激活區(qū)。,Tunable Solid-State Lasers,某些固體激光器的增益曲線

19、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1.01.1mm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進(jìn)一步擴(kuò)展調(diào)諧波長。,Tunable CO2 Lasers,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%。工作波長位于10mm附近，很多工作用的是固定波長的二氧化碳激光器。,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 一振動能級。由此形成與低能級(100), (020)之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 激光發(fā)射可能在子轉(zhuǎn)動

20、能級間發(fā)生，并 形成位于10.210.8mm和9.29.7mm的 幾個(gè)光譜帶。 其中最強(qiáng)的譜線為10.59mm。 可以使用光柵來選擇其一為輸出波長。 如果使用同位素分子13CO2，則可以增加可選的波長。 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，譜線加寬，不同的振轉(zhuǎn)譜線溶和在一起，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。,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；

21、 諧振腔可以是直接鍍在端面的腔鏡、或光纖耦合器、光纖圈等。 可獲得寬帶的可調(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適用于光纖通信的低損耗窗口。,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),1 摻雜光纖,一、摻雜元素 摻稀土元素鑭系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。 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)

22、生激光。,2、摻雜光纖的基質(zhì) （1）石英玻璃 石英玻璃對稀土元素離子的光譜能級的影響：產(chǎn)生斯塔克分裂，使得能級加寬，光譜變寬。 （2）重金屬氟化物玻璃 優(yōu)點(diǎn)： 通光窗口寬，在300-8000 nm范圍透過率很高。 易于成纖。 易于激活，因?yàn)榉锊Ａ窍⊥猎氐睦硐胨拗鳌?二、石英光纖中摻稀土元素離子的光譜特性 1、Er 3+、Nd 3+的電子能級,4I13/2,4I 15/2,Er 3+,Nd 3+,,,,,,,能級分裂,,4F 5/2,4F 3/2,,4F 5/2,,,,,,,,,2、摻稀土光纖的光譜特性,摻釹光纖： 使用800nm、900nm、 530nm波長的泵浦光源，將在900

23、nm、1060nm 、 1350nm波長處得到激光。 摻鉺光纖： 使用800nm、900nm、 1480nm、530nm波長的泵浦光源，將在900nm、1060nm、 1536nm波長處得到激光。 摻鉺光纖存在最佳光纖長度（約10m）。,Er3+,Nd3+,3、摻雜光纖的激光特性 摻鉺的三能級系統(tǒng)：基態(tài)E1、亞穩(wěn)態(tài) E2、 高能級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

24、N1。 一般選擇A21較小的工作物質(zhì)。,,,,,A32,一、FP腔 1，結(jié)構(gòu) M1: 對泵浦光高透；對激光高反 M2: 對激光高反（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。,2 光纖激光器的諧振腔,光在腔內(nèi)傳輸來回一次后的光強(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)。則腔長與波長滿足(駐波條件)：,,,,增益系數(shù),平均損耗系數(shù),縱模和橫模 在腔內(nèi)，軸向駐波場為腔的本征模式光場。特點(diǎn)：與軸線垂直的橫截面光場穩(wěn)定均勻分布；軸線方向形成駐波， 稱為縱模。節(jié)數(shù)為

25、q，為縱模序數(shù)。 與軸線垂直的橫截面內(nèi)光場穩(wěn)定分布，稱為橫模，用LPml表示，為線性偏振模。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光場的變化數(shù)（節(jié)線數(shù)）。l為徑向模數(shù)，表示纖芯區(qū)域光場的半徑方向變化數(shù)(節(jié)線數(shù))。 LP01表示基模，它的角向徑向節(jié)線數(shù)沒有變化，為圓形光斑。,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。激勵的激光與泵光無關(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。,2、

26、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： 134 2 的的順時(shí)針光 場相位差為0，與從1 4 3 2的逆時(shí)針光場的相位差為。 兩光場因?yàn)檎穹嗤?、相位相?而抵消，總和為0 。光從1返回。,SMF,,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。其中沒有能量儲存。,透射,反射,,,,反射,透射,光波既可以通過另一端輸出；又可以再從輸入端反射。,4、全光纖激光器 兩個(gè)光纖圈反射器

27、串聯(lián)起來組成的諧振腔，通過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為：,,,,,L1,L2,L,摻雜光纖,,三、可調(diào)諧光纖激光器 光纖激光器有較寬的波長調(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，若對激光中心的閃耀級次為M級，閃耀角為，光柵常數(shù)為d，則光柵方程為：,,只要轉(zhuǎn)動衍射光柵，使光束相對于光柵法線的入射角在 附近變化，就能實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)波長。,,,,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，分別激勵摻鉺光纖

28、及摻釹光纖,可調(diào)諧的波長范圍分別為25nm和80nm。 由于分束器與光學(xué)元器件帶來了腔內(nèi)損耗，導(dǎo)致閾值功率提高。,14 nm,11 nm,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%,,通過改變溫度來調(diào)節(jié)光纖圈的反射率，使摻雜光纖達(dá)到激光諧振放大。,五、窄帶輸出的光纖激光器 通過光纖光柵的選模作用： 達(dá)到窄帶輸出。B是布拉格波長， d是光柵周期，ne是有效折射率。,激光線寬0.06 nm,六、光纖Fox-Smith諧振腔 一般地，14段及13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、l

29、4以致于在 整個(gè)熒光線寬內(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)。,,摻稀土元素的光纖激光器,以980 nm的半導(dǎo)體光源作為泵浦源； 摻Er 3+光纖中Er 3+的受激輻射產(chǎn)生Laser。,一、摻Er 3+光纖激光器的示例1、Er 3+的三能級系統(tǒng),能級分裂,,由合適長度的摻Er 3+光纖、980nm大功率半導(dǎo)體激光器泵浦源和諧振腔構(gòu)成。 世界上第一臺摻Er 3+光纖激光器由英國南安譜敦大學(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,二、摻Nd3+光纖激光器的示例,由合適長度的摻Nd 3+光纖、800nm大

30、功率半導(dǎo)體激光器泵浦源和諧振腔構(gòu)成。 世界上第一臺摻Nd 3+光纖激光器由英國南安譜敦大學(xué)的R.J. Mears教授于1985年實(shí)現(xiàn)。,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。,分類： 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。,5.4 超熒光光纖激光器(Superfluorescent Fiber source),單程反向,雙程前向,單程前向,雙程反向,原理： 由于泵浦光的激勵，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

31、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，就稱之為放大的自發(fā)輻射（Amplified Spontaneous Emitting, ASE） 。 特點(diǎn)：與普通光纖激光器相比，沒有諧振腔。,SFS的原理、特點(diǎn),雙程前向及雙程后向摻鉺光纖激光器,Fig.2 輸出功率與摻鉺光纖長度的關(guān)系,超過最佳長度將被再吸收,Fig.3 不同長度光纖的泵浦功率與波長的關(guān)系,光纖端鏡的反射率與光譜寬度的關(guān)系,DPF: 因?yàn)?535nm處的ASE信號比1550nm處的ASE信號增長快，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信號飽和，而

32、1550nm處的ASE信號繼續(xù)增強(qiáng)，所以帶寬增加。,半導(dǎo)體激光器,價(jià)帶：是價(jià)電子能級分裂出來的價(jià)電子能帶，當(dāng)晶體處于絕對零度和無外界激發(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，在沒有自由電子的情況下，這個(gè)能級是空著的。當(dāng)有自由電子時(shí)，它們在外電場作用下就能參與導(dǎo)電 。 禁帶（帶隙）：在價(jià)帶和導(dǎo)帶之間存在一段空隙，稱為禁帶或帶隙。,（1）半導(dǎo)體的禁帶很窄，滿帶中的電子較易進(jìn)入導(dǎo)帶。導(dǎo)帶中的電子在外場作用下運(yùn)動而參與導(dǎo)電。,（3）金屬導(dǎo)體沒有禁帶，可顯示很強(qiáng)的導(dǎo)電性。,（2）絕緣體的禁帶很寬，滿帶中的電子很難進(jìn)入導(dǎo)帶， 導(dǎo)電性很差。,,,,,,,,,,滿帶,導(dǎo)帶,滿帶

33、,導(dǎo)帶,滿帶,導(dǎo)帶,（1）半導(dǎo)體,,禁帶,,禁帶,（2） 絕緣體,（3）金屬,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)的材料稱為P 型半導(dǎo)體。,（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、在外場的作用下, 導(dǎo)帶中的電子、滿帶中的空穴都可參與導(dǎo)電。（本

34、征導(dǎo)電性。見下圖）,,,,外 場,滿帶,導(dǎo)帶,,,半導(dǎo)體的分類,,,（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位于導(dǎo)帶底附近（稱為施主能級）。 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,滿帶,導(dǎo)帶,,施主能級,n 型半導(dǎo)體,* 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)原子的局部能級位于價(jià)帶頂附近（稱為受主能級）。 一般溫度下，滿帶中的電子很

35、容易被激發(fā)躍遷至雜質(zhì)能級上，滿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,,,滿帶,導(dǎo)帶,,受主能級,P 型半導(dǎo)體,附：幾個(gè)3、4、5價(jià)的元素,,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P-N 結(jié)。故

36、P-N結(jié)具有單向?qū)щ姷男阅堋?,（1）形成：P與N密切接觸,PN結(jié)的能帶圖,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，形成一個(gè)很薄的空間電荷區(qū)，稱為PN結(jié)。其電場的方向由N指向P，稱為內(nèi)電場。該電場的方向與多數(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，因而它對多數(shù)載流子的擴(kuò)散有阻擋作用，稱為勢壘。,半導(dǎo)體器件的發(fā)光機(jī)理,如果在PN結(jié)上加正向

37、電壓，外電場與內(nèi)電場的方向相反，擴(kuò)散與漂移運(yùn)動的平衡被破壞。外電場驅(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)電場被削弱，多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動增強(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)。,半導(dǎo)體器件的發(fā)光機(jī)理,當(dāng)外加電場正端接P區(qū)負(fù)端接N區(qū)與內(nèi)電場方向相反時(shí)，電子被迫從N區(qū)向P區(qū)方向集結(jié)，當(dāng)足夠數(shù)量的電子能級上升到導(dǎo)帶能級，它們的電子能級就超過了勢壘能級，電子流過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)

38、帶中有許多電子存在，這種狀態(tài)稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 來自導(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。這種過程稱為復(fù)合。 在理想情況下，能量完全以光子的形式釋放出來。如果這一過程自發(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。,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

39、又放出一個(gè)光子；間接復(fù)合中載流子被trap T捕捉到，在trap site中發(fā)生復(fù)合，并放出熱。,半導(dǎo)體激光器（LD）,世界上第一只半導(dǎo)體激光器是1962年問世的，經(jīng)過幾十年來的研究，半導(dǎo)體激光器得到了驚人的發(fā)展，它的波長從紅外、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小時(shí)，乃至百萬小時(shí)；輸出功率由幾毫瓦提高到千瓦級(

40、陣列器件)。 它具有效率高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、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)域過去常用的其他激光器，已逐漸為半導(dǎo)體激光器所取代.,半導(dǎo)體激光器（LD）,半導(dǎo)體激光器的激勵方式主要有三種，即電注人式、光泵式和高能電子束激勵式。 絕大多數(shù)半導(dǎo)體激光器的激勵方式是電注人，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，也就是說是個(gè)正向偏置的二極管，因此半導(dǎo)體激光器又稱為半導(dǎo)體激光二極管。 對半導(dǎo)體來說，由于電子是在各能帶之間進(jìn)

41、行躍遷，而不是在分立的能級之間躍遷，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展布在一個(gè)很寬的范圍上.它們所發(fā)出的波長在0.3 -34pm之間.其波長范圍決定于所用材料的能帶間隙，最常見的是AlGaA:雙異質(zhì)結(jié)激光器，其輸出波長為750 - 890nm。,5.4.2 PN結(jié)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn),1. P-N結(jié)的雙簡并能帶結(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)米能級呢？,未加電場時(shí)，P區(qū)和N區(qū)的費(fèi)米能級必然達(dá)到同一水平，如圖(5-26)。,圖(5-26) PN能帶,2. 粒子數(shù)反轉(zhuǎn),5.4.2 PN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)

42、反轉(zhuǎn)分布。,激光器在連續(xù)發(fā)光的動平衡狀態(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)米能級來計(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,半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu),最簡單的半導(dǎo)體激光器由一個(gè)薄有源層（厚度約0.1m）、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，稱為大面積激光器。由于在平行于結(jié)平面的側(cè)向無光限制結(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)向輻射和光限制問題，

43、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)。,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)。,第二章 電光信息轉(zhuǎn)換,98,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 : 其中最簡單的是法布 里珀羅腔 激光二極管的諧振腔,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) 最簡單的半導(dǎo)體激光器由一個(gè)薄有源層（厚度約0.1m）、P型和N型限制層構(gòu)成，如圖2.2.2-1所示。 圖2.2.2

44、-1 大面積半導(dǎo)體激光器,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(529)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,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)

45、GaAs激光器的發(fā)射光譜,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(532)(c)所示。,圖(5-32) 同質(zhì)結(jié)、異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)示意圖,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娦浴Ｆ浞蔡匦郧€如圖所示。

46、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的接觸電阻來決定。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,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發(fā)光是有效的。通常用內(nèi)量子效率i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)會減少，因而又定義了外量子效率 ex.,,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

47、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、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d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w表示。 一般d為40度， w為10度。,半導(dǎo)體激光器的的主要特性,在光纖通訊與光纖傳感技術(shù)中，激光器方向性的好壞影響到它與光纖耦合的效率。單模光纖芯徑小，數(shù)值孔徑小，此項(xiàng)指標(biāo)更為重要。,半導(dǎo)體激光器的的主要特性,4.光譜特性 由于半導(dǎo)體的導(dǎo)帶，

48、價(jià)帶都有一定的寬度，所以復(fù)合發(fā)光的光子有較寬的能量范圍，因而產(chǎn)導(dǎo)體激光器的發(fā)射光譜比固體激光器和氣體激光器要寬。 半導(dǎo)體激光器的光譜隨激勵電流而變化，當(dāng)激勵電流低于域值電流時(shí)，發(fā)出的光是熒光。這時(shí)的光譜很寬，其寬度常達(dá)百分之幾微米。如圖 (a)所示。當(dāng)電流增大到閾值時(shí)，發(fā)出的光譜突然變窄，譜線中心強(qiáng)度急劇增加。這表明出現(xiàn)了激光。其光譜為分布如圖 (b)所示。由此可見知光譜變窄，單色性增強(qiáng)是半導(dǎo)體激光器達(dá)到閾值時(shí)的一個(gè)特征，因而可通過激光器光譜的測量來確定閾值電流。,半導(dǎo)體激光器的的主要特性,半導(dǎo)體激光器發(fā)射的光譜隨溫度而變化，GaAs激光器在77K下，其光譜寬度為百分之幾微米，室溫下寬度為

49、千分之幾微米，目前分布反饋型激光器的譜寬只有10-4 m左右。另一方面，溫度升高時(shí)，激光峰值向長波方向移動，這是由于禁帶寬度隨溫度升高而變小，因而發(fā)射光子的頻率變小的原故（Eg=hv）。右圖表示激光峰值位置隨溫度變化的情況，縱坐標(biāo)分別是禁帶寬度的能量值和對應(yīng)的波長值。,LD的應(yīng)用,半導(dǎo)體激光器是成熟較早、進(jìn)展較快的一類激光器，由于它的波長范圍寬，制作簡單、成本低、易于大量生產(chǎn)，并且由于體積小、重量輕、壽命長，因此，品種發(fā)展快，應(yīng)用范圍廣，目前已超過300種，半導(dǎo)體激光器的最主要應(yīng)用領(lǐng)域是Gb局域網(wǎng)，850mn波長的半導(dǎo)體激光器適用于)1Gb局域網(wǎng)，1300mn -1550nm波長的半導(dǎo)體激光器

50、適用于 1OGb局域網(wǎng)系統(tǒng)。 半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用范圍覆蓋了整個(gè)光電子學(xué)領(lǐng)域，已成為當(dāng)今光電子科學(xué)的核心技術(shù)。 半導(dǎo)體激光器在激光測距、激光雷達(dá)、激光通信、激光模擬武器、激光警戒、激光制導(dǎo)跟蹤、引燃引爆、自動控制、檢測儀器等方面獲得了廣泛的應(yīng)用，形成了廣闊的市場。,LD的應(yīng)用光纖通信系統(tǒng)的光源,1978年，半導(dǎo)體激光器開始應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)，半導(dǎo)體激光器可以作為光纖通信的光源和指示器以及通過大規(guī)模集成電路平面工藝組成光電子系統(tǒng).由于半導(dǎo)體激光器有著超小型、高效率和高速工作的優(yōu)異特點(diǎn)，所以這類器件的發(fā)展，一開始就和光通信技術(shù)緊密結(jié)合在一起，它在光通信、光變換、光互連、并行光波系統(tǒng)、光信息處理和光存

51、貯、光計(jì)算機(jī)外部設(shè)備的光禍合等方面有重要用途。 半導(dǎo)體激光器的問世極大地推動了信息光電子技術(shù)的發(fā)展，到如今，它是當(dāng)前光通信領(lǐng)域中發(fā)展最快、最為重要的激光光纖通信的重要光源。半導(dǎo)體激光器再加上低損耗光纖，對光纖通信產(chǎn)生了重大影響，并加速了它的發(fā)展。因此可以說，沒有半導(dǎo)體激光器的出現(xiàn)，就沒有當(dāng)今的光通信。 GaAs/GaAlA雙異質(zhì)結(jié)激光器是光纖通信和大氣通信的重要光源，如今，凡是長距離、大容量的光信息傳輸系統(tǒng)無不都采用分布反饋式半導(dǎo)體激光器(DFB一LD)。,LD的應(yīng)用印刷業(yè)領(lǐng)域,長波長激光器（1976 年，人們用GaInAsP/InP實(shí)現(xiàn)了長波長激光器)用于光通信，短波長激光器用于光盤讀出。

52、自從NaKamuxa實(shí)現(xiàn)了GaInN/GaN藍(lán)光激光器，可見光半導(dǎo)體激光器在光盤系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，如CD播放器，DVD系統(tǒng)和高密度光存儲器可見光面發(fā)射激光器在光盤、打印機(jī)、顯示器中都有著很重要的應(yīng)用，特別是紅光、綠光和藍(lán)光面發(fā)射激光器的應(yīng)用更廣泛。藍(lán)綠光半導(dǎo)體激光器用于水下通信、激光打印、高密度信息讀寫、深水探測及應(yīng)用于大屏幕彩色顯示和高清晰度彩色電視機(jī)中。 總之，可見光半導(dǎo)體激光器在用作彩色顯示器光源、光存貯的讀出和寫人，激光打印、激光印刷、高密度光盤存儲系統(tǒng)、條碼讀出器以及固體激光器的泵浦源等方面有著廣泛的用途。,LD的應(yīng)用其他領(lǐng)域,量子級聯(lián)激光的新型激光器應(yīng)用于環(huán)境檢測和醫(yī)檢領(lǐng)域。另

53、外，由于半導(dǎo)體激光器可以通過改變磁場或調(diào)節(jié)電流實(shí)現(xiàn)波長調(diào)諧，且已經(jīng)可以獲得線寬很窄的激光輸出，因此利用半導(dǎo)體激光器可以進(jìn)行高分辨光譜研究?？烧{(diào)諧激光器是深人研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)而迅速發(fā)展的激光光譜學(xué)的重要工具。大功率中紅外(3.5lm)LD在紅外對抗、紅外照明、激光雷達(dá)、大氣窗口、自由空間通信、大氣監(jiān)視和化學(xué)光譜學(xué)等方面有廣泛的應(yīng)用。,LD與LED的比較,半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）與半導(dǎo)體激光二極管（LD）在結(jié)構(gòu)上的根本區(qū)別就是它沒有光學(xué)諧振腔，形不成激光。它的發(fā)光限于自發(fā)輻射。它發(fā)出的是熒光，而不是激光。,LD的優(yōu)點(diǎn),1）LD的響應(yīng)速度較快，可用于較高的調(diào)制速率。 2）LD的光譜較窄，應(yīng)用于單模光纖

54、時(shí)，光在光纖中傳播引起的色散小，可用于大容量通信。而LED中由于沒有選擇波長的諧振腔，所以它的光譜是自發(fā)輻射的光譜。其譜寬度一般為0.030.04m。 3）由于LD輻射光束的發(fā)散角較小，因而耦合的光纖中的功率較高，傳播距離較遠(yuǎn)，而LED的發(fā)散角一般在4020范圍內(nèi)，耦合到光纖中的效率較低，通常只有3%左右。 4）LD的輸出光強(qiáng)及效率較高，LED的輸出光強(qiáng)及效率較低。,LD的缺點(diǎn),1）溫度特性較差。由于激光管的閾值電流依賴于溫度T，故其輸出功率也依賴于T。發(fā)光二極管沒有閾值電流，故其溫度特性較好。 2）易損壞，壽命短。半導(dǎo)體光源的損壞一般由三種原因引起，即內(nèi)部損壞（如P-N結(jié)損壞），接觸損壞（如引線斷掉）和光學(xué)諧振端面的損壞（如光纖碰角或端面污染引起）。前兩種為發(fā)光二極管和激光二極管所共有，而后一種損壞卻是激光二極管所獨(dú)有的，由于這一因素而大大降低了激光二極管使用壽命。 3）半導(dǎo)體激光器價(jià)格昂貴，發(fā)光二極管比較便宜。 4）半導(dǎo)體激光器的P-I曲線不如發(fā)二極管的P-I曲線線性范圍大，調(diào)制時(shí)的動態(tài)范圍相對較小。,