应用光电-第四讲课件

2024/6/161先进战术激光系统先进战术激光系统 20090613在在2009年完成摧毁助推阶段导弹的演示试验年完成摧毁助推阶段导弹的演示试验 2波尔兹曼分布波尔兹曼分布由n0个相同原子组成的系统，在热平衡条件下，原子数按能级分布服从波尔兹曼定律：热平衡条件下，处于高能级状态的粒子数总是小于处于低能级状态的粒子数玻尔兹曼统计分布：玻尔兹曼统计分布：3.3 3.3 激光产生的条件激光产生的条件2024/6/163 3.3.1 3.3.1 激光产生的必要条件激光产生的必要条件 1.1.粒子数反转粒子数反转 光束通过原子与分子系统时，总是同时存在受激发射与受激吸光束通过原子与分子系统时，总是同时存在受激发射与受激吸收的过程。从爱因斯坦关系可知，一般受激吸收远大于受激发射，收的过程。从爱因斯坦关系可知，一般受激吸收远大于受激发射，粒子处于基态；如果激发态的电子数远远多于基态电子数，就会粒子处于基态；如果激发态的电子数远远多于基态电子数，就会使激光工作物质中受激发射占主导地位，这种状态即。使激光工作物质中受激发射占主导地位，这种状态即。3.3 3.3 激光产生的条件激光产生的条件必要条件必要条件：粒子数反转分布粒子数反转分布减少振荡模式减少振荡模式充分条件充分条件：起振起振稳定振荡（形成稳定激光）稳定振荡（形成稳定激光）2024/6/164考虑一个二能级（）系统的粒子数的分布情况。设有一光束通过此系统，频率为：由于受激吸收和发射的存在，光束的能量要发生变化。经dt时间后有：单位体积因吸收减少：单位体积因发射增加：能量总的变化为：由爱因斯坦关系得：2024/6/165 由上式可知，光束在传播过程中能量密度的增减由括号中运算的值决定。据此可以把工作物质状态分为两类：（1）粒子数正常分布 满足：当物质处于热平衡时有由于于是粒子数分布总有工作物质中具有较低能量的一个能级上的粒子数大于较高能量的一个能级上的粒子数即。2024/6/166 （2 2）粒子数反转）粒子数反转 满足：光束在此工作物质中传播光能密度不断增加。正常分布2024/6/167 在激活介质中，粒子数是反转分布的，粒子在能级上的分布情况与波尔兹曼分布情况相反，是“上多下少”。而要达到粒子数反转分布，需要一个机构将低能级粒子抽到高能级，这种机构称为泵浦源泵浦源。2.2.减少振荡模式数减少振荡模式数 基于方向性、单色性的考虑。右图表示了谐振腔中光的振荡，（R11，R21）(a)激活介质中的光放大(b)谐振腔中光的振荡2024/6/1683.3.2 3.3.2 激光产生的充分条件激光产生的充分条件 1.1.起振条件阈值条件起振条件阈值条件 由于R2Eg/e若果正向偏压足够强，满足则能形成和热平衡状态相反的载流子分布，也就是离子束反转+-2024/6/1640半导体激光器半导体激光器o半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注入式、光泵式和高能电子束激励式.绝大多数半导体激光器的激励方式是电注入电注入，即给pn结加正向电压，以使在结平面区域产生受激发射，也就是说是个正向偏置的二极管，因此半导体激光器又称为半导体激光二极管.对半导体来说，由于电子是在各能带之间进行跃迁，而不是在分立的能级之间跃迁，所以跃迁能量不是个确定值，这使得半导体激光器的输出波长展布在一个很宽的范围上.它们所发出的波长在0.3-34um之间 2024/6/1641半导体激光器半导体激光器o世界上第一只半导体激光器是1962年问世的，经过几十年来的研究，半导体激光器得到了惊人的发展，它的波长从红外、红光到蓝绿光，被盖范围逐渐扩大，各项性能参数也有了很大的提高，其制作技术经历了由扩散法到液相外延法(LPE)，气相外延法(VPE)，分子束外延法(MBE),MOCVD方法(金属有机化合物汽相淀积)，以及它们的各种结合型等多种工艺.2024/6/16423.6 3.6 激光脉冲技术激光脉冲技术 普通激光器输出的光脉冲只是一群宽度只有微秒量级、强度不同的小尖峰脉冲序列。激光短脉冲技术包括：激光调Q技术和激光锁模技术。3.6.1 3.6.1 脉冲激光器的尖峰效应脉冲激光器的尖峰效应 不加任何特殊装置的固体脉冲激光器，在一次输出中，激光 脉冲的宽度大约是ms的数量级。而且这个脉冲并不是平滑的，包含着很多宽度更窄的短脉冲序列，其中每一个短脉冲宽度只在微秒量级，而且随着激励的增强短脉冲的时间间隔越小。这种现象被人称做弛豫振荡效应或尖峰振荡效应 2024/6/1643 一个短脉冲的形成和消失,可以由激光系统反转粒子数密度的增减变化来解释.造成系统反转粒子数密度增加的因素是光泵的激励，其增加速率在一个短脉冲的长消过程中可以看成是不变的。使反转粒子数密度减少的因素是受激辐射，其减少速率则因腔内光子数密度的多少而变化。一个短脉冲的生成过程可以分成四个阶段。如图所示:2024/6/16442024/6/1645 由上述的尖峰结构可见，脉冲激光输出具有如下几个特点：(1)总在 附近振荡变化，的总水平不高，因此，增益也就达不到较高的值总输出水平不会太高。(2)在光泵灯闪光的整个时间宽度中，激光出现的时间 较早，结束较晚，也就是指整个激光脉冲宽度很宽。(3)激光脉冲不够平滑。2024/6/1646 3.6.2 3.6.2 激光调激光调Q Q技术技术 调Q原理：泵浦开始时，增大损耗，使振荡难以形成，从而使上能级的反转粒子数密度增大，当积累达到最大值时，突然使谐振腔损耗变小，于是Q值突增，在腔内以极快的速度建立极强的振荡，输出极强的激光脉冲，称为激光巨脉冲或调Q脉冲。谐振腔损耗包括：反射损耗、吸收、衍射、散射、透射损耗，不同的方法、控制不同类型的损耗，就形成不同的调Q方法。2024/6/16471.1.转镜调转镜调Q Q技术技术 通过转镜来控制谐振腔的两个反射镜的平行度，从而控制损耗。如图：2024/6/1648 利用染料对光的吸收系数随光强度变化的特性来调Q的方法的技术，这种Q开关的延迟时间由材料本身的特性决定，不受人为控制，属被动调Q技术。2.2.染料调染料调Q Q技术技术2024/6/1649 3.3.电光调电光调Q Q技术技术 晶体经过特殊方向切割后，在某个方向上加电压，就可以使通过它的线偏振光改变振动方向，且外加电压的数值与振动方向的改变有一定的函数关系，辅一光学器件就构成一个快速光开关，达到调Q目的。2024/6/16504.4.声光调声光调Q Q技术技术 声光器件在腔内按布拉格条件放置，外加高频振荡的超声信号时，光束沿布拉格偏折，偏离了轴向，此时腔内损耗严重，Q值很低，不能形成振荡，但这一阶段使粒子在亚稳态上大量积累，一段时间后，撤销外加声场，光无偏折通过晶体，Q值突然增大，从而输出强的脉冲。2024/6/16513.6.3 3.6.3 激光锁模技术激光锁模技术 激光器有多个振荡模式，它们是非相干的，各自独立的。把激光中所有的模耦合在一起并把各个模的彼此相位关系锁定的方法成为锁模。调Q技术是压缩激光脉冲宽度，提高峰值功率的一种办法，其脉宽下限决定于光子平均驻腔寿命，约为纳秒量级，称为短脉冲。锁模技术可以获得更窄的脉冲，称为超短脉冲。2024/6/1652 锁模方法有以下几种：锁模方法有以下几种：1.主动锁模 2.被动锁模 3.自锁模2024/6/1653 3.7 3.7 激光选模技术激光选模技术 限制参与振荡的模式的相关技术称为激光选模技术，一般分四类：激光谱线选择、激光偏振选择、压缩振荡激光束的发散角（横模选择技术）、限制激光振荡频谱数目的纵模选择技术。1 激光谱线选择 在腔内放置棱镜，通过调整棱镜位置只让需要的波长到达高反射棱镜，完成反馈过程。2024/6/16542 偏振选择 在气体激光器两端放置布儒斯特窗，可使腔镜上反射回来进入工作物质的光束中，TM无损通过，形成振荡。而TE受高反射损耗，难以形成振荡。3 横模选择 通过控制光腔横向尺寸，从而只让基横模TEM00振荡，其他高阶模都不满足振荡条件。横模选择的原则：（1）增大横模与基横模的衍射损耗比 （2）减少激光工作物质的内部损耗和镜面损耗，以及增大谐振腔的衍射损耗在总损耗所占比重。2024/6/1655 4 纵模选择 激光物质的增益线宽是有限的，因而纵模是无源光场允许的分立频率成分的光场。3.8 其他的激光技术介绍 激光稳频技术：解决频率漂移而发展起来的激光技术。激光调制技术：激光作为载波，将信息加载到其上的技术。激光偏转技术：将激光束相对于原始位置作一定规律的偏转扫描。激光倍频技术：利用非线性效应，将光变换为原频率的整数倍的相干光。2024/6/1656总结o本章的重点内容：（交作业）本章的重点内容：（交作业）o1、相干光源与非相干光源的区别是什么？o2、光与物质相互作用的形式有哪几种方式？推导爱因斯坦系数的关系。o3、谱线展宽的概念及其展宽的几种类型？o4、产生激光的条件是什么？组成激光器的主要部分以及每部分的作用是什么？o5、气体、固体以及半导体激光器的工作原理是什么？以一种典型的材料为主展开介绍。2024/6/1657总结o6、激光的调Q技术和锁模技术指什么？分别采用什么方法？（要参考激光原理一书）2024/6/1658Energy band diagram2024/6/1659The density of states and energy distribution of E and H2024/6/1660GaAs homojunction laser diode2024/6/1661Output properties