《典型激光器》PPT課件.ppt

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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(yuǎn)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(yùn)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(zhǎng)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 是無色透明的負(fù)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(gè)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Cr3 的3d殼層上三個(gè)電子發(fā)生躍遷的結(jié)果 Cr3 在很強(qiáng)的晶格場(chǎng)作用下 呈現(xiàn)出復(fù)雜的能級(jí)分裂和重新組成的情況 通過實(shí)驗(yàn)和理論分析 已確定紅寶石中Cr3 的工作能級(jí)屬三能級(jí)系統(tǒng) 3 1固體激光器 紅寶石激光器 如圖3 3所示 4A2是基態(tài)又是激光下能級(jí) 其簡(jiǎn)并度g1 4 2E是亞穩(wěn)態(tài) 它是由能量差為29cm 1的2A和E二能級(jí)組成 其簡(jiǎn)并度都為2 4F1和4F2是兩個(gè)吸收能帶 紅寶石有兩條強(qiáng)熒光譜線 R1和R2線 室溫下對(duì)應(yīng)的中心波長(zhǎng)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(lán)光 峰值波長(zhǎng)在0 36um附近 稱為紫外帶或U帶 由4A2向4F2躍遷吸收黃綠光 峰值波長(zhǎng)在0 51 m附近 稱為黃綠帶或Y帶 這是兩個(gè)很強(qiáng)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(dòng)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 3 1固體激光器 紅寶石激光器 機(jī)械強(qiáng)度高 能承受很高的激光功率密度 容易生長(zhǎng)成較大尺寸 亞穩(wěn)態(tài)壽命長(zhǎng) 儲(chǔ)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(cè)接收 目前大多數(shù)光電元件和照相乳膠對(duì)紅光的感應(yīng)靈敏度較高 缺點(diǎn) 閾值高 因是三能級(jí) 和性能易隨溫度變化 優(yōu)點(diǎn) 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(shí)Nd3 的密度為1 38 1020cm 3 顏色為淡紫色 實(shí)際制備時(shí)是將一定比例的A1203 Y2O3和Nd2O3在單晶爐中熔化結(jié)晶而成 Nd3 YAG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(jí)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(jí)系統(tǒng) 激光上能級(jí)是4F3 2 激光下能級(jí)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(gè)亞穩(wěn)態(tài) 1 06 m比1 35 m的熒光約強(qiáng)四倍 1 06 m的譜線先起振 進(jìn)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(shí)現(xiàn)1 35 m波長(zhǎng)的激光振蕩 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 6Nd3 YAG晶體的吸收光譜 摻釹釔鋁石榴石 Nd3 YAG 3 1固體激光器 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(duì)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(zhēng)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(zhǎng)可達(dá)1 2m 直徑30 100mm 可用來制成特大能量的激光器 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(diǎn)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(yùn)轉(zhuǎn)的器件 且在應(yīng)用時(shí)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(gè)吸收帶 抽運(yùn)能帶 E3 三條激光譜線公共的激光上能級(jí) E2 含二條激光譜線的二個(gè)激光下能級(jí) 四能級(jí)系統(tǒng) 即 圖3 7釹玻璃的能級(jí)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(jí) 三能級(jí)系統(tǒng) 3 1固體激光器 釹玻璃激光器 躍遷譜線 1 06 m 四能級(jí)系統(tǒng) 躍遷幾率大 通常可觀察到 1 4 m 四能級(jí)系統(tǒng) 躍遷幾率較小 不一定可觀察到 0 9 m 三能級(jí)系統(tǒng) 難實(shí)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(jí)系統(tǒng) 發(fā)射的波長(zhǎng)是1 06 m 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(xì)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(dāng)電極加上高電壓后 毛細(xì)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(xì)管相連 這里不發(fā)生氣體放電 它的作用是補(bǔ)償因慢漏氣及管內(nèi)元件放氣或吸附氣體造成He Ne氣體比例及總氣壓發(fā)生的變化 延長(zhǎng)器件的壽命 放電管一般是用GG17玻璃制成 輸出功率和波長(zhǎng)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 3 2氣體激光器 氦 氖 He Ne 激光器 3 2氣體激光器 氦 氖 He Ne 激光器 3 2氣體激光器 3 2氣體激光器 圖3 8He 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(diǎn)是使用時(shí)不必進(jìn)行調(diào)整 非常方便 陰極與毛細(xì)管同軸放置 其結(jié)構(gòu)緊湊 不易碎裂 安裝方便 缺點(diǎn)是在工作過程中放電管受熱變形時(shí) 諧振腔反射鏡會(huì)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(zhǎng) 其熱穩(wěn)定性越差 所以內(nèi)腔式激光管的長(zhǎng)度一般不超過一米 而且當(dāng)諧振腔反射鏡損壞后 不易更換 反射鏡內(nèi)表面污染后也無法清除 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(shí)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(diǎn)是這種激光器的諧振腔反射鏡與放電管是分離 可增加儲(chǔ)氣量 同時(shí)濺射物質(zhì)不易污染窗片 所以壽命比同軸式長(zhǎng) 放電管的熱變形對(duì)諧振腔影響較小 加之諧振腔可以調(diào)整 所以長(zhǎng)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(diǎn)是由于反射鏡與放電管相分離 相對(duì)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(gè)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(duì)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(gè)電子 沒激發(fā)時(shí)這兩個(gè)原子都分布在1S0殼層上 He原子處于基態(tài) 當(dāng)He原子受激時(shí) 使其中一個(gè)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(gè)亞穩(wěn)態(tài)能級(jí) 分別記為23S1 21S0 圖3 9與激光躍遷有關(guān)的Ne原子的部分能級(jí)圖 氦和氖原子的能級(jí)圖 3 2氣體激光器 氦 氖 He Ne 激光器 在He Ne激光器中 實(shí)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(jí)圖可見 He原子的21S0 23S1態(tài)分別與Ne原子的3S 2S態(tài)靠得很近 二者很容易進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移 并且轉(zhuǎn)移幾率很高 可達(dá)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(dòng)能的電子進(jìn)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 第三是串級(jí)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(xiàn)最小 圖3 9與激光躍遷有關(guān)的Ne原子的部分能級(jí)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(qiáng)的譜線有三條 即0 6328 m 3 39 m和1 15 m 對(duì)應(yīng)躍遷能級(jí)分別為3S2 2P4 3S2 3P4和2S2 2P4 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(shí) 可把能量交給管壁 自己回到基態(tài) 這就是為什么He Ne激光器中要有一根內(nèi)徑較細(xì)的放電管的原因 從能級(jí)圖可見 He Ne激光器是典型的四能級(jí)系統(tǒng) 3 2氣體激光器 氦 氖 He Ne 激光器 He Ne激光器的輸出特性 譜線競(jìng)爭(zhēng) He Ne激光器三條強(qiáng)的激光譜線 3S 2P0 6328 m 2S 2P1 15 m 3S 3P3 39 m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(zhǎng)選擇 0 6328um和3 39umm兩條激光譜線有共同的激光上能級(jí)3S 而后者增益系數(shù)比較高 如果不進(jìn)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 抑制3 39um輻射的辦法主要有 選用對(duì)3 39um的光具有低反射率的諧振腔反射鏡 使3 39um達(dá)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?yàn)榧淄閷?duì)3 39um的光具有強(qiáng)吸收而對(duì)0 6328um的光透明 因此可用甲烷抑制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(chǎng)也能抑制3 39um振蕩 根據(jù)塞曼效應(yīng) 磁場(chǎng)可引起譜線分裂 分裂的大小與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比 如果激光管內(nèi)磁場(chǎng)分布不均勻 則各處譜線分裂程度不同并連成一片 相當(dāng)于譜線變寬 300高斯非均勻磁場(chǎng)中 兩譜線加寬均約900MHz 0 6328umm原譜線半寬度約1500MHz 非均勻磁場(chǎng)對(duì)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(chǎng)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(chǎng)后 3 39um的增益系數(shù)急劇下降 而0 6328 m的增益系數(shù)卻下降很少 結(jié)果提高了0 63281um的競(jìng)爭(zhēng)能力 3 39um則被抑制 外加非均勻磁場(chǎng)的裝置如上圖所示 沿放電管軸向放置許多小磁鐵 相鄰的極性相同 這樣就可在放電管軸線上形成非均勻磁場(chǎng) 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(duì)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(shí) 每個(gè)總氣壓都存在一個(gè)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?yàn)闅鈮荷?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(qiáng) 即存在最佳充氣條件 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn) 氦氣與氖氣的分壓比為7 1時(shí)是最佳分壓比 而總壓強(qiáng)在100Pa 400Pa 選用He氣作輔助氣體的原因 Ne原子不能直接被電子碰撞激發(fā)到激光上能級(jí) He 與Ne 能級(jí)極相近 易發(fā)生能量共振轉(zhuǎn)移 若放電毛細(xì)管的直徑為d 充氣壓強(qiáng)為p 則存在一個(gè)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(xì)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(diǎn)是輸出功率大 能量轉(zhuǎn)換效率高 輸出波 10 6um 廣泛用于激光加工 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(gè)振動(dòng) 轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)之間 N2的作用是提高激光上能級(jí)的激勵(lì)效率 有助于激光下能級(jí)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(gè)反射鏡放置在可供調(diào)節(jié)的腔片架上 最簡(jiǎn)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(jí)圖 CO2激光器中 通過以下三個(gè)過程將CO2分子激發(fā)到0001能級(jí) 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(jí) 這一過程可表示為CO2 0000 e CO2 0001 e CO2激光器的激發(fā)過程 2 級(jí)聯(lián)躍遷電子與基態(tài)CO2分子碰撞使其躍遷到000n能級(jí) 基態(tài)CO2分子與高能級(jí)CO2分子碰撞后躍遷到激光上能級(jí) 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(jí)和電子碰撞后躍遷到v 1的振動(dòng)能級(jí) 這是一個(gè)壽命較長(zhǎng)的亞穩(wěn)態(tài)能級(jí) 因而可積累較多的N2分子 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(jí) 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(jí)與N2分子v 1能級(jí)十分接近 能量轉(zhuǎn)移十分迅速 此外 N2分子的v 2 4能級(jí)與CO2分子0002 0004也十分接近 相互間也能發(fā)生共振轉(zhuǎn)移 處于0002 0004的CO2分子與基態(tài)CO2分子碰撞可將它激勵(lì)至0001能級(jí) 在以上三種激發(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(jí)的抽空主要依靠氣體分子間的碰撞 一旦實(shí)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 0001 1000躍遷產(chǎn)生10 6um波長(zhǎng)的激光光0001 0200躍遷產(chǎn)生9 6um波長(zhǎng)的激光 由于以上躍遷具有同一上能級(jí) 而且0001 1000躍遷的幾率大得多 所以C02激光器通常只輸出10 6 m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(zhǎng)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(gè)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 以及氣體混合比有關(guān) 實(shí)驗(yàn)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(shí) 最佳放電電流為30 50mA管徑為50 90mm時(shí) 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(huì)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 將引起激光上能級(jí)的消激發(fā)和激光下能級(jí)的熱激發(fā) 這都會(huì)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(chǎng)和回氣管等幾部分組成 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(jìn)行 通過氣體放電 將氬原子Ar電離 再通過放電激勵(lì)將Ar 激發(fā)到激光上能級(jí) 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(dāng)激光上下能級(jí)間生產(chǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)時(shí) 即可生產(chǎn)激光 其中激光上能級(jí)為3P44P1 激光下能級(jí)為3P44S1 最強(qiáng)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(jí)結(jié)構(gòu)圖 Ar 激光器的激發(fā)機(jī)理 Ar 離子激光器 3 2氣體激光器 激光躍遷上能級(jí) 3P44P 粒子的積聚主要通過三種途徑實(shí)現(xiàn) 1 基態(tài)Ar 與電子碰撞后直接躍遷到3P44P能級(jí) 2 基態(tài)Ar 與電子碰撞后躍遷至高于3P44P的其他能級(jí) 再通過級(jí)聯(lián)輻射躍遷至3P44P能級(jí) 3 基態(tài)Ar 和電子碰撞躍遷至低于3P44P的亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)后再次與電子碰撞并躍遷至3P44P能級(jí) 由于Ar原子的電離能量 15eV 和激光躍遷上能級(jí)的激發(fā)能量 20eV 較高 正常運(yùn)轉(zhuǎn)所要求的平均電子動(dòng)能 電子溫度 很高 為了提高電子溫度 氬離子激光器中的充氣壓強(qiáng)一般在150Pa以下 但低壓強(qiáng)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(duì)應(yīng)若干子能級(jí) 所以連續(xù)工作的氬離子激光器可產(chǎn)生9條藍(lán)綠激光譜線 對(duì)應(yīng)每條譜線都有一個(gè)閾值電流 其中以488nm和514 5nm譜線最強(qiáng) 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(jī)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 圖5 15示出了其間的關(guān)系曲線 圖3 15Ar 激光器輸出功率隨放電電流變化曲線 放電電流較小時(shí)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?yàn)?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(zhǎng)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 染料激光器采用溶于適當(dāng)溶劑中的有機(jī)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(jī)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(jí)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(gè)電子與勢(shì)阱中的自由電子相似 當(dāng)分子處于基態(tài)時(shí) 2n個(gè)電子填滿n個(gè)最低能級(jí) 個(gè)能級(jí)為兩個(gè)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(dāng)分子處于激發(fā)態(tài)時(shí) 電子云中有一個(gè)電子處于較高能級(jí) 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(jí)圖 3 3染料激光器 染料分子的能級(jí) 由選擇定則可知 單重態(tài)和三重態(tài)之間的躍遷是禁戒的 每一個(gè)電子態(tài)都有一組振動(dòng) 轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí) 電子態(tài)之間的能量間隔為106m 1量級(jí) 同一電子態(tài)相鄰振動(dòng)能級(jí)間的能量間隔為105m 1 而轉(zhuǎn)動(dòng)子能級(jí)間的能量間隔僅為103m 1量級(jí) 實(shí)際上由于染料分子與溶劑分子頻繁碰撞和靜電擾動(dòng)引起的加寬 使得振動(dòng) 轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)幾乎相連 因此每個(gè)電子態(tài)實(shí)際上對(duì)應(yīng)一個(gè)準(zhǔn)連續(xù)能帶 圖3 16染料分子能級(jí)圖 3 3染料激光器 染料分子的能級(jí) 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(jí)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(jí) 染料分子由此能級(jí)躍遷至S0的各振動(dòng)能級(jí)時(shí)產(chǎn)生熒光 躍遷至S0的較高振轉(zhuǎn)能級(jí)的染料分子迅速通過無輻射躍遷過程返回S0的最低能級(jí) 由此可知 在S1最低振轉(zhuǎn)能級(jí)和S0的較高振轉(zhuǎn)能級(jí)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(zhǔn)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(jí)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(zhǎng) 10 4 10 3s 分子較易積聚在T1態(tài) 所以T1態(tài)對(duì)于激發(fā)分子來說 相當(dāng)一個(gè) 陷阱 圖3 16染料分子能級(jí)圖 3 3染料激光器 一方面 T1占有S1上部分分子 減少了S1對(duì)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(huì)吸收光能 由T1躍遷到T2 并且而T1 T2躍遷的吸收波長(zhǎng)又恰好與S1 S0躍遷熒光波長(zhǎng)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(yùn)轉(zhuǎn) 顯然 只有在S1 S0受激輻射產(chǎn)生的增益大于T1 T2躍遷造成的吸收損耗時(shí)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(zhǔn)分子激光器或倍頻Nd3 YAG激光器發(fā)射的532nm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(zhǎng)必須小于染料激光器的輸出激光波長(zhǎng) 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 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(lán)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(dāng)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(diǎn) 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(diǎn)是超小型 高效率 低成本 工作速度快和波長(zhǎng)范圍寬等 它是激光光纖通信的重要光源 在光存儲(chǔ) 激光高速印刷 全息照相 激光準(zhǔn)直 測(cè)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)和價(jià)帶中的空穴態(tài)之間 在電流或光的激勵(lì)下 半導(dǎo)體價(jià)帶中的電子可以獲得能量 躍遷到導(dǎo)帶上 在價(jià)帶中形成一個(gè)空穴 這相當(dāng)于受激吸收過程 價(jià)帶中的空穴也可被從導(dǎo)帶躍遷下來的電子填補(bǔ)而復(fù)合 在復(fù)合時(shí) 電子把多余能量以光子形式釋放出來 這相當(dāng)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)體激光器 電子共有化運(yùn)動(dòng) 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(yùn)動(dòng)狀態(tài)和單個(gè)原子時(shí)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(yùn)動(dòng) 半導(dǎo)體的能帶 量子力學(xué)證明 當(dāng)N個(gè)原子相接近形成晶體時(shí) 由于共有化運(yùn)動(dòng) 原來單個(gè)原子中每一個(gè)允許能級(jí)要分裂成N個(gè)與原來能級(jí)很接近的新能級(jí) 在實(shí)際的晶體中 由于原子數(shù)目N非常大 新能級(jí)又與原來能級(jí)非常接近 所以兩個(gè)新能級(jí)間距離很小 相互間的能級(jí)差為10 22 幾乎可把這一段能級(jí)看作是連續(xù)的 我們便把這N個(gè)能級(jí)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(gè)間隔范圍內(nèi)電子不能處于穩(wěn)定狀態(tài) 實(shí)際上形成一個(gè)能級(jí)禁區(qū) 稱為 禁帶 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 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(jià)電子能級(jí)分裂而成的能帶叫做 價(jià)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(jià)帶中的電子受激而進(jìn)入空帶 則此空帶稱為 導(dǎo)帶 同時(shí) 價(jià)帶上由于價(jià)電子激發(fā)到導(dǎo)帶后留下一些空著的能級(jí)稱為 空穴 價(jià)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(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的自由電子和空穴數(shù)量很少 這時(shí) 半導(dǎo)體是一個(gè)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(jià)半導(dǎo)體中摻入五價(jià)半導(dǎo)體 就會(huì)在導(dǎo)帶下形成雜質(zhì)能級(jí) 雜質(zhì)能級(jí)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?cè)谒膬r(jià)半導(dǎo)體中摻入三價(jià)元素 則會(huì)在價(jià)帶上方形成受主雜質(zhì)能級(jí) 價(jià)帶上的電子可跑到受主能級(jí)上去 從而在價(jià)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(jì)分布 由上式可見 對(duì)于某一溫度T 能級(jí)E上的電子占據(jù)率唯一地由費(fèi)米能級(jí)EF所確定 因此可以把EF視作電子填充能級(jí)水平的一把 尺子 統(tǒng)計(jì)物理學(xué)指出 熱平衡時(shí) 電子在能帶中的分布不再服從玻爾茲曼分布 而服從費(fèi)米分布 一個(gè)電子占據(jù)能量為E的能級(jí)的幾率為 3 4半導(dǎo)體激光器 雜質(zhì)半導(dǎo)體中費(fèi)米能級(jí)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(shí)的情況 圖3 21費(fèi)米能級(jí)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(jì)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(fèi)米能級(jí)居于禁帶中央 導(dǎo)帶內(nèi)的電子或價(jià)帶內(nèi)的空穴是非簡(jiǎn)并化分布 圖a 在輕摻雜P型半導(dǎo)體中 受主能級(jí)使費(fèi)米能級(jí)向下移動(dòng) 圖b 輕摻雜N型半導(dǎo)體中 施主能級(jí)使費(fèi)米能級(jí)向上移動(dòng) 圖d 在重?fù)诫sP型半導(dǎo)體中 費(fèi)米能級(jí)向下移到價(jià)帶中 低于費(fèi)米能級(jí)的能帶被電子填滿 高于費(fèi)米能級(jí)的能態(tài)都是空的 價(jià)帶中出現(xiàn)空穴 P型簡(jiǎn)并半導(dǎo)體 圖c 在重?fù)诫sN型半導(dǎo)體中 費(fèi)米能級(jí)向上移到導(dǎo)帶中 低于費(fèi)米能級(jí)的能帶被電子填滿 高于費(fèi)米能級(jí)的能態(tài)都是空的 導(dǎo)帶中也有自由電子 N型簡(jiǎn)并半導(dǎo)體 圖e 雙簡(jiǎn)并半導(dǎo)體 半導(dǎo)體中存在兩個(gè)費(fèi)米能級(jí) 圖f 兩個(gè)費(fèi)米能級(jí)使得導(dǎo)帶中有自由電子 價(jià)帶中有空穴 電子和空穴的統(tǒng)計(jì)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(jiǎn)并能帶 圖a e 中的情況都只有一個(gè)費(fèi)米能級(jí) 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(fèi)米能級(jí) 導(dǎo)帶有自由電子 價(jià)帶中有空穴 當(dāng)入射光的頻率滿足 時(shí) 外來光子會(huì)誘導(dǎo)導(dǎo)帶中的自由電子向價(jià)帶空穴躍遷而發(fā)出一個(gè)同樣的光子 半導(dǎo)體中光放大條件 3 4半導(dǎo)體激光器 PN結(jié)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 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) 由于電子和空穴的擴(kuò)散作用 在P N結(jié)的交界面兩側(cè)形成空間電荷區(qū) 生產(chǎn)自建場(chǎng) 其電場(chǎng)方向自N區(qū)指向P區(qū) 引起漂移運(yùn)動(dòng) 當(dāng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到熱平衡時(shí) P區(qū)和N區(qū)的費(fèi)米能級(jí)必然達(dá)到同一水平 3 4半導(dǎo)體激光器 5 4 2PN結(jié)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 一 P N結(jié)的雙簡(jiǎn)并能帶結(jié)構(gòu) 圖3 22PN能帶 這時(shí) 在P區(qū)和N區(qū)分別出現(xiàn)P型簡(jiǎn)并區(qū)和N型簡(jiǎn)并區(qū) P區(qū)的價(jià)帶頂充滿了空穴 N區(qū)的導(dǎo)帶底充滿了電子 在結(jié)區(qū)造成了能帶的彎曲 自建場(chǎng)的作用 形成了接觸電位差VD叫做P N結(jié)的勢(shì)壘高度 P區(qū)所有能級(jí)上的電子都有了附加位能 它等于勢(shì)壘高度VD乘以電子電荷e VDe 在P N結(jié)上加以正向電壓V時(shí) 原來的自建場(chǎng)將被削弱 勢(shì)壘降低 破壞了原來的平衡 引起多數(shù)載流子流入對(duì)方 使得兩邊的少數(shù)載流子比平衡時(shí)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(shí)結(jié)區(qū)的統(tǒng)一費(fèi)米能級(jí)不復(fù)存在 形成結(jié)區(qū)的兩個(gè)費(fèi)米能級(jí)EF 和EF 稱為準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí) 它們分別描述空穴和電子的分布 在結(jié)區(qū)的一個(gè)很薄的作用區(qū) 形成了雙簡(jiǎn)并能帶結(jié)構(gòu) 圖3 23正向電壓V時(shí)形成的雙簡(jiǎn)并能帶結(jié)構(gòu) PN結(jié)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 3 4半導(dǎo)體激光器 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 PN結(jié)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 3 4半導(dǎo)體激光器 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 PN結(jié)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 3 4半導(dǎo)體激光器 粒子數(shù)就是載流子數(shù) 正常情況下 電子總是從低能態(tài)的價(jià)帶填充起 填滿價(jià)帶后才填充導(dǎo)帶 如果我們能利用光或電注入的辦法 便在P N附近夠成大量的非平衡載流子 在此其復(fù)合壽命更短的時(shí)間內(nèi) 電子在導(dǎo)帶 空穴在價(jià)帶分別達(dá)到暫時(shí)的平衡 則在這一段時(shí)間內(nèi)簡(jiǎn)并化分布的導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴就處于相對(duì)反轉(zhuǎn)分布的狀態(tài) 對(duì)于重?fù)诫s的GaAsP N結(jié) 在P N結(jié)的附近 導(dǎo)帶中有電子而價(jià)帶中有空穴 這一小段區(qū)域稱為 作用區(qū) 如果電子從導(dǎo)帶中向價(jià)帶中躍遷 則將釋放光子 并在諧振腔的反饋?zhàn)饔孟?產(chǎn)生受激輻射 當(dāng)然 價(jià)帶中的電子也可能在光子的激發(fā)下躍遷到導(dǎo)帶中 即所謂受激吸收 而要產(chǎn)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 PN結(jié)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 3 4半導(dǎo)體激光器 3 4半導(dǎo)體激光器 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 考慮激光器工作在連續(xù)發(fā)光的動(dòng)平衡狀態(tài) 導(dǎo)帶底電子的占據(jù)幾率可以用N區(qū)的費(fèi)米能級(jí)來計(jì)算 PN結(jié)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 3 4半導(dǎo)體激光器 此式便是同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的載流子反轉(zhuǎn)分布條件 其物理意義是 1 工作區(qū)中導(dǎo)帶能級(jí)的電子占有幾率大于價(jià)帶能級(jí)中的電子占有幾率 2 因?yàn)榘l(fā)射的光子能量基本等于禁帶寬度Eg 因而要求 E F E F Eg 而P N結(jié)兩邊的PP型和NN型半導(dǎo)體都必須高摻雜 從而使電子和空穴的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分別進(jìn)入導(dǎo)帶和價(jià)帶 3 所加的正向偏壓必須滿足 PN結(jié)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 3 4半導(dǎo)體激光器 半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 圖3 24GaAs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3 24b示出臺(tái)面形管芯激光器的外形結(jié)構(gòu) 管芯的形狀有長(zhǎng)方形 臺(tái)面形 電極條形等多種 圖3 24a的管芯形狀是長(zhǎng)方形 P N結(jié)的厚度僅幾十微米 一般是在N型GaAs襯底上生長(zhǎng)一薄層P型GaAs而形成P N結(jié) 3 4半導(dǎo)體激光器 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) 半導(dǎo)體激光器的工作原理和閾值條件 3 4半導(dǎo)體激光器 工作物質(zhì)實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)后 光在諧振腔內(nèi)傳播時(shí)便有增益 但能否有效地形成激光振蕩 還與腔內(nèi)損耗有關(guān) 只有在增益恰等于損耗時(shí)才能滿足振蕩的閾值要求 這說明半導(dǎo)體激光器的增益不僅要大于零 還必須達(dá)到某一數(shù)值才能形成激光 t復(fù)合 結(jié)區(qū)電子壽命t復(fù)合 1 A21 n 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)值 半導(dǎo)體激光器的閾值電流 在一定的時(shí)間間隔內(nèi) 注入激光器的電子總數(shù)與同樣時(shí)間內(nèi)發(fā)生的電子與空穴復(fù)合數(shù)相等而達(dá)到平衡 半導(dǎo)體激光器的工作原理和閾值條件 3 4半導(dǎo)體激光器 當(dāng)正向電流密度J達(dá)到閾值J閾后形成激光 數(shù)值例 GaAsP N結(jié)激光器 半導(dǎo)體激光器的工作原理和閾值條件 3 4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 同質(zhì)結(jié)砷化鎵 GaAs 激光器的特性 伏安特性 與二極管相同 也具有單向?qū)щ娦?如圖 3 25 所示 閾值電流密度 影響閾值的因素很多 3 4半導(dǎo)體激光器 顯然 降低J閾的值是提高半導(dǎo)體水平的關(guān)鍵 經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)J閾與以下因素有關(guān) 1 與激光器的具體結(jié)構(gòu)及制備工藝有密切關(guān)系 不同器件a總值差異很大 2 J閾 1 L 即閾值電流密度與腔長(zhǎng)L成反比 3 J閾與工作溫度的關(guān)系十分密切 4 J閾與反射率r1r2有關(guān) 通常兩個(gè)反射面都是天然解理面 故r1 r2 0 32 當(dāng)腔長(zhǎng)轉(zhuǎn)短時(shí) 若1 2L比a總小或接近 一個(gè)端面鍍金反膜會(huì)使J閾明顯降低 但當(dāng)腔長(zhǎng)L較長(zhǎng)時(shí) J閾的降低就不明顯了 圖3 25GaAs激光器的伏安特性 方向性 圖3 26給出了半導(dǎo)體激光束的空間分布示意圖 圖3 26激光束的空間分布示意圖 因?yàn)榘雽?dǎo)體激光器的諧振腔短小 所以激光束的方向性較之其他典型的激光器要差很多 而且由于有源區(qū)厚度很薄 有源區(qū)的條寬比厚度大很多倍 所以在垂直于結(jié)的方向和平行于結(jié)均方向的光束發(fā)散角是不對(duì)稱的 前者要大數(shù)倍 同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 3 4半導(dǎo)體激光器 光譜特性 圖 3 27 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3 27GaAs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 3 4半導(dǎo)體激光器 GaAs的激射光譜線寬比固體和氣體激光器要寬 這是因?yàn)榘雽?dǎo)體產(chǎn)生激光時(shí) 粒子反轉(zhuǎn)分布并不是在兩個(gè)分立的能級(jí)之間 而是在導(dǎo)帶和價(jià)帶之內(nèi) 每個(gè)能帶都包含了許多級(jí) 這就使復(fù)合發(fā)光的光子能量有一個(gè)較寬的能量范圍 由于增益譜線寬 其發(fā)射光譜的單色性就要差一些 實(shí)際的激光器發(fā)射光譜的結(jié)構(gòu)是很復(fù)雜的 光譜寬度隨注入電流增加而變寬 一般可從零點(diǎn)幾納米到幾納米范圍內(nèi)變化 同時(shí) 半導(dǎo)體激光器的光譜隨溫度而變化 當(dāng)溫度升高時(shí) 激光的峰值波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng) 對(duì)GaAs同質(zhì)結(jié)器件 峰值波長(zhǎng)在77K時(shí)為0 84um 300K時(shí)為0 902um 同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 3 4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 3 4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 3 4半導(dǎo)體激光器 轉(zhuǎn)換效率半導(dǎo)體激光器所用的轉(zhuǎn)換效率常用 功率效率 和 量子效率 來度量 P 輸出功率Pth 閾值發(fā)射光功率hv 發(fā)射光子能量i 正向電流ith 正向閾值電流e 電子電量V 正向偏壓RS 激光器串聯(lián)內(nèi)阻 一般同質(zhì)結(jié)激光器在室溫下的功率效率僅有百分之幾 為了提高功率效率應(yīng)盡可能減小內(nèi)阻 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 同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 3 4半導(dǎo)體激光器 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 3 28 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 3 28 c 所示 圖3 28同質(zhì)結(jié) 異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)示意圖 同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 3 4半導(dǎo)體激光器 理論分析及實(shí)驗(yàn)研究表明 同質(zhì)結(jié)激光器難以得到低閾值電流和實(shí)現(xiàn)室溫連續(xù)工作 為此 在同質(zhì)結(jié)的基礎(chǔ)上發(fā)展了異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 從而大大提高了半導(dǎo)體激光器的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值 異質(zhì)結(jié)特點(diǎn) 從提高半導(dǎo)體激光器的性能要求出發(fā) 對(duì)異質(zhì)結(jié)兩側(cè)的材料有如下技術(shù)要求 1 要求兩種材料的晶格常數(shù)盡可能相等 若在結(jié)合的界面處有缺陷 載流子將在界面處復(fù)合掉 不能起到有效的注入 放大和發(fā)光的作用 2 為了獲得較高的發(fā)光效率 要求GaAlAs材料是豎直躍遷型的 3 為了獲得高勢(shì)壘 要求兩種材料的禁帶寬度有較大的差值 同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 3 4半導(dǎo)體激光器