《典型激光器》PPT課件

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1、第 三 章 典 型 激 光 器任 課 教 師 ： 左 青 卉 光 電 子 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 第 三 章 典 型 激 光 器（ 1） 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 ；（ 2） 按 運 轉(zhuǎn) 方 式 分 類連 續(xù) 激 光 器 ； 脈 沖 激 光 器 ； 超 短 脈 沖 激 光 器 ； （ 3） 按 工 作 物 質(zhì) 分 類固 體 激 光 器 ； 氣 體 激 光 器 ； 染 料 激 光 器 ； 半 導(dǎo) 體 激 光 器 ；激 光 器 分 類 第 三 章 典 型 激 光 器激 光 器 分

2、 類 固 體 激 光 器 的 基 本 結(jié) 構(gòu) 與 工 作 物 質(zhì)固 體 激 光 器 基 本 結(jié) 構(gòu)由 工 作 物 質(zhì) 、 泵 浦 系 統(tǒng) 、 諧 振 腔 和 冷 卻 、 濾 光 系 統(tǒng) 構(gòu) 成 的 圖 3-1 固 體 激 光 器 的 基 本 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 3.1 固 體 激 光 器 圖 3-2 長 脈 沖 固 體 激 光 器 的 基 本 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖(冷 卻 、 濾 光 系 統(tǒng) 未 畫 出 )。 紅 寶 石 激 光 器化 學(xué) 表 示 式 為 Cr3+: Al203， 激 活 離 子 是 Cr3+， 基 質(zhì) 是 A12O3晶 體 (剛 玉 )；紅 寶 石 屬 六 方 晶 系 ， 是

3、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 。 摻 入 Cr2O3的 最 佳 量 一 般在 0.05%(重 量 比 )左 右 。 3.1 固 體 激 光 器激 光 工 作 物 質(zhì) -紅 寶 石 晶 體 紅 寶 石 的 光 譜 特 性 主 要 取 決 于 Cr3+。 原 子 Cr的 外 層電 子 組 態(tài) 為 3d54s1， 摻 入 Al2O3后 失 去 外 層 三 個 電 子成 為 Cr3+， Cr3+的 最 外 層 電 子 組 態(tài) 為 3d3。 紅 寶 石 的光 譜 特 性 就 是

4、Cr3+的 3d殼 層 上 三 個 電 子 發(fā) 生 躍 遷 的結(jié) 果 。 Cr3+在 很 強 的 晶 格 場 作 用 下 ， 呈 現(xiàn) 出 復(fù) 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) 。3.1 固 體 激 光 器紅 寶 石 激 光 器 圖 3-3 紅 寶 石 中 鉻 離 子 的 能 級 結(jié) 構(gòu)360nm510nm 694.3nm693.4nm如 圖 3-3所 示 ， 4A2是 基 態(tài) 又 是 激 光 下 能 級 ， 其 簡 并 度 g1=4， 2E是 亞 穩(wěn) 態(tài)

5、 ， 它 是由 能 量 差 為 29cm-1的 2A和 E二 能 級 組 成 ， 其 簡 并 度 都 為 2。 4F1和 4F2是 兩 個 吸 收能 帶 。 紅 寶 石 有 兩 條 強 熒 光 譜 線 (R1和 R2線 )， 室 溫 下 對 應(yīng) 的 中 心 波 長 分 別 為694.3nm和 693.4nm。 通 常 紅 寶 石 激 光 器 中 只 有 694.3nm線 才 能 形 成 激 光 輸 出 。 紅 寶 石 的 吸 收 光 譜 如 圖 3-4所 示 。 由4A2向 4F1躍 遷 吸 收 紫 藍 光 ， 峰 值 波 長在 0.36um附 近 ， 稱 為 紫 外 帶 或 U帶 。由 4A

6、2向 4F2躍 遷 吸 收 黃 綠 光 ， 峰 值 波長 在 0.51m附 近 ， 稱 為 黃 綠 帶 或 Y帶 。 這 是 兩 個 很 強 很 寬 的 吸 收 譜 帶 ，吸 收 帶 寬 均 約 0.1um左 右 。 圖 3-4 紅 寶 石 中 鉻 離 子 的 吸 收 光 譜3.1 固 體 激 光 器紅 寶 石 激 光 器由 于 紅 寶 石 晶 體 的 各 向 異 性 ， 它 的 吸 收 特 性 與 光 的 偏 振 狀 態(tài) 有 關(guān) 。 在 入 射 光的 振 動 方 向 與 晶 體 光 軸 C相 垂 直 或 平 行 這 兩 種 情 況 下 ， 其 吸 收 曲 線 略 有 差別 ， 見 圖 3-4

7、。 3.1 固 體 激 光 器紅 寶 石 激 光 器機 械 強 度 高 ， 能 承 受 很 高 的 激 光 功 率 密 度 ； 容 易 生 長 成 較 大 尺 寸 ； 亞 穩(wěn) 態(tài)壽 命 長 ， 儲 能 大 ， 可 得 到 大 能 量 輸 出 ； 熒 光 譜 線 較 寬 ， 容 易 獲 得 大 能 量 的單 模 輸 出 ； 低 溫 性 能 良 好 ， 可 得 到 連 續(xù) 輸 出 ； 紅 寶 石 激 光 器 輸 出 的 紅 光 (694.3nm)， 不 僅 能 為 人 眼 可 見 ， 而 且 很 容 易 被 探 測 接 收 (目 前 大 多 數(shù) 光 電元 件 和 照 相 乳 膠 對 紅 光 的 感

8、 應(yīng) 靈 敏 度 較 高 )。缺 點閾 值 高 (因 是 三 能 級 )和 性 能 易 隨 溫 度 變 化 。優(yōu) 點 Nd3+:YAG的 激 活 離 子 為 Nd3+， 基 質(zhì) 是 YAG晶 體 (釔 鋁 石 榴 石 晶 體 Y3Al5O12)。Nd3+部 分 取 代 YAG中 的 Y3+即 成 為 Nd3+:YAG。 一 般 含 Nd3+量 為 1%原 子 比 ，此 時 Nd3+的 密 度 為 1.38 1020cm-3， 顏 色 為 淡 紫 色 。 實 際 制 備 時 是 將 一 定 比例 的 A1203、 Y2O3和 Nd2O3在 單 晶 爐 中 熔 化 結(jié) 晶 而 成 。 Nd3+:Y

9、AG屬 立 方 晶系 ， 是 各 向 同 性 晶 體 。摻 釹 釔 鋁 石 榴 石 (Nd3+： YAG) 3.1 固 體 激 光 器激 光 工 作 物 質(zhì) -摻 釹 釔 鋁 石 榴 石 能 級 結(jié) 構(gòu)摻 釹 釔 鋁 石 榴 石 (Nd3+： YAG) 3.1 固 體 激 光 器屬 于 四 能 級 系 統(tǒng) 。 激 光 上 能 級 是 4F3/2， 激 光下 能 級 為 4I11/2， 基 態(tài) 為 4I9/2， 其 主 要 吸 收 峰為 0.81 m和 0.75 m ， 4F3/2 是 一 個 亞 穩(wěn) 態(tài) 。1.06 m比 1.35 m的 熒 光 約 強 四 倍 ， 1.06 m的 譜 線 先

10、起 振 ， 進 而 抑 制 1.35 m譜 線 起 振 ,所 以 Nd3+:YAG激 光 器 通 常 只 產(chǎn) 生 1.06 m激光 。 只 有 采 取 選 頻 措 施 ， 才 能 實 現(xiàn) 1.35 m波長 的 激 光 振 蕩 。 圖 3-5 Nd3 :YAG 的 能 級 結(jié) 構(gòu) 4F5/24F7/20.81 m0.87m 0.75m 摻 釹 釔 鋁 石 榴 石 激 光 器 的 激 活 粒 子 是 釹 離 子 (Nd3 )， 其 吸 收 光 譜 如 圖 (3-6)所 示 。圖 3-6 Nd 3 :YAG 晶 體 的 吸 收 光 譜 摻 釹 釔 鋁 石 榴 石 (Nd3+： YAG) 3.1 固

11、體 激 光 器 釹 玻 璃 是 在 光 學(xué) 玻 璃 中 摻 入 適 量 的 Nd2O3制 成 的 。 最 佳 摻 入 Nd2O3量為 1%-5%重 量 比 。 對 應(yīng) 3%的 摻 入 量 ,Nd3+的 濃 度 為 3 1020/cm3。Nd3+在 硅 酸 鹽 、 棚 酸 鹽 和 磷 酸 鹽 玻 璃 系 統(tǒng) 用 得 最 多 。玻 璃 的 制 備 工 藝 比 較 成 熟 ， 易 獲 得 良 爭 好 的 光 學(xué) 均 勻 性 ,玻 璃 的 形 狀和 尺 寸 也 有 較 大 的 可 塑 性 。 大 的 釹 玻 璃 棒 長 可 達 1-2m， 直 徑 30-100mm， 可 用 來 制 成 特 大 能 量

12、 的 激 光 器 。 小 的 可 以 做 成 直 徑 僅 幾微 米 的 玻 璃 纖 維 ， 用 于 集 成 光 路 中 的 光 放 大 或 振 蕩 。釹 玻 璃 最 大 的 缺 點 是 導(dǎo) 熱 率 太 低 ， 熱 脹 系 數(shù) 太 大 ， 因 此 不 適 于 作 連 續(xù)器 件 和 高 頻 運 轉(zhuǎn) 的 器 件 ， 且 在 應(yīng) 用 時 要 特 別 注 意 防 止 自 身 破 壞 。3.1 固 體 激 光 器釹 玻 璃 激 光 器 E4:含 三 個 吸 收 帶 (抽 運 能 帶 ) 2/52G 2/92F 2/74F (中 心 波 長 5900A)(中 心 波 長 7500A)(中 心 波 長 800

13、0A)E3:三 條 激 光 譜 線 公 共 的 激 光 上 能 級 2/34FE2: 含 二 條 激 光 譜 線 的 二 個 激 光 下 能 級(四 能 級 系 統(tǒng) ), 即2/314I 2/34F 2/314I( ， 對 應(yīng) 1.4m譜 線 ）2/114I ( ， 對 應(yīng) 1.06m譜 線 ）2/34F 2/114I 圖 3-7 釹 玻 璃 的 能 級 結(jié) 構(gòu) 和 躍 遷 光 譜 E1:基 態(tài) ， 一 條 激 光 譜 線 的 激 光 下 能 級 (三 能 級系 統(tǒng) ): ( 對 應(yīng) 0.9 m譜 線 )2/94I 2/34F 2/94I 3.1 固 體 激 光 器釹 玻 璃 激 光 器 躍

14、遷 譜 線 : 1.06 m:四 能 級 系 統(tǒng) , 躍 遷 幾 率 大 , 通 常 可 觀 察 到 ; 1.4 m: 四 能 級 系 統(tǒng) , 躍 遷 幾 率 較 小 , 不 一 定 可 觀 察 到 ; 0.9 m:三 能 級 系 統(tǒng) , 難 實 現(xiàn) 粒 子 數(shù) 反 轉(zhuǎn) , 一 般 不 出 現(xiàn) .釹 玻 璃 激 光 器 采 用 四 能 級 系 統(tǒng) ， 發(fā) 射 的 波 長 是 1.06m。3.1 固 體 激 光 器釹 玻 璃 激 光 器 3.2 氣 體 激 光 器氦 -氖 (He-Ne)激 光 器He-Ne激 光 器 結(jié) 構(gòu)由 激 光 管 和 激 光 電 源 組 成 。 激 光 管 由 放 電

15、管 、 電 極 和 光 學(xué) 諧 振 腔 組 成 。放 電 管 是 氦 一 氖 激 光 器 的 心 臟 ， 是 產(chǎn) 生 激 光 的 地 方 。 放 電 管 通 常 由 毛 細 管 和 貯氣 室 構(gòu) 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(chǎn) 生 粒 子 數(shù) 反 轉(zhuǎn) 。 貯 氣 室與 毛 細 管 相 連 ， 這 里 不 發(fā) 生 氣 體 放 電 ， 它 的 作 用 是 補 償 因 慢 漏 氣 及 管 內(nèi) 元 件 放 氣 或 吸 附

16、氣 體 造 成 He， Ne氣 體 比 例 及 總 氣 壓 發(fā) 生 的 變 化 ， 延 長 器 件 的 壽 命 。放 電 管 一 般 是 用 GG17玻 璃 制 成 。 輸 出 功 率 和 波 長 要 求 穩(wěn) 定 性 好 的 器 件 可 用 熱脹 系 數(shù) 小 的 石 英 玻 璃 制 作 。 激 光 管 的 陽 極 一 般 用 鎢 棒 制 成 ， 陰 極 多 用 電 子 發(fā) 射率 高 和 濺 射 率 小 的 鋁 及 其 合 金 制 成 。 為 了 增 加 電 子 發(fā) 射 面 積 和 減 小 陰 極 濺 射 ，一 般 都 把 陰 極 做 成 圓 筒 狀 ， 然 后 用 鎢 棒 引 到 管 外 。

17、氣 體 激 光 器氦 氖 激 光 器 氣 體 激 光 器氦 氖 激 光 器 氣 體 激 光 器 3.2 氣 體 激 光 器 圖 3-8 He-Ne激 光 器 的 基 本 結(jié) 構(gòu) 形 式 He-Ne激 光 器 由 于 增 益 低 ， 諧 振 腔 一 般 用 平 凹 腔 ， 平 面 鏡 為 輸 出 端 ， 透 過 率 約1% 2 ， 凹 面 鏡 為 全 反 射 鏡 。 He-Ne激 光 管 的 結(jié) 構(gòu) 形 式 是 多 種 多 樣 的 ， 按 諧振 腔 與 放 電 管 的 放 置 方 式 不 同 可 分 內(nèi) 腔 式 、 外 腔 式 和 半 內(nèi) 腔 式 。 氦 -氖 (He-Ne)激 光 器 優(yōu) 點

18、是 使 用 時 不 必 進 行 調(diào) 整 ， 非 常 方 便 ， 陰 極 與 毛 細 管 同 軸 放 置 ， 其 結(jié)構(gòu) 緊 湊 、 不 易 碎 裂 ， 安 裝 方 便 。 缺 點 是 在 工 作 過 程 中 放 電 管 受 熱 變 形時 ， 諧 振 腔 反 射 鏡 會 偏 離 相 互 平 行 位 置 ， 造 成 器 件 損 耗 增 加 ， 輸 出 下 降 。激 光 管 越 長 ， 其 熱 穩(wěn) 定 性 越 差 ， 所 以 內(nèi) 腔 式 激 光 管 的 長 度 一 般 不 超 過 一米 。 而 且 當 諧 振 腔 反 射 鏡 損 壞 后 ， 不 易 更 換 ， 反 射 鏡 內(nèi) 表 面 污 染 后 也

19、無法 清 除 。 并 且 由 于 陰 極 放 在 放 電 管 內(nèi) ， 陰 極 濺 射 物 質(zhì) 易 污 染 窗 片 ， 使 用壽 命 低 ， 同 時 由 于 陰 極 大 量 發(fā) 射 電 子 ， 陰 極 區(qū) 易 發(fā) 熱 ， 使 同 軸 式 激 光 管功 率 的 穩(wěn) 定 性 不 如 旁 軸 式 。內(nèi) 腔 式 He-Ne激 光 器 3.2 氣 體 激 光 器氦 -氖 (He-Ne)激 光 器 優(yōu) 點 是 這 種 激 光 器 的 諧 振 腔 反 射 鏡 與 放 電 管 是 分 離 ， 可 增 加 儲 氣 量 。 同 時濺 射 物 質(zhì) 不 易 污 染 窗 片 ， 所 以 壽 命 比 同 軸 式 長 ， 放

20、 電 管 的 熱 變 形 對 諧 振 腔影 響 較 小 ， 加 之 諧 振 腔 可 以 調(diào) 整 ， 所 以 長 期 使 用 中 能 保 持 穩(wěn) 定 輸 出 。 放 電管 的 兩 端 貼 有 布 儒 斯 特 窗 片 ， 還 可 使 激 光 得 到 線 偏 振 的 激 光 輸 出 。 缺 點 是由 于 反 射 鏡 與 放 電 管 相 分 離 ， 相 對 位 置 易 改 變 ， 需 要 經(jīng) 常 調(diào) 整 ， 使 用 不 方便 ， 體 積 大 ， 安 裝 使 用 不 方 便 ， 易 破 碎 。外 腔 式 He-Ne激 光 器 3.2 氣 體 激 光 器氦 -氖 (He-Ne)激 光 器 He-Ne激 光

21、 器 的 工 作 氣 體 是 He和 Ne， 其 中 產(chǎn) 生 激光 躍 遷 的 是 Ne氣 。 Ne原 子 有 10個 電 子 ， 基 態(tài) 1S0 (電 子 分 布 為 1S22S22P6)。 激 發(fā) 態(tài) 為 1S、 2S、 3S、2P、 3P等 ， 它 們 對 應(yīng) 的 外 層 電 子 組 態(tài) 分 別 為2P53s、 2P54s、 2P55s、 2P53P、 2P54P。 He是 輔 助氣 體 ， 用 以 提 高 Ne原 子 的 泵 浦 速 率 。 如 圖 3-9所示 ， He原 子 有 兩 個 電 子 ， 沒 激 發(fā) 時 這 兩 個 原 子 都分 布 在 1S0殼 層 上 ， He原 子 處

22、 于 基 態(tài) 。 當 He原 子受 激 時 ， 使 其 中 一 個 電 子 從 1S激 發(fā) 到 2S， He原 子成 為 激 發(fā) 態(tài) 。 He原 子 有 兩 個 亞 穩(wěn) 態(tài) 能 級 ， 分 別記 為 2 3S1、 21S0。 圖 3-9 與 激 光 躍 遷 有 關(guān) 的 Ne原 子的 部 分 能 級 圖 氦 和 氖 原 子 的 能 級 圖 3.2 氣 體 激 光 器氦 -氖 (He-Ne)激 光 器 在 He-Ne激 光 器 中 ， 實 現(xiàn) 粒 子 數(shù) 反 轉(zhuǎn) 的 主 要 激 發(fā) 過 程 如 下 ：第 一 是 共 振 轉(zhuǎn) 移 。 由 能 級 圖 可 見 ， He原 子 的 21S0、 23S1態(tài)

23、 分 別 與 Ne原 子的 3S、 2S態(tài) 靠 得 很 近 ， 二 者 很 容 易 進 行 能 量 轉(zhuǎn) 移 ， 并 且 轉(zhuǎn) 移 幾 率 很 高 ，可 達 95%， 其 轉(zhuǎn) 移 過 程 如 下 ：He-Ne激 光 器 的 激 發(fā) 過 程 3.2 氣 體 激 光 器氦 -氖 (He-Ne)激 光 器 第 二 是 電 子 直 接 碰 撞 激 發(fā) 。 在 氣 體 放 電 過 程中 ， 基 態(tài) Ne原 子 與 具 有 一 定 動 能 的 電 子 進 行非 彈 性 碰 撞 ， 直 接 被 激 發(fā) 到 2S和 3S態(tài) ， 與 共振 轉(zhuǎn) 移 相 比 ， 這 種 過 程 激 發(fā) 的 速 率 要 小 得 多 。

24、第 三 是 串 級 躍 遷 ， Ne與 電 子 碰 撞 被 激 發(fā) 到更 高 能 態(tài) ， 然 后 再 躍 遷 到 2S和 3S態(tài) ， 與 前述 兩 過 程 相 比 ， 此 過 程 貢 獻 最 小 。 圖 3-9 與 激 光 躍 遷 有 關(guān) 的 Ne原 子的 部 分 能 級 圖3.2 氣 體 激 光 器氦 -氖 (He-Ne)激 光 器He-Ne激 光 器 的 激 發(fā) 過 程 根 據(jù) 能 量 躍 遷 選 擇 定 則 ， Ne原 子 可 以 產(chǎn) 生 很 多 條 譜 線 ， 其 中 最 強 的 譜 線有 三 條 ， 即 0.6328 m 、 3.39 m和 1.15 m ， 對 應(yīng) 躍 遷 能 級

25、分 別 為3S22P4， 3S23P4和 2S22P4。 2P和 3P態(tài) ， 不 能 直 接 向 基 態(tài) 躍 遷 ， 而向 1S態(tài) 躍 遷 很 快 。 lS態(tài) 向 基 態(tài) 的 躍 遷 是 被 選 擇 定 則 禁 止 的 ， 不 能 自 發(fā) 地回 到 基 態(tài) ， 但 它 與 管 壁 碰 撞 時 ， 可 把 能 量 交 給 管 壁 ， 自 己 回 到 基 態(tài) 。 這就 是 為 什 么 HeNe激 光 器 中 要 有 一 根 內(nèi) 徑 較 細 的 放 電 管 的 原 因 。從 能 級 圖 可 見 ， HeNe激 光 器 是 典 型 的 四 能 級 系 統(tǒng) 。3.2 氣 體 激 光 器氦 -氖 (He-

26、Ne)激 光 器 He-Ne激 光 器 的 輸 出 特 性(1) 譜 線 競 爭 : He-Ne激 光 器 三 條 強 的 激 光 譜 線 ： 3S2P 0.6328m ， 2S2P 1.15m ， 3S3P 3.39m 中 哪 一 條 譜 線 起 振 完 全 取 決 于 諧 振 腔介 質(zhì) 膜 反 射 鏡 的 波 長 選 擇 。0.6328um和 3.39umm兩 條 激 光 譜 線 有 共 同 的 激 光 上 能 級 3S,而 后 者 增 益 系數(shù) 比 較 高 ， 如 果 不 進 行 抑 制 ,則 3.39um的 輻 射 在 腔 內(nèi) 振 蕩 過 程 中 將 消 耗 大量 的 3S2態(tài) 原 子

27、 。 抑 制 3.39um輻 射 的 辦 法 主 要 有 : 選 用 對 3.39um的 光 具 有 低 反 射 率 的 諧 振 腔 反 射 鏡 ， 使 3.39um達 不 到 閾值 條 件 ， 如 下 圖 所 示 ,在 腔 內(nèi) 加 色 散 棱 鏡 ， 將 兩 譜 線 分 開 ,通 過 調(diào) 整 諧 振 腔反 射 鏡 的 位 置 ， 只 允 許 0.6328um的 輻 射 起 振 ， 而 使 3.39um輻 射 偏 離 出 諧振 腔 外 ； 腔 內(nèi) 放 置 甲 烷 吸 收 盒 ， 因 為 甲 烷 對 3.39um的 光 具 有 強 吸 收 而 對0.6328um的 光 透 明 ， 因 此 可 用

28、 甲 烷 抑 制 3.39um振 蕩 ;3.2 氣 體 激 光 器氦 -氖 (He-Ne)激 光 器 外 加 非 均 勻 磁 場 也 能 抑 制 3.39um振 蕩 。 根 據(jù) 塞 曼 效 應(yīng) ， 磁 場 可 引起 譜 線 分 裂 ， 分 裂 的 大 小 與 磁 場 強 度 成 正 比 。 如 果 激 光 管 內(nèi) 磁 場 分布 不 均 勻 ， 則 各 處 譜 線 分 裂 程 度 不 同 并 連 成 一 片 ， 相 當 于 譜 線 變 寬 。300高 斯 非 均 勻 磁 場 中 ， 兩 譜 線 加 寬 均 約 900MHz， 0.6328umm原 譜線 半 寬 度 約 1500MHz， 非 均

29、勻 磁 場 對 它 展 寬 的 比 例 不 大 。 但 3.39um原 譜 線 寬 只 有 300MHz左 右 ,非 均 勻 磁 場 的 加 寬 比 它 大 幾 倍 。 由 于 增益 系 數(shù) 反 比 于 線 寬 ， 所 以 外 加 非 均 勻 磁 場 后 ， 3.39um的 增 益 系 數(shù) 急劇 下 降 ， 而 0.6328m的 增 益 系 數(shù) 卻 下 降 很 少 。 結(jié) 果 提 高 了0.63281um的 競 爭 能 力 ， 3.39um則 被 抑 制 。 外 加 非 均 勻 磁 場 的 裝 置如 上 圖 所 示 ,沿 放 電 管 軸 向 放 置 許 多 小 磁 鐵 ， 相 鄰 的 極 性

30、相 同 ,這 樣就 可 在 放 電 管 軸 線 上 形 成 非 均 勻 磁 場 。3.2 氣 體 激 光 器氦 -氖 (He-Ne)激 光 器 (2) He-Ne激 光 器 的 放 電 電 流 對 輸 出 功 率 影 響 很 大 。 圖 3-10 輸 出 功 率 與 放 電 電 流 的 關(guān) 系 曲 線 圖 3-10表 示 輸 出 功 率 與 放 電 電 流 的 關(guān) 系 曲 線 。曲 線 表 明 :在 氣 壓 比 為 定 值 時 ， 每 個 總 氣 壓 都 存在 一 個 輸 出 最 大 的 放 電 電 流 ， 其 大 小 隨 著 總 氣 壓的 升 高 而 降 低 ,這 是 因 為 氣 壓 升 高

31、 ， 只 需 要 較 小的 放 電 電 流 就 能 得 到 相 同 的 電 子 密 度 。在 最 佳 充 氣 條 件 下 ， 使 輸 出 功 率 最 大 的 放 電 電 流叫 最 佳 放 電 電 流 3.2 氣 體 激 光 器氦 -氖 (He-Ne)激 光 器 He-Ne激 光 器 存 在 著 最 佳 混 合 比 和 最 佳 充 氣 總 壓 強 ， 即 存 在 最 佳 充 氣 條件 。 實 驗 發(fā) 現(xiàn) ， 氦 氣 與 氖 氣 的 分 壓 比 為 7 1時 是 最 佳 分 壓 比 。 而 總 壓 強 在100Pa 400Pa。選 用 He氣 作 輔 助 氣 體 的 原 因 :Ne原 子 不 能

32、直 接 被 電 子 碰 撞 激 發(fā) 到 激 光 上 能 級 ；He*與 Ne*能 級 極 相 近 , 易 發(fā) 生 能 量 共 振 轉(zhuǎn) 移 。 若 放 電 毛 細 管 的 直 徑 為 d， 充 氣 壓 強 為 p， 則 存 在 一 個 使 輸出 功 率 最 大 的 最 佳 pd值 。 在 最 佳 放 電 條 件 下 ， 工 作 物 質(zhì) 的 增 益 系 數(shù) 和 毛 細 管 直 徑 d成 反 比 。 3.2 氣 體 激 光 器氦 -氖 (He-Ne)激 光 器 CO2激 光 器 的 主 要 特 點 是 輸 出 功 率 大 ， 能 量 轉(zhuǎn) 換 效 率 高 ， 輸 出 波 (10.6um) ，廣 泛 用

33、 于 激 光 加 工 、 醫(yī) 療 、 大 氣 通 信 及 其 他 軍 事 應(yīng) 用 。 CO2激 光 器 以 CO2、N2和 He的 混 合 氣 體 為 工 作 物 質(zhì) 。 激 光 躍 遷 發(fā) 生 在 CO2分 子 的 電 子 基 態(tài) 的 兩個 振 動 -轉(zhuǎn) 動 能 級 之 間 。 N2的 作 用 是 提 高 激 光 上 能 級 的 激 勵 效 率 ， 有 助 于 激光 下 能 級 的 抽 空 。二 氧 化 碳 激 光 器 3.2 氣 體 激 光 器 CO2激 光 器 的 結(jié) 構(gòu) 圖 3-11 封 離 式 CO2激 光 器 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖構(gòu) 成 CO2激 光 器 諧 振 腔 的 兩 個 反

34、射 鏡 放 置 在 可 供 調(diào) 節(jié) 的 腔 片 架 上 ， 最簡 單 的 方 法 是 將 反 射 鏡 直 接 貼 在 放 電 管 的 兩 端 。 二 氧 化 碳 激 光 器 3.2 氣 體 激 光 器 圖 3-12 與 產(chǎn) 生 激 光 有 關(guān) 的 CO2分 子 能 級 圖CO2激 光 器 中 ,通 過 以 下 三 個 過 程 將 CO2分 子激 發(fā) 到 0001能 級1.直 接 電 子 碰 撞電 子 與 基 態(tài) (0000)CO2分 子 碰 撞 使 其 激 發(fā) 到 激光 上 能 級 。 這 一 過 程 可 表 示 為 CO2(0000)+e CO2(0001)+eCO2激 光 器 的 激 發(fā)

35、過 程 2.級 聯(lián) 躍 遷 電 子 與 基 態(tài) CO2分 子 碰 撞 使 其 躍 遷 到 000n能 級 ,基 態(tài) CO2分 子 與 高能 級 CO2分 子 碰 撞 后 躍 遷 到 激 光 上 能 級 ,此 過 程 可 表 示 為 : CO2(0000)+CO2(000n)CO2(0001)+CO2(000n-1)二 氧 化 碳 激 光 器 3.2 氣 體 激 光 器 3.共 振 轉(zhuǎn) 移由 于 N2分 子 (v=0)能 級 和 電 子 碰 撞 后 躍 遷 到 v=1的 振 動 能 級 。 這 是 一 個 壽命 較 長 的 亞 穩(wěn) 態(tài) 能 級 ， 因 而 可 積 累 較 多 的 N2分 子 ，

36、基 態(tài) CO2分 子 與 亞 穩(wěn)態(tài) N2分 子 發(fā) 生 非 彈 性 碰 撞 并 躍 遷 到 激 光 上 能 級 。 這 一 過 程 可 表 示 為 CO2(0000)+N2(v=1)CO2(0001)+N2(v=0)由 于 CO2分 子 0001能 級 與 N2分 子 v=1能 級 十 分 接 近 ,能 量 轉(zhuǎn) 移 十 分 迅 速 。 此外 ,N2分 子 的 v=24能 級 與 CO2分 子 00020004也 十 分 接 近 ,相 互 間 也 能 發(fā) 生 共振 轉(zhuǎn) 移 ,處 于 00020004的 CO2分 子 與 基 態(tài) CO2分 子 碰 撞 可 將 它 激 勵 至 0001能 級 。在

37、以 上 三 種 激 發(fā) 途 徑 中 ,共 振 轉(zhuǎn) 移 的 幾 率 最 大 ,作 用 也 最 為 顯 著 。二 氧 化 碳 激 光 器 3.2 氣 體 激 光 器 CO2分 子 激 光 躍 遷 下 能 級 的 抽 空 主 要 依 靠 氣 體 分 子 間 的 碰 撞 。一 旦 實 現(xiàn) 了 (0001)與 (1000)、 (0200) 之 間 的 粒 子 數(shù) 反 轉(zhuǎn) ， 即 可通 過 受 激 輻 射 ， 產(chǎn) 生 : 00011000躍 遷 產(chǎn) 生 10.6um波 長 的 激 光光 00010200躍 遷 產(chǎn) 生 9.6um波 長 的 激 光 。由 于 以 上 躍 遷 具 有 同 一 上 能 級 ,而

38、 且 00011000躍 遷 的 幾 率 大 得 多 ,所 以 C02激 光 器 通 常 只 輸 出 10.6m激 光 。 若 要 得 到 9.6um的 激 光振 蕩 ,則 必 須 在 諧 振 腔 中 放 置 波 長 選 擇 元 件 抑 制 10.6um激 光 振 蕩 。二 氧 化 碳 激 光 器 3.2 氣 體 激 光 器 CO2激 光 器 的 輸 出 特 性 相 應(yīng) 于 CO2激 光 器 的 輸 出 功 率 ， 其 放 電 電 流 有 一 個 最 佳 值 。 CO2激 光 器 的 最佳 放 電 電 流 與 放 電 管 的 直 徑 ， 管 內(nèi) 總 氣 壓 ， 以 及 氣 體 混 合 比 有

39、關(guān) 。 實 驗 指 出 ： 隨 著 管 徑 增 大 ， 最 佳 放 電 電 流 也 增 大 。 例 如 ： 管 徑 為 20 30mm 時 ， 最 佳 放 電 電 流 為 30 50mA 管 徑 為 50 90mm 時 ， 最 佳 放 電 電 流 為 120 150mA(1) 放 電 特 性 二 氧 化 碳 激 光 器 3.2 氣 體 激 光 器 CO2激 光 器 的 轉(zhuǎn) 換 效 率 是 很 高 的 ， 但 最 高 也 不 會 超 過 40 ， 這 就 是 說 ， 將有 60 以 上 的 能 量 轉(zhuǎn) 換 為 氣 體 的 熱 能 ， 使 溫 度 升 高 。 而 氣 體 溫 度 的 升 高 ，將

40、引 起 激 光 上 能 級 的 消 激 發(fā) 和 激 光 下 能 級 的 熱 激 發(fā) ， 這 都 會 使 粒 子 的 反 轉(zhuǎn)數(shù) 減 少 。 并 且 ， 氣 體 溫 度 的 升 高 ， 將 使 譜 線 展 寬 ， 導(dǎo) 致 增 益 系 數(shù) 下 降 。 特別 是 ， 氣 體 溫 度 的 升 高 ， 還 將 引 起 CO2分 子 的 分 解 ， 降 低 放 電 管 內(nèi) 的 CO2分子 濃 度 。 (2) 溫 度 效 應(yīng) 二 氧 化 碳 激 光 器 3.2 氣 體 激 光 器 Ar+離 子 激 光 器Ar 激 光 器 的 結(jié) 構(gòu) 由 放 電 管 、 諧 振 腔 、 軸 向 磁 場 和 回 氣 管 等 幾

41、部 分 組 成 。 圖 3-13 分 段 石 墨 結(jié) 構(gòu) Ar+激 光 器 示 意 圖 3.2 氣 體 激 光 器 Ar+激 光 器 的 激 活 粒 子 是 Ar+， Ar+激 光 器 的激 發(fā) 過 程 分 兩 步 進 行 ： 通 過 氣 體 放 電 ， 將氬 原 子 Ar電 離 ； 再 通 過 放 電 激 勵 將 Ar+激發(fā) 到 激 光 上 能 級 。中 性 Ar原 子 在 放 電 過 程 中 ， 與 快 速 電 子 碰 撞后 電 離 ， 形 成 處 在 基 態(tài) P5上 的 Ar+離 子 。 該基 態(tài) Ar+離 子 再 與 高 速 電 子 碰 撞 ， 被 激 發(fā) 到高 能 態(tài) 。 當 激 光

42、 上 下 能 級 間 生 產(chǎn) 粒 子 數(shù) 反 轉(zhuǎn)時 ， 即 可 生 產(chǎn) 激 光 。 其 中 激 光 上 能 級 為3P 44P1， 激 光 下 能 級 為 3P44S1， 最 強 發(fā) 射 譜線 位 于 528.7nm和 514.5nm。 圖 3-14 產(chǎn) 生 激 光 有 關(guān) 的 Ar+的 能 級 結(jié) 構(gòu) 圖 Ar 激 光 器 的 激 發(fā) 機 理Ar+離 子 激 光 器 3.2 氣 體 激 光 器 激 光 躍 遷 上 能 級 (3P44P )粒 子 的 積 聚 主 要 通 過 三 種 途 徑 實 現(xiàn) :(1)基 態(tài) Ar+與 電 子 碰 撞 后 直 接 躍 遷 到 3P44P 能 級 ;(2)基

43、 態(tài) Ar+與 電 子 碰 撞 后 躍 遷 至 高 于 3P44P 的 其 他 能 級 ， 再 通 過 級 聯(lián) 輻射 躍 遷 至 3P44P 能 級 ;(3)基 態(tài) Ar+和 電 子 碰 撞 躍 遷 至 低 于 3P44P 的 亞 穩(wěn) 態(tài) 能 級 后 再 次 與 電 子 碰撞 并 躍 遷 至 3P44P 能 級 。由 于 Ar原 子 的 電 離 能 量 (15eV)和 激 光 躍 遷 上 能 級 的 激 發(fā) 能 量 (20eV)較 高 ,正 常 運 轉(zhuǎn) 所 要 求 的 平 均 電 子 動 能 (電 子 溫 度 )很 高 。 為 了 提 高 電 子 溫 度 ， 氬 離子 激 光 器 中 的 充

44、氣 壓 強 一 般 在 150Pa以 下 。 但 低 壓 強 又 意 味 著 Ar原 子 密 度小 ， 為 了 提 高 電 離 和 激 發(fā) 速 率 ， 必 須 增 加 放 電 管 內(nèi) 的 電 子 密 度 。Ar+離 子 激 光 器 3.2 氣 體 激 光 器 Ar 激 光 器 的 工 作 持 性 (1)多 譜 線 工 作 激 光 躍 遷 發(fā) 生 在 Ar+的 電 子 組 態(tài) 3P44P和 3P44S之 間 。 前 者 的 壽 命 約 為 10-8s，后 者 通 過 自 發(fā) 輻 射 迅 速 消 激 發(fā) ， 其 壽 命 約 為 10-9s。 由 于 3p44P和 3P44S電 子 組態(tài) 均 對 應(yīng)

45、 若 干 子 能 級 ， 所 以 連 續(xù) 工 作 的 氬 離 子 激 光 器 可 產(chǎn) 生 9條 藍 綠 激 光 譜線 ,對 應(yīng) 每 條 譜 線 都 有 一 個 閾 值 電 流 。 其 中 以 488nm和 514.5nm譜 線 最 強 。 在諧 振 腔 內(nèi) 插 入 棱 鏡 等 色 散 元 件 ， 可 以 獲 得 單 譜 線 激 光 。Ar+離 子 激 光 器 3.2 氣 體 激 光 器 (2)輸 出 功 率 與 放 電 電 流 的 關(guān) 系 由 于 Ar+激 光 器 特 殊 的 激 發(fā) 機 制 ，其 輸 出 功 率 隨 放 電 電 流 的 變 化 規(guī) 律與 其 它 激 光 器 有 所 不 同 ，

46、 圖 5-15示出 了 其 間 的 關(guān) 系 曲 線 。 圖 3-15 Ar+激 光 器 輸 出 功 率 隨 放 電 電 流 變 化 曲 線放 電 電 流 較 小 時 輸 出 功 率 與 放 電 電 流 成 四 次 方 的 關(guān) 系 ， 隨 著 放 電 電 流的 增 大 ， 輸 出 功 率 與 放 電 電 流 成 平 方 的 關(guān) 系 。 這 是 因 為 ， 隨 著 電 流 密度 的 增 大 ， 使 氣 體 溫 度 升 高 ， 激 光 譜 線 變 寬 ， 因 而 其 增 益 隨 電 流 增 長的 速 度 變 慢 。Ar+離 子 激 光 器 3.2 氣 體 激 光 器 3.3 染 料 激 光 器染 料

47、 激 光 器 采 用 溶 于 適 當 溶 劑 中 的 有 機 染料 作 激 光 工 作 物 質(zhì) ， 用 作 激 光 工 作 物 質(zhì) 的染 料 是 包 含 共 輒 雙 鍵 的 有 機 化 合 物 。染 料 激 光 器染 料 激 光 器 激 光 工 作 物 質(zhì) 染 料 分 子 能 級 的 特 征 可 用 “ 自 由 電 子 ” 模 型 說 明 。復(fù) 雜 的 染 料 大 分 子 中 分 布 著 電 子 云 ， 電 子 云 中 的 2n個 電 子 與 勢 阱 中 的 自 由 電 子 相 似 。 當 分 子 處 于 基 態(tài)時 ， 2n個 電 子 填 滿 n個 最 低 能 級 ,， 個 能 級 為 兩 個

48、 自旋 相 反 的 電 子 所 占 據(jù) ， 總 自 旋 量 子 數(shù) 為 零 ,形 成 單重 態(tài) S0。 當 分 子 處 于 激 發(fā) 態(tài) 時 ， 電 子 云 中 有 一 個 電子 處 于 較 高 能 級 。 若 此 電 子 自 旋 方 向 不 變 ， 則 總 自旋 量 子 數(shù) 仍 為 零 ， 形 成 S1、 S2等 單 重 激 發(fā) 態(tài) 。 若 此電 子 自 旋 反 轉(zhuǎn) ， 則 形 成 T1、 T2等 三 重 態(tài) 。 圖 3-16 染 料 分 子 能 級 圖 3.3 染 料 激 光 器染 料 分 子 的 能 級 由 選 擇 定 則 可 知 ， 單 重 態(tài) 和 三 重 態(tài) 之 間 的 躍 遷 是禁

49、戒 的 。 每 一 個 電 子 態(tài) 都 有 一 組 振 動 -轉(zhuǎn) 動 能 級 。電 子 態(tài) 之 間 的 能 量 間 隔 為 106m-1量 級 ， 同 一 電 子態(tài) 相 鄰 振 動 能 級 間 的 能 量 間 隔 為 105m-1， 而 轉(zhuǎn) 動子 能 級 間 的 能 量 間 隔 僅 為 103m-1量 級 。 實 際 上 由于 染 料 分 子 與 溶 劑 分 子 頻 繁 碰 撞 和 靜 電 擾 動 引 起的 加 寬 ， 使 得 振 動 、 轉(zhuǎn) 動 能 級 幾 乎 相 連 。 因 此 每個 電 子 態(tài) 實 際 上 對 應(yīng) 一 個 準 連 續(xù) 能 帶 。 圖 3-16 染 料 分 子 能 級 圖

50、3.3 染 料 激 光 器染 料 分 子 的 能 級 染 料 分 子 的 光 輻 射 過 程 染 料 分 子 吸 收 了 泵 浦 光 能 量 由 基 態(tài) S0躍 遷 到 S1的 某 一 振 轉(zhuǎn) 能 級 后 ， 在 和 溶 劑 分 子 頻 繁 的 碰 撞中 迅 速 地 將 能 量 傳 遞 給 溶 劑 分 子 并 躍 遷 至 S1的最 低 振 轉(zhuǎn) 能 級 。 染 料 分 子 由 此 能 級 躍 遷 至 S0的各 振 動 能 級 時 產(chǎn) 生 熒 光 。 躍 遷 至 S0的 較 高 振 轉(zhuǎn)能 級 的 染 料 分 子 迅 速 通 過 無 輻 射 躍 遷 過 程 返 回S 0的 最 低 能 級 。 由 此

51、 可 知 ， 在 S1最 低 振 轉(zhuǎn) 能 級和 S0的 較 高 振 轉(zhuǎn) 能 級 間 極 易 形 成 粒 子 數(shù) 反 轉(zhuǎn) 分布 狀 態(tài) ， 產(chǎn) 生 激 光 。 由 于 S0和 S1都 是 準 連 續(xù) 帶 ，吸 收 和 熒 光 發(fā) 射 譜 都 是 連 續(xù) 的 ， 所 以 染 料 激 光器 有 很 寬 的 調(diào) 諧 范 圍 。 3.3 染 料 激 光 器 圖 3-16 染 料 分 子 能 級 圖 染 料 分 子 的 三 重 態(tài) “ 陷 阱 ” S1態(tài) 分 子 還 可 通 過 碰 撞 容 易 地 向 T1態(tài) 躍 遷 ， 這 一過 程 稱 作 系 際 竄 越 ， 其 速 率 一 般 為 10-2ns-l左

52、 右 ，雖 然 這 一 速 率 較 S1態(tài) 的 自 發(fā) 輻 射 速 率 (ns-1)小 得 多 ，但 由 于 T1態(tài) 的 壽 命 較 長 (10-410-3s)， 分 子 較 易 積 聚在 T1態(tài) ， 所 以 T1態(tài) 對 于 激 發(fā) 分 子 來 說 ， 相 當 一 個“ 陷 阱 ” 。 圖 3-16 染 料 分 子 能 級 圖 3.3 染 料 激 光 器一 方 面 ， T 1占 有 S1上 部 分 分 子 ， 減 少 了 S1對 S0的 反 轉(zhuǎn) 粒 子 數(shù) ， 另 一 方 面 ， 積 累在 T1中 的 大 量 分 子 又 會 吸 收 光 能 ， 由 T1躍 遷 到 T2， 并 且 而 T1T2

53、躍 遷 的 吸 收 波長 又 恰 好 與 S1S0躍 遷 熒 光 波 長 重 疊 ， 這 意 味 著 T1態(tài) 積 聚 的 染 料 分 子 可 吸 收 受激 輻 射 光 子 而 向 T2態(tài) 躍 遷 ， 因 此 染 料 分 子 在 T1態(tài) 集 聚 不 利 于 激 光 運 轉(zhuǎn) 。 顯 然 ，只 有 在 S1S0受 激 輻 射 產(chǎn) 生 的 增 益 大 于 T1T2躍 遷 造 成 的 吸 收 損 耗 時 才 能 形 成激 光 振 蕩 。 染 料 激 光 器 的 泵 浦通 常 采 用 閃 光 燈 、 N2分 子 激 光 器 、 準 分 子 激 光 器 或 倍 頻 Nd3+:YAG激 光 器發(fā) 射 的 53

54、2nm激 光 等 作 脈 沖 染 料 激 光 器 的 泵 浦 光 源 ， 而 連 續(xù) 染 料 激 光 器則 常 用 氬 或 氪 離 子 激 光 器 作 泵 浦 源 。 顯 然 ， 泵 浦 光 的 波 長 必 須 小 于 染 料激 光 器 的 輸 出 激 光 波 長 。 3.3 染 料 激 光 器 圖 3-17 三 鏡 腔 式 染 料 激 光 器 由 于 染 料 具 有 較 寬 的 頻 帶 ， 所 以 可 從 鎖 模 染 料 激 光 器 得 到 很 窄 的 脈 沖 ， 以若 丹 明 6G為 工 作 物 質(zhì) 的 碰 撞 鎖 模 染 料 激 光 器 可 產(chǎn) 生 約 30fs的 超 短 激 光 脈 沖

55、 ，這 種 光 脈 沖 還 可 壓 縮 成 脈 寬 僅 為 6fs的 超 短 光 脈 沖 ， 這 是 目 前 世 界 上 最 窄 的光 脈 沖 。在 摻 鈦 藍 寶 石 出 現(xiàn) 之 前 ， 染 料 激 光 器 是 最 理 想 的 可 調(diào) 諧 激 光 器 。 目 前 已 在 紫外 (330mn)到 近 紅 外 (1.85um)相 當 寬 的 范 圍 內(nèi) 獲 得 了 連 續(xù) 可 調(diào) 諧 輸 出 。 由 于它 的 可 調(diào) 諧 和 可 產(chǎn) 生 極 窄 光 脈 沖 的 特 點 ,在 激 光 光 譜 、 同 位 素 分 離 、 醫(yī) 學(xué) 及其 他 科 技 領(lǐng) 域 獲 得 了 廣 泛 應(yīng) 用 。染 料 激 光

56、 器 的 應(yīng) 用 3.3 染 料 激 光 器 3.4 半 導(dǎo) 體 激 光 器半 導(dǎo) 體 激 光 器 特 點 是 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 ， 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(yīng) 用 。 半 導(dǎo) 體 激 光 器半 導(dǎo) 體 激 光 器 是 以 半 導(dǎo) 體 材 料 作 為 激 光 工 作 物 質(zhì) 的 ；電 子 躍 遷 發(fā) 生 在 半 導(dǎo) 體 材 料 導(dǎo) 帶 中 的 電 子 態(tài)

57、和 價 帶 中 的 空 穴 態(tài) 之 間 ；在 電 流 或 光 的 激 勵 下 ， 半 導(dǎo) 體 價 帶 中 的 電 子 可 以 獲 得 能 量 ， 躍 遷 到 導(dǎo) 帶 上 ， 在 價 帶 中 形 成 一 個 空 穴 ， 這 相 當 于 受 激 吸 收 過 程 ； 價 帶 中 的 空 穴 也 可 被 從 導(dǎo) 帶 躍遷 下 來 的 電 子 填 補 而 復(fù) 合 。 在 復(fù) 合 時 ， 電 子 把 多 余 能 量 以 光 子 形 式 釋 放 出 來 ，這 相 當 于 自 發(fā) 輻 射 或 受 激 輻 射 。 半 導(dǎo) 體 的 能 帶 3.4 半 導(dǎo) 體 激 光 器 半 導(dǎo) 體 的 能 帶 3.4 半 導(dǎo) 體

58、 激 光 器電 子 共 有 化 運 動構(gòu) 成 半 導(dǎo) 體 激 光 器 的 工 作 物 質(zhì) 是 半 導(dǎo) 體 晶 體 。 在 半 導(dǎo) 體 晶 體 中 ， 電 子 的運 動 狀 態(tài) 和 單 個 原 子 時 的 情 況 大 不 相 同 ， 尤 其 是 其 外 層 電 子 有 了 明 顯 的變 化 ， 即 所 謂 的 “ 共 有 化 運 動 ” 。 半 導(dǎo) 體 的 能 帶量 子 力 學(xué) 證 明 ： 當 N個 原 子 相 接 近 形 成 晶 體 時 ， 由 于 共 有 化 運 動 ， 原 來 單 個 原 子中 每 一 個 允 許 能 級 要 分 裂 成 N個 與 原 來 能 級 很 接 近 的 新 能 級

59、 。 在 實 際 的 晶 體 中 ，由 于 原 子 數(shù) 目 N非 常 大 ， 新 能 級 又 與 原 來 能 級 非 常 接 近 ， 所 以 兩 個 新 能 級 間 距 離很 小 （ 相 互 間 的 能 級 差 為 10 -22） ， 幾 乎 可 把 這 一 段 能 級 看 作 是 連 續(xù) 的 。 我 們 便把 這 N個 能 級 所 具 有 的 能 量 范 圍 稱 為 “ 能 帶 ” 。 不 同 的 能 帶 之 間 可 以 有 一 定 的 能量 間 隔 ， 在 這 個 間 隔 范 圍 內(nèi) 電 子 不 能 處 于 穩(wěn) 定 狀 態(tài) ， 實 際 上 形 成 一 個 能 級 禁 區(qū) ，稱 為 “ 禁

60、帶 ” 。 此 間 距 用 禁 帶 寬 度 Eg來 衡 量 。 3.4 半 導(dǎo) 體 激 光 器半 導(dǎo) 體 能 帶 禁 帶導(dǎo) 帶價 帶 圖 3-18 原 子 分 裂 為 能 帶 示 意 圖 圖 3-19 固 體 的 能 帶在 晶 體 中 ， 由 價 電 子 能 級 分 裂 而 成 的 能 帶 叫 做 “ 價 帶 ” ，如 某 一 能 帶 被 電 子 填 滿 ， 則 稱 之 為 “ 滿 帶 ” ， 而 在 未 激發(fā) 情 況 下 無 電 子 填 入 的 能 帶 叫 做 “ 空 帶 ， 若 價 帶 中 的電 子 受 激 而 進 入 空 帶 ， 則 此 空 帶 稱 為 “ 導(dǎo) 帶 ” ， 同 時 ，價

61、帶 上 由 于 價 電 子 激 發(fā) 到 導(dǎo) 帶 后 留 下 一 些 空 著 的 能 級稱 為 “ 空 穴 ” 。 “ 價 帶 ” 和 “ 導(dǎo) 帶 ” 之 間 是 “ 禁 帶 ” 。半 導(dǎo) 體 的 能 帶 3.4 半 導(dǎo) 體 激 光 器半 導(dǎo) 體 能 帶 3-20 本 征 半 導(dǎo) 體 的 能 帶在 純 凈 的 、 不 含 雜 質(zhì) 的 半 導(dǎo) 體 中 ， 由 于 熱 運 動 而 產(chǎn) 生 的 自 由 電 子 和 空 穴 數(shù)量 很 少 。 這 時 ， 半 導(dǎo) 體 是 一 個 不 導(dǎo) 電 的 絕 緣 體 。 但 如 果 半 導(dǎo) 體 中 摻 入 雜 質(zhì) ，情 況 就 不 同 了 。 如 四 價 半 導(dǎo) 體

62、 中 摻 入 五 價 半 導(dǎo) 體 ， 就 會 在 導(dǎo) 帶 下 形 成 雜 質(zhì)能 級 。 雜 質(zhì) 能 級 上 電 子 很 容 易 轉(zhuǎn) 移 至 導(dǎo) 帶 上 去 ， 這 種 雜 質(zhì) 稱 為 施 主 。 摻 施主 雜 質(zhì) 的 半 導(dǎo) 體 稱 為 電 子 型 半 導(dǎo) 體 或 N型 半 導(dǎo) 體 。 而 如 果 我 們 在 四 價 半 導(dǎo)體 中 摻 入 三 價 元 素 ， 則 會 在 價 帶 上 方 形 成 受 主 雜 質(zhì) 能 級 ， 價 帶 上 的 電 子 可跑 到 受 主 能 級 上 去 ， 從 而 在 價 帶 上 產(chǎn) 生 許 多 空 穴 。 這 種 半 導(dǎo) 體 稱 為 空 穴 型半 導(dǎo) 體 或 P型

63、半 導(dǎo) 體 。半 導(dǎo) 體 的 能 帶 3.4 半 導(dǎo) 體 激 光 器本 征 半 導(dǎo) 體 電 子 和 空 穴 的 統(tǒng) 計 分 布 1( ) 1 Fn E EkTf E e 由 上 式 可 見 ， 對 于 某 一 溫 度 T， 能 級 E上 的 電 子 占 據(jù) 率 唯 一 地 由 費 米 能 級 EF所 確定 ， 因 此 可 以 把 EF視 作 電 子 填 充 能 級 水 平 的 一 把 “ 尺 子 ” 。統(tǒng) 計 物 理 學(xué) 指 出 ： 熱 平 衡 時 ， 電 子 在 能 帶 中 的 分 布 不 再 服 從 玻 爾 茲 曼 分 布 ，而 服 從 費 米 分 布 ， 一 個 電 子 占 據(jù) 能 量

64、為 E的 能 級 的 幾 率 為 ： 3.4 半 導(dǎo) 體 激 光 器 雜 質(zhì) 半 導(dǎo) 體 中 費 米 能 級 的 位 置 與 雜 質(zhì) 類 型 及 摻 雜 濃 度 有 密 切 關(guān) 系 。 為 了 說 明問 題 ， 圖 3-21給 出 了 溫 度 極 低 時 的 情 況 。 圖 3-21 費 米 能 級 的 位 置 與 雜 質(zhì) 類 型 及 摻 雜 濃 度 關(guān) 系電 子 和 空 穴 的 統(tǒng) 計 分 布 3.4 半 導(dǎo) 體 激 光 器 在 未 摻 雜 質(zhì) 的 本 征 型 半 導(dǎo) 體 中 ， 費 米 能 級 居 于 禁 帶 中 央 ， 導(dǎo) 帶 內(nèi) 的 電 子 或 價帶 內(nèi) 的 空 穴 是 非 簡 并 化

65、 分 布 (圖 a)。 在 輕 摻 雜 P型 半 導(dǎo) 體 中 ， 受 主 能 級 使 費 米 能 級 向 下 移 動 (圖 b)； 輕 摻 雜 N型 半導(dǎo) 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(dǎo) 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 ， 價 帶 中 出 現(xiàn) 空 穴 P型 簡 并 半 導(dǎo) 體 (圖 c)； 在 重 摻 雜 N型 半 導(dǎo) 體 中 ， 費 米 能 級 向 上 移 到 導(dǎo) 帶 中 ， 低

66、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(dǎo) 帶 中 也 有 自 由 電 子 N型 簡 并 半 導(dǎo)體 (圖 e)； 雙 簡 并 半 導(dǎo) 體 半 導(dǎo) 體 中 存 在 兩 個 費 米 能 級 (圖 f )， 兩 個 費 米 能 級 使 得 導(dǎo) 帶中 有 自 由 電 子 ， 價 帶 中 有 空 穴 。電 子 和 空 穴 的 統(tǒng) 計 分 布 3.4 半 導(dǎo) 體 激 光 器 半 導(dǎo) 體 中 產(chǎn) 生 光 放 大 的 條 件 是 在 半 導(dǎo) 體 中 存 在 雙 簡 并 能 帶 (圖 a-e )中 的 情 況 都 只 有 一 個 費 米 能 級 ， 在 它 上 面 沒 有 有 自 由 電 子 ， 在 它 下 面已 經(jīng) 被 電 子 充 滿 ， 不 可 能 發(fā) 生 電 子 躍 遷 ， 只 能 將 外 來 光 子 吸 收 。 (圖 f )中 的 情 況 都 只 有 兩 費 米 能 級 ， 導(dǎo) 帶 有 自 由 電 子 ， 價 帶 中 有 空 穴 ， 當 入射 光 的 頻 率 滿 足 gFF EhEE 時 ， 外 來 光 子 會 誘 導(dǎo) 導(dǎo) 帶