激光器認知ppt課件

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激光器的認知,一、激光器的分類,按工作物質：氣體激光器、固體激光器、液體激光器、半導體激光器等 按運轉方式：連續(xù)激光器、脈沖激光器、超短脈沖激光器、穩(wěn)頻激光器、可調諧激光器 按波長：紅外激光器、可見光激光器、紫外激光器、毫米波激光器、X射線激光器等 按泵浦方式：電激勵激光器、光泵浦激光器、核能泵浦激光器、熱能激勵激光器等 按諧振腔：內腔激光器、外腔激光器、環(huán)形腔激光器折疊腔激光器等,2,1、氣體激光器的分類,原子氣體激光器 工作物質為未電離的氣體原子，如He-Ne激光器 分子氣體激光器 工作物質為未電離的氣體分子，如CO2激光器、氮分子激光器 離子激光器 如氬離子激光器和氦鎘離子激光器,3,氣體激光器的特點,氣體激光器的工作物質：氣體或蒸汽 波長范圍：紫外到紅外 優(yōu)點： 1.工作物質均勻性好，光束質量好 2. 連續(xù)輸出功率高 3. 轉換效率高 4. 結構簡單 5. 成本低 應用：準直、導向、計量、材料加工、全息術、醫(yī)學、農業(yè)育種、國防等,4,2、固體激光器,主材料：晶體或玻璃 晶體：1)金屬氧化物 Al2O3，氧化釔Y2O3，釔鋁石榴石Y3Al5O12（YAG）。2)鋁酸鹽、磷酸鹽、硅酸鹽等晶體：鋁酸釔YALO3(YAP)、氟磷酸鈣Ca(PO4)3F等。3) 氟化物晶體：氟化鈣CaF2、氟化鋇BaF 玻璃：硅酸鹽、硼酸鹽、磷酸鹽玻璃 （有高的機械強度、高的導熱特性） 參雜材料：稀土元素（Nd3+，Er3+，Ho3+，Sm2+，Er2+） 過渡金屬（Cr3+，Ni3+）,5,固體激光器的特點,能量大，峰值功率高 結構緊湊、牢固耐用 連續(xù)輸出功率不如氣體激光器,6,3、半導體激光器,工作物質：半導體材料如砷化鎵(GaAs)、硫化鎘(CdS)、碲錫鉛(PbSnTe) 特點：體積小、效率高、結構簡單、成本低 應用：光纖通訊、光盤、準直、顯示等,7,4、液體激光器,分類：有機化合物液體激光器(染料激光器) 無機化合物液體激光器(無機液體激光器) 特點：波長可調諧，調諧范圍廣 可產生極短的超短脈沖(10-15s) 可獲得窄的譜線寬度(10-5-10-6nm),8,5、化學激光器,利用化學反應建立粒子數反轉：氟化氫(HF)、氟化氘(DF)激光器 特點：無需外加電源或光源 高功率輸出 應用：軍事領域,9,6、自由電子激光器,利用電子運動的動能轉換為激光輻射 特點：波長連續(xù)調諧范圍寬，毫米波至X射線；轉換效率高(50%),10,二、 固體激光器,固體激光工作物質 泵浦光源 聚光腔 諧振腔 冷卻,11,一）、一般固體激光器,1960-5-17，Ted Maiman 發(fā)明第一臺激光器,1、紅寶石激光器,12,紅寶石激光器,13,紅寶石激光器,激光材料：Al2O3 +0.01%…0.5% Cr3+,三能級系統(tǒng),2E能級分解成二個能級：2A、E，△E=29cm-1 輻射波長：694.3nm和692.9nm,2A和E能級上的粒子數由波爾茲曼分布確定,激光振蕩時只有694.3nm的激光輸出,14,紅寶石熒光具有偏振特性,紅寶石熒光的偏振特性,圖5.3,15,紅寶石的溫度特性,紅寶石的熒光線寬、波長、熒光效率等與溫度有關,圖5.4,16,紅寶石激光器特性,脈沖光源泵浦 波長：694.3nm 脈沖寬度：~1ms 脈沖能量：100J 脈沖頻率：幾Hz 電光效率：0.1%~1%,紅寶石激光器的缺點： 需要高能量的泵浦光源 較低的效率 冷卻困難，使輸出脈沖頻率不能太高 目前紅寶石激光器主要被YAG激光器所替代,17,2、YAG激光器,1）Nd-YAG激光器,激光材料：Y3Al5O12（釔鋁石榴石晶體）+ Nd3+(0.725%重量),Nd3+的吸收光譜： 525nm、584nm、750nm、805nm、870nm，帶寬約30nm 其中750nm、805nm吸收最強,18,圖5.5,激光器輸出的激光波長通常為1.064um，通過選頻方法可以實現其他頻率的輸出,四能級系統(tǒng),19,,Nd3+-YAG的溫度特性,圖5.6,熒光譜線寬度隨溫度升高而增大 波長隨溫度升高向長波移動,Nd-YAG在1.06um的躍遷界面比紅寶石694.3nm大35倍，因此Nd-YAG有較低閾值，適合于作連續(xù)激光器,20,Nd-YAG激光器的特性,連續(xù)或脈沖工作方式 脈沖頻率：10-100Hz 連續(xù)功率輸出：10-100w 脈沖輸出功率：50mJ—10J 波長: 1.06um，采用非線性晶體倍頻，可實現 二倍頻：532nm 三倍頻：355nm 四倍頻：266nm,21,2）Er3+-YAG激光器,五個吸收帶：0.38um、0.52um、0.65um、0.79um、1.5um,圖5.7,能級壽命4I11/2 為0.1ms 4I13/2 為2ms 由于下能級壽命大于上能級壽命，容易造成下能級粒子數積累，較難連續(xù)振蕩，適合脈沖 Er3+-YAG激光器的泵浦效率較低 激光波長2.94um為人體組織的吸收波長，在激光外科及血管外科上有較大應用前景，,有6個激光亞穩(wěn)能級，11個躍遷通道，波長范圍寬,22,3、釹玻璃激光器,釹玻璃是把Nd2O3摻入到光學玻璃中（硅酸鹽、磷酸鹽等）制成的。 Nd2O3的參入濃度為1-5%(重量),釹玻璃的吸收光譜與YAG相似，但吸收帶較寬,23,釹玻璃有三個熒光譜線：0.92um、1.06um、1.37um 通常實現振蕩的波長：1.06um，譜寬5-10nm，單色性較差，譜寬和激勵能量有關,圖5.9,圖5.10,四能級系統(tǒng),24,釹玻璃激光器的特點： 1、玻璃制備工藝成熟，尺寸形狀可自由變化 2、熒光壽命長，有利于儲存能量，提高激光輸出 3、線寬較寬，有利于制作超短脈沖鎖模器件 缺點： 導熱差，熱膨脹系數大，不適于連續(xù)或高重復頻率工作,25,二）、板條激光器,工作物質的形狀為板狀的激光器（Slab Geometry Laser，SGL），或稱為全內反射面泵浦激光器（total internal reflection- face pumped lasers ， TIR-FPL ）,1、工作原理,26,板狀介質的光學質量和加工精度 實現均勻的面泵浦 冷卻方式,板條的主要技術問題,圖5.12,27,結構的改進,28,三）、摻雜光纖激光器,光纖激光器（FL）的種類： 1）晶體光纖激光器 2）摻雜光纖激光器 3）非線性光學效應光纖激光器,光纖的纖芯很小，纖內容易形成高功率密度；激光與泵光可充分耦合，因此轉換效率高，激光閥值低；激光模式好 輸出的激光譜線多，熒光譜線的線寬很寬，易于調諧 光纖的柔繞性很好，易散熱，熱特性優(yōu)于塊狀固體激光器,光纖激光器的特點：,29,摻雜光纖激光器,圖5.20,摻Nd和摻Er光纖激光器能級圖,摻Nd：0.9um三能級，1.06、1.35um四能級 摻Er：三能級,可用0.8um的半導體激光器泵浦,應用：光纖通訊,30,四）、摻鈦藍寶石激光器,摻雜過度金屬離子激光器，固體可調諧激光器，600-1100nm,偏振吸收光譜,Ti3+-Al2O3結構,31,發(fā)射光譜,殘余紅外吸收光譜,32,33,摻鈦藍寶石激光器的結構,脈沖激光泵浦的摻鈦藍寶石激光器,泵浦光為P偏振光 雙晶體，消除色散,34,連續(xù)波摻鈦藍寶石激光器,35,固體激光器的常用光泵浦方式,五）、LD泵浦的固體激光器,36,LD泵浦方式,優(yōu)點：泵浦效率高,端面泵浦,37,側泵方式與一般的閃光燈橫向泵浦相似，對諧振腔反射鏡和棒端面的研磨質量要求低一些。一般泵浦效率低，容易形成多模振蕩，但可獲得較高的輸出功率。,側面泵浦,38,三、 氣體激光器,氣體激光器,,原子激光器 （氦氖激光器),分子激光器 ( 激光器）,離子激光器 （氬離子激光器）,發(fā)射的譜線波長范圍寬 氣體工作物質均勻性好，輸出光束質量較高 容易實現大功率連續(xù)輸出 轉換效率高、工作物質豐富、結構簡單等特點,特點,39,一）、氦-氖激光器,屬于原子激光器類，能產生許多可見光與紅外光的激光譜線，多采用連續(xù)工作方式 輸出功率與放電毛細管的長度有關 輸出的激光方向性好、單色性好、輸出功率和波長可控制得很穩(wěn)定,He-Ne激光器的結構,40,電激勵： 電子碰撞 He+e-?He *+e- Ne+e-?Ne *+e- （極少量） 共振轉移 He *+Ne ?He +Ne*??E Ne原子的不同激發(fā)態(tài)之間躍遷產生發(fā)光,He-Ne激光器原理,四能級工作系統(tǒng),He-Ne激光器采用毛細管，用于增大管壁效應，排空低能級離子。,41,0.6328微米和3.39微米兩種振蕩具有同一上能級，因此它們之間存在較強的譜線競爭。,3P壽命比2P短，3.39um更能形成粒子數反轉 3.39um增益更大 （增益正比于波長平房） 因此3.39um更容易形成振蕩,使用玻璃材料的布儒斯特窗 給腔鏡鍍多層介質膜，使其對0.6328微米有最大的反射率 對較長的激光器，腔內加色散棱鏡或放置甲烷吸收盒,解決方法：,42,He-Ne激光器常用結構,43,He-Ne激光器的工作參數,工作電壓: 幾百到幾千伏 最佳工作電流： I=70d (mA) d為放電管直徑(cm) 混合氣體氣壓比: PHe: PNe=5:1~9:1 最佳工作氣壓: Pd=440~533(Pa·mm) 單程小信號增益: G=3×10-4l/d，l為放電管長度 飽和增益: Is=2+(1.6/d)+(0.19/d2) (mW/cm2) 輸出功率(單模): P=3π × 10-2ld Isφ Is飽和光強， φ激發(fā)參數 發(fā)散角: θ = λ/π ω 0 ω 0束腰半徑 平凹腔： θ = (λ/π L)1/2[1/(T-1)]1/4 , T=R/L L腔長，R凹鏡曲率半徑,44,二）、CO2激光器,分子氣體激光器 1965年貝爾實驗室 目前效率最高：20%-25% 輸出功率最大，數十萬瓦(連續(xù))，1012瓦（脈沖） 波長9-11um，大氣窗口，典型10.6um 激光器內：CO2:N2:He=1:1:8,45,CO2的振動及能級,振動能級用v1、v2、v3的量子數來表示 如000，001 由于v2有二個振動方向：平行紙面或垂直紙面，合成振動為圓周運動，其角動量為量子化，取為l 能級表示為 v1v2lv3,46,激光器中與躍遷有關的能級是由 分子和 分子的電子基態(tài)的低振動能級構成的。四能級系統(tǒng),47,激光器的工作原理,輸出激光主要發(fā)生在 過程中。 如何將粒子泵浦到激光上能級： （1）電子碰撞激發(fā) （2）分子的共振能量轉移,0110能級壽命較長，影響激光振蕩 利用He分子和010能級上的CO2分子碰撞，可以降低010能級的壽命，有利于抽空CO2分子的激光下能級。,轉動能級： CO2分子的轉動使得振動能級分裂成很多子能級，因此CO2激光器的輸出波長較豐富。，如10.57um，10.59um，10.61um，10.63um等,49,CO2激光器的結構,50,51,CO2激光器的一些工作參數,氣體的混合比 CO2:N2:He:Xe:H2=1:1.5:8:0.3:0.05 He—降低工作氣體溫度、加速CO2下能級馳豫 工作氣壓: Pd=4400 (Pa·mm) 最佳工作電流： 20mA 工作電壓: 20kV 小信號增益: G=(0.012~0.0025)d (cm) 飽和增益: Is=72/d2 (W/cm2) 輸出功率: P=14.4 π(I0/ Is) Io---激光腔內振蕩光強，Is---飽 和光強,52,性能與參數 1. 可見光輸出功率最大，幾百瓦 2. 小的轉換效率：0.1% 3. 發(fā)熱較大，需要水冷 4. 波長：488.8m、514.5nm 應用：DNA排序，全息，測量、視網膜固定,三）、氬離子激光器,53,2、電子和Ar碰撞直接把Ar電離并激發(fā)到高能態(tài)，稱一步過程,3、Ar+被激發(fā)到3p4s和3p4d上，然后輻射躍遷到上能級3p44p上，稱為串激躍遷,Ar離子激光器采用低氣壓、大電流的激發(fā)工作方式，屬于弧光放電,激發(fā)機理： 1、電子與Ar碰撞變?yōu)锳r+，Ar+再與電子碰撞變?yōu)楦吣軕B(tài)Ar+，稱二步過程,54,圖5.34 5.35,主要的輻射光譜：488nm和514.5nm,55,氬離子激光器的結構,1 石墨陽極 2 石墨片 3 石英環(huán) 4 冷水套 5 放電毛細管 6 陰極 7保熱屏 8 加熱燈絲 9 布氏窗 10 磁場 11 儲氣罐 12 電磁真空充氣閥 13 鎮(zhèn)氣瓶 14 波紋管 15 氣壓監(jiān)測器,56,氬離子激光器還需要加軸向磁場(幾百到一千高斯)，使離子趨向于毛細管中心，防止對管壁的碰撞,輸出功率和放電電流關系,57,四）、準分子激光器,Excimer = exited + dimer(二聚物) 準分子是由一個惰性氣體原子和一個鹵素氣體原子在激發(fā)態(tài)下構成的一個結構穩(wěn)定的分子，或者是同核的二聚物 在基態(tài)時準分子還原成獨立的自由原子 準分子形成過程：XeF* e+Ar ?Ar*+e Ar*+Xe ?Ar+Xe* Xe*+NF3 ?XeF*+NF2,58,R:noble gas atom H:halogen,準分子激光器能級,59,準分子激光器的波長,60,準分子激光器的結構,61,紫外光激光輸出 高效率 體積小、安裝操作方便 只能產生脈沖激光，脈沖皮秒到微秒 氣壓：1-5大氣壓 可用于切割、刻字、以及外科手術，如眼睛的矯形等,準分子激光器性能,62,四、 半導體激光器,1、光纖通信中的光源 ?將電信號轉換為光信號； ?有兩種：半導體激光二極管（LD）； 半導體發(fā)光二極管（LED）； ?要求：發(fā)射波長與光纖低損耗和低色散波長一致； 在室穩(wěn)下連續(xù)工作，低功耗，譜線窄； 體積小，重量輕，使用壽命長； 制造工藝簡單，成本低，可靠性高；,63,2、半導體中光的發(fā)射和激射原理,?原子的能級結構： 電子的量子化：能量是離散值； 原子的能級：分立的能量值； 基態(tài)（穩(wěn)態(tài)）：原子能量最低； 激發(fā)態(tài)：原子能量比基態(tài)高； ?半導體價帶、導帶、帶隙： 能級：分立的能量級； 能帶：單晶中各個原子的最外層軌道相互重疊； 價帶：與原子最外層軌道的價電子對應的能帶； 導帶：價帶上面的能帶； 帶隙：導帶底Ec與價帶頂Ev之差Eg；（禁帶寬度）,64,2、半導體中光的發(fā)射和激射原理(續(xù)）,?導體的Eg?半導體Eg?導體Eg=0； ?價帶中電子激發(fā)至導帶，留下空穴；臨近電子填補這個空穴，又留下另一個空穴；空穴產生位移；(統(tǒng)稱載流子） ?導帶中電子躍遷至價帶，填補空穴，既復合； ?電子（-）、空穴（+）稱為載流子； ?激發(fā)時電子吸收能量，躍遷時電子輻射能量； Eg=h?,65,2、半導體中光的發(fā)射和激射原理(續(xù)）,?本征半導體（I型）：雜質、缺陷極少的純凈、完整的半導體。 ?電子半導體（N型）：通過摻雜使電子數目大大地多于空穴數目的半導體。（GaAs-Te） ?空穴半導體（P型）：通過摻雜使空穴數目大大地多于電子數目的半導體。（GaAs-Zn） ?在純凈的Ⅲ-Ⅴ族化合物中摻雜Ⅵ族元素（N型），或摻雜Ⅱ族元素（P型）,66,2、半導體中光的發(fā)射和激射原理(續(xù)）,?p-n結：P型半導體和N型半導體結合的界面。,67,2、半導體中光的發(fā)射和激射原理(續(xù)）,?擴散運動→空間電荷勢壘→自建電場VD→平衡狀態(tài)。 ?費米能級Ef：描述電子能量狀態(tài)分布的假象能級， Ef以下的能級，電子占據的可能性大于1/2，空穴占據的可能性小于1/2； Ef以上的能級，空穴占據的可能性大于1/2，電子占據的可能性小于1/2。 ?摻雜：eVD?Eg為輕摻雜， eVD?Eg為重摻雜。 ?在平衡狀態(tài)下，P區(qū)和N區(qū)有統(tǒng)一的Ef。 ?正電壓向V→漂移運動→抵消一部分勢壘（V-VD） →破壞平衡→ P區(qū)和N區(qū)的Ef分離（準費米能級）。,68,2、半導體中光的發(fā)射和激射原理(續(xù)）,?(Ef)N以下的能級，電子占據的可能性大于1/2， (Ef)P以上的能級，空穴占據的可能性大于1/2。 ?當正向電壓足夠大時，產生復合發(fā)光。,69,2、半導體中光的發(fā)射和激射原理(續(xù)）,?普朗克定律：基態(tài)到激發(fā)態(tài)的躍遷—吸收一個光子，激發(fā)態(tài)到基態(tài)的躍遷—發(fā)射一個光子，光子的能量為h?=E2-E1。 ?吸收激發(fā)：E1基態(tài)的電子吸收光子能量，激發(fā)到高能態(tài)E2； ?自發(fā)輻射：E2能態(tài)的電子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，自發(fā)返回基態(tài)E1，自發(fā)輻射一個光子（位相隨機）。 ?受激輻射：E2能態(tài)的電子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，向下進入亞穩(wěn)態(tài)，外來光子會激勵電子向下躍遷到基態(tài)E1，受激輻射一個光子（位相相同）。,70,2、半導體中光的發(fā)射和激射原理(續(xù)）,?粒子數反轉（光放大的必要條件）：僅當激發(fā)態(tài)的電子數大于基態(tài)中的電子數時，受激輻射超過吸收，要利用“泵浦（激勵）”方法。 ?有源區(qū)：實現粒子數反轉，對光具有放大作用的區(qū)域。 ?光學諧振腔： 自發(fā)輻射光子 夾角大的逸出 受激輻射光子 全同光子,71,2、半導體中光的發(fā)射和激射原理(續(xù)）,72,2、半導體中光的發(fā)射和激射原理(續(xù)）,?諧振腔的三功能：光放大、頻率選擇、正反饋。 ?閾值條件：增益必須大于損耗； ?相位平衡條件：光波能因干涉而得到加強以形成正反饋（駐波）； fq 諧振頻率， ?q 諧振波長， q 縱模,73,2、半導體中光的發(fā)射和激射原理(續(xù)）,?頻帶加寬：增益介質的增益-頻率特性；,74,2、半導體中光的發(fā)射和激射原理(續(xù)）,?橫模TEMmn ：激光振蕩垂直于腔軸方向，平面波偏離軸向傳播時產生的橫向電磁場模式。,75,3、半導體發(fā)光二極管LED,?利用半導體p-n結自發(fā)發(fā)光的器件。 ?特點：溫度特性好，輸出線性較好，沒有模式色散，驅動電路簡單，壽命長。,76,3、半導體發(fā)光二極管LED(續(xù)）,?面發(fā)光二極管,77,3、半導體發(fā)光二極管LED(續(xù)）,?邊發(fā)光二極管,78,3、半導體發(fā)光二極管LED(續(xù)）,?技術參數： 1.3?m LED,79,4、半導體激光二極管LD,?同質結與異質結：,80,4、半導體激光二極管LD(續(xù)）,?窄條雙質結激光二極管：,81,4、半導體激光二極管LD(續(xù)）,82,4、半導體激光二極管LD(續(xù)）,?管芯制作工藝：InGaAsP雙異質結,83,4、半導體激光二極管LD(續(xù)）,?半導體激光器的特性：雙異質結InGaAsP,84,4、半導體激光二極管LD(續(xù)）,?輸出光束示意圖： ①兩異質結-駐波-垂直橫模 ②平行有源層-駐波-水平橫模 ③兩個反射面-駐波-縱模 ?模式控制：,85,4、半導體激光二極管LD(續(xù)）,?隱埋異質結（BH）：,86,4、半導體激光二極管LD(續(xù)）,?平面隱埋異質結（PBH）：,87,4、半導體激光二極管LD(續(xù)）,?雙溝平面隱埋異質結（DC-BH）：,88,4、半導體激光二極管LD(續(xù)）,?脊型波導（RW）：,89,4、半導體激光二極管LD(續(xù)）,?光源與光纖的耦合：,90,4、半導體激光二極管LD(續(xù)）,?光耦合透鏡系統(tǒng)：,91,4、半導體激光二極管LD(續(xù)）,?激光器封裝的目的： ⑴隔絕環(huán)境，避免損害，保證清潔； ⑵為器件提供合適的外引線； ⑶提高機械強度，抵抗惡劣環(huán)境； ⑷提高光學性能； ?封裝器件的主要要求： ⑴氣密性好，保證管芯與外界隔絕； ⑵結構牢固可靠，部件位置穩(wěn)定，經受住各種環(huán)境； ⑶熱性能好，化學性能穩(wěn)定，抗溫度循環(huán)沖擊； ⑷可焊性好，工藝性好，有拉力強度； ⑸符合標準，系列化，成本低，適合批量生產。,92,4、半導體激光二極管LD(續(xù)）,?同軸激光器的封裝：,93,4、半導體激光二極管LD(續(xù)）,?插拔式同軸封裝：,94,4、半導體激光二極管LD(續(xù)）,?尾纖式同軸封裝：,95,4、半導體激光二極管LD(續(xù)）,?14針雙列直插式封裝：,96,4、半導體激光二極管LD(續(xù)）,?蝶式封裝：,97,5、分布反饋激光二極管（DFB--LD）,?無集總式反射機構（F-P），由有源區(qū)波導上的Bragg光柵提供反射功能， ?原理：Bragg光柵周期?，發(fā)射波長滿足 2?=m?/n (m=0,1,2,……) 干涉增強方向 2?sin?=m?/n ?特點：單縱模特性好（邊模抑制比可達35dB以上） 窄線寬，波長選擇性好； 溫度特性好，波長溫度飄移為0.09nm/℃, 調制特性好，,98,5、分布反饋激光二極管（DFB--LD）,99,5、分布反饋激光二極管（DFB--LD）,?分布Bragg反射器（DBR）激光二極管,100,5、分布反饋激光二極管（DFB--LD）,?超結構光柵DBR可調諧激光二極管,101,6、量子阱半導體激光器,?有源層尺寸極小→有源層與兩邊相鄰層的能帶不連續(xù)→導代和價帶的突變→勢能阱→量子阱效應,102,6、量子阱半導體激光器,103,6、量子阱半導體激光器,104,7、半導體激光器組件,105,8、半導體激光器特性與檢測,106,8、半導體激光器特性與檢測,107,8、半導體激光器特性與檢測,108,8、半導體激光器特性與檢測,109,8、半導體激光器特性與檢測,110,8、半導體激光器特性與檢測,111,謝 謝！,