激光器的设计与制作课件

激光器的设计与制作激光器的设计与制作 -半导体激光技术半导体激光技术 半导体激光器的基本特性半导体激光器的基本特性 光栅反馈半导体激光器光栅反馈半导体激光器 背景介绍背景介绍主要内容主要内容背景介绍背景介绍一、激光的发展简史激光的发展简史 19171917年，爱因年，爱因斯坦提出了斯坦提出了“受激受激辐射辐射”的概念，奠的概念，奠定了激光的理论基定了激光的理论基础。础。19581958年，贝尔实验室的年，贝尔实验室的汤斯和肖洛发表了关于激光汤斯和肖洛发表了关于激光器的经典论文，奠定了激光器的经典论文，奠定了激光发展的基础。发展的基础。这两次发明开创了传统的固体激这两次发明开创了传统的固体激器和气体激光器的时代，自此，激光器和气体激光器的时代，自此，激光走上了高速发展的道路。此后，半导走上了高速发展的道路。此后，半导体激光器、染料激光器、自由电子激体激光器、染料激光器、自由电子激光器都在相应学科的支持下出现。特光器都在相应学科的支持下出现。特别是八十年代，随着光电子学和半导别是八十年代，随着光电子学和半导体技术的发展，光纤激光器和孤子激体技术的发展，光纤激光器和孤子激光器相继出现，将激光引入以光电子光器相继出现，将激光引入以光电子和微电子为主的信息时代。和微电子为主的信息时代。19621962年，年，HeHeNeNe气体激光器在美气体激光器在美国贝尔实验室研制成功。国贝尔实验室研制成功。19601960年，美国人梅曼年，美国人梅曼(T.H.Maiman)(T.H.Maiman)发明了世界上发明了世界上第一台红宝石激光器。第一台红宝石激光器。Maiman Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 表示表示“受激辐射的光放大受激辐射的光放大”二、激光器的三要素激光器的三要素Laser19641964年年1010月，物理学家钱学森建议称之为月，物理学家钱学森建议称之为-激光激光工作物质工作物质：实现粒子数反转实现粒子数反转激励源：激励源：使原子被激发使原子被激发 谐振腔：谐振腔：光放大作用光放大作用三、激光的特性三、激光的特性 l 方向性好方向性好：激光器发出的激光发射角很小，接近于一毫弧度，只有一激光器发出的激光发射角很小，接近于一毫弧度，只有一般探照灯发射角的一百万分之一。即使将其发射到几千米以外，光束的直径也不般探照灯发射角的一百万分之一。即使将其发射到几千米以外，光束的直径也不过增加几厘米。因此输出的能量集中在很小的范围里。过增加几厘米。因此输出的能量集中在很小的范围里。l 单色性好：单色性好：激光具有很好的单色性，是普通光源完全达不到的。在激光激光具有很好的单色性，是普通光源完全达不到的。在激光出现之前，以同位素出现之前，以同位素8686KrKr灯的单色性最好，谱线宽度为灯的单色性最好，谱线宽度为1010-4-4nmnm的量级，而最普通的量级，而最普通的氦氖激光器所输出的红色激光的氦氖激光器所输出的红色激光(632.8(632.8纳米纳米)的谱线宽度达到的谱线宽度达到1010-8-8nmnm的数量级。现的数量级。现代技术的应用可以使谱线宽度缩到更小的范围。代技术的应用可以使谱线宽度缩到更小的范围。l 相干性好：相干性好：就氦氖激光而言，其相干长度可达就氦氖激光而言，其相干长度可达400km400km。l 能量密度大能量密度大：激光的亮度是普通光源的上百万倍。与太阳光比，一支功激光的亮度是普通光源的上百万倍。与太阳光比，一支功率仅为率仅为1 1毫瓦的氦氖激光器的亮度要比太阳光强毫瓦的氦氖激光器的亮度要比太阳光强100100倍；而一台巨型脉冲固体激光倍；而一台巨型脉冲固体激光器的亮度可比太阳亮度高器的亮度可比太阳亮度高100100亿倍。亿倍。四、激光器的分类四、激光器的分类 固体激光器：固体激光器：把金属离子掺入晶体或玻璃基质中把金属离子掺入晶体或玻璃基质中按工作物质分类按工作物质分类气体激光器：气体激光器：原子气体、分子气体和离子气体原子气体、分子气体和离子气体液体激光器：液体激光器：有机染料溶液和无机化合物溶液有机染料溶液和无机化合物溶液半导体激光器：半导体激光器：半导体材料半导体材料红宝石红宝石激光器激光器氦氖激光器氦氖激光器氩离子激光器氩离子激光器染料激光器染料激光器半导体激光器半导体激光器光栅反馈半导体激光器光栅反馈半导体激光器五、半导体激光器的发展历史五、半导体激光器的发展历史 早在早在1962年，第一台激光器问世后的年，第一台激光器问世后的2年多年多,第一代半导体激光器也就出现了，这时第一代半导体激光器也就出现了，这时候的半导体激光器为候的半导体激光器为GaAS同质结半导体激光器同质结半导体激光器,阂值电流密度非常高阂值电流密度非常高,通常通常105A/cm2,只只能在液氮超低温度下脉冲工作能在液氮超低温度下脉冲工作,因而毫无实用价值因而毫无实用价值,但他们的一些基本理论与实践至今仍但他们的一些基本理论与实践至今仍是有意义的。是有意义的。1967年在半导体激光发展史上一个重要的突破是一反过去用扩散法形成同质年在半导体激光发展史上一个重要的突破是一反过去用扩散法形成同质PN结结的惯例的惯例,而用液相外延的方法制成了单异质结激光器而用液相外延的方法制成了单异质结激光器,从而实现了在室温下脉冲工作的半从而实现了在室温下脉冲工作的半导体激光器。导体激光器。1970年年,又实现了双异质结构的半导体激光器又实现了双异质结构的半导体激光器,使半导体激光器在室温下使半导体激光器在室温下连续工作。这就是第二代半导体激光器连续工作。这就是第二代半导体激光器-异质结半导体激光器。异质结半导体激光器。IBM公司的江崎公司的江崎(L.ESaki)和朱兆祥首先开始的能带工程造就的量子阱激光器以及应和朱兆祥首先开始的能带工程造就的量子阱激光器以及应变量子阱激光器变量子阱激光器 六、半导体激光器的优点六、半导体激光器的优点 转换效率高：转换效率高：半导体激光器是直接的电子半导体激光器是直接的电子-光子转换器光子转换器,因而它的转换效率很高。因而它的转换效率很高。覆盖的波段范围广：覆盖的波段范围广：可以通过选用不同的半导体激光器有源材料或改变多元可以通过选用不同的半导体激光器有源材料或改变多元 化合物半导体各组元的组分化合物半导体各组元的组分,而得到范围很广的激射波长以满足不同的需要。而得到范围很广的激射波长以满足不同的需要。使用寿命长：使用寿命长：目前用于光纤通讯的半导体激光器，其工作寿命可达到数十万乃目前用于光纤通讯的半导体激光器，其工作寿命可达到数十万乃至百万小时。至百万小时。易调制：易调制：具有直接调制的能力并且调制带宽非常高具有直接调制的能力并且调制带宽非常高,是半导体激光器有别于其它是半导体激光器有别于其它激光器的一个重要特点。可用高激光器的一个重要特点。可用高 达达GHZ的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出，可实行温度调谐和电流调谐。输出，可实行温度调谐和电流调谐。其它优点其它优点：体积小、效率高、寿命长，可采用简单的电流注入方式来泵浦；其体积小、效率高、寿命长，可采用简单的电流注入方式来泵浦；其工作电压和电流与集成电路兼容，因而有可能与之单片集成工作电压和电流与集成电路兼容，因而有可能与之单片集成.七、半导体激光器的应用七、半导体激光器的应用 信息存储信息存储与处理与处理科学研究科学研究军事军事 应用应用光通信光通信半导体激光器的应用半导体激光器的应用医学医学 应用应用 半导体激光器又称为半导体激光二半导体激光器又称为半导体激光二极管，或简称激光二极管，英文缩写为极管，或简称激光二极管，英文缩写为LD (Laser Diode)LD (Laser Diode)，是实用中最重要，是实用中最重要的一类激光器的一类激光器。缺点：缺点：半导体激光器当然也有它的缺点半导体激光器当然也有它的缺点:激光性能受温度影响大激光性能受温度影响大,光束的发散角光束的发散角较大较大(一般在几度到一般在几度到2020度之间度之间),),所以在方向性，单色性和相干性等方面较差，但所以在方向性，单色性和相干性等方面较差，但随着科学技术的迅速发展随着科学技术的迅速发展,半导体激光器的研究正向纵深方向推进半导体激光器的研究正向纵深方向推进,半导体激光器半导体激光器的性能在不断地提高。的性能在不断地提高。右图是半导体激光器的简化模型，中间的小长条右图是半导体激光器的简化模型，中间的小长条形区域是掺杂了的有源层形区域是掺杂了的有源层,受激辐射的生产和放大都受激辐射的生产和放大都是在这个区域产生，有源层的一端镀上高反射膜是在这个区域产生，有源层的一端镀上高反射膜,另另一端镀上一端镀上14%一一70%的反射膜的反射膜,形成谐振腔，当形成谐振腔，当PN结结加正偏压时加正偏压时,降低了降低了P区和区和N区之间的势垒区之间的势垒,电子和空穴电子和空穴分别从分别从N区和区和P区向有源区注入区向有源区注入,形成粒子数反转形成粒子数反转,电子电子由导带向价带跃迁时由导带向价带跃迁时,产生一定波长的光产生一定波长的光,这些光在两这些光在两端面上来回反射通过有源层端面上来回反射通过有源层,同时又引起新的电子受同时又引起新的电子受激跃迁激跃迁,使光场不断增强，当光的增益大于损耗时使光场不断增强，当光的增益大于损耗时,就就形成发射激光的阈值条件形成发射激光的阈值条件,结型激光器提供增益的手结型激光器提供增益的手段是加正向电流，当正向电流较小段是加正向电流，当正向电流较小,注入的载流子较注入的载流子较少少,增益未能克服腔内的损耗时也能发射光增益未能克服腔内的损耗时也能发射光,但这是自但这是自发辐射发辐射,当增益超过损耗时当增益超过损耗时,腔内建立起振荡模式腔内建立起振荡模式,发射发射谱线变尖锐谱线变尖锐,发射亮度剧增发射亮度剧增,这时开始发射激光这时开始发射激光,开始发开始发射激光时的注入电流密度称为阈值电流密射激光时的注入电流密度称为阈值电流密Ith。半导体激光器的工作原理半导体激光器的工作原理半导体激光器的基本特性半导体激光器的基本特性泵浦源：泵浦源：通常采用电压很低的通常采用电压很低的 直流电源直流电源激光工作物质激光工作物质：直接带隙半导体材料直接带隙半导体材料-砷化稼砷化稼(GaAs)(GaAs)、砷化铟砷化铟(InAs)(InAs)、铝稼砷、铝稼砷(A1(A1x xGaAs)GaAs)、铟磷砷、铟磷砷 (InP(InPx xAs)As)等等等等 谐振腔：谐振腔：半导体介质的自然解理面半导体介质的自然解理面 构成平行平面腔构成平行平面腔 三个基本条件三个基本条件 建立起激射媒质建立起激射媒质(有源区有源区)内载流子的反转分布。内载流子的反转分布。在半导体中代表电子能在半导体中代表电子能量的是由一系列接近于连续的能级所组成的能带，因此在半导体中要实现粒量的是由一系列接近于连续的能级所组成的能带，因此在半导体中要实现粒子数反转，必须使处在高能态导带底的电子数比处在低能态价带顶的空穴数子数反转，必须使处在高能态导带底的电子数比处在低能态价带顶的空穴数大很多，这靠给同质结或异质结加正向偏压，向有源层内注入必要的载流子大很多，这靠给同质结或异质结加正向偏压，向有源层内注入必要的载流子来实现，将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带中去。当处于粒子来实现，将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带中去。当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。要实际获得相干受激辐射，必须使受激辐射在光学谐振腔内得到多次反馈要实际获得相干受激辐射，必须使受激辐射在光学谐振腔内得到多次反馈而形成激光振荡。而形成激光振荡。激光器的谐振腔是由半导体的自然解理面作为反射镜形成的，激光器的谐振腔是由半导体的自然解理面作为反射镜形成的，用半导体解理面构成共振腔，能获得的反射率一般只有用半导体解理面构成共振腔，能获得的反射率一般只有3030左右，为适应某些左右，为适应某些应用的要求，腔镜达到高反射率，可以在有源层两侧各交替迭加许多层折射率应用的要求，腔镜达到高反射率，可以在有源层两侧各交替迭加许多层折射率不同的半导体材料。不同的半导体材料。为了形成稳定振荡，激光媒质必须能提供足够大的增益，为了形成稳定振荡，激光媒质必须能提供足够大的增益，以弥补谐振腔以弥补谐振腔引起的光损耗及从腔面的激光输出等引起的损耗，不断增加腔内的光场。这引起的光损耗及从腔面的激光输出等引起的损耗，不断增加腔内的光场。这就必须要有足够强的电流注入，即有足够的粒子数反转，粒子数反转程度越就必须要有足够强的电流注入，即有足够的粒子数反转，粒子数反转程度越高，得到的增益就越大，即要求必须满足一定的电流阈值条件。当激光器达高，得到的增益就越大，即要求必须满足一定的电流阈值条件。当激光器达到阈值时，具有特定波长的光就能在腔内谐振并被放大，最后形成激光而连到阈值时，具有特定波长的光就能在腔内谐振并被放大，最后形成激光而连续地输出。续地输出。半导体激光二极管输出功率及波长与温度的关系半导体激光二极管输出功率及波长与温度的关系 半导体激光器的功率输出特性半导体激光器的功率输出特性输出功率与温度的关系输出功率与温度的关系输出波长与激光器温度的关系输出波长与激光器温度的关系 当注入电流当注入电流IIIIIIthth时，输出光功率随注入电流的时，输出光功率随注入电流的增加而迅速增大，产生激光振荡。增加而迅速增大，产生激光振荡。I Ithth被称为阈值电流，其大小由激光器的被称为阈值电流，其大小由激光器的结构决定并与激光器的温度有关结构决定并与激光器的温度有关随着温度的降低，随着温度的降低，I Ithth减小。当注入电减小。当注入电流一定时，输出功率随温度降低而增大。流一定时，输出功率随温度降低而增大。半导体激光器的功率输出特性半导体激光器的功率输出特性PIIthPI曲线曲线输出功率与注入电流的关系输出功率与注入电流的关系阈值电流与激光器温度的关系阈值电流与激光器温度的关系半导体激光二极管的注入电流半导体激光二极管的注入电流 半导体材料中原子按一定规律紧密排列半导体材料中原子按一定规律紧密排列,由于原子间构成共价键结构由于原子间构成共价键结构,各原子之间保持一定的距离形成空间的周期性势场，电子在这样的周期性势各原子之间保持一定的距离形成空间的周期性势场，电子在这样的周期性势场中的形成了带状的能量本征态，最外层价电子相对应的能带叫做价带场中的形成了带状的能量本征态，最外层价电子相对应的能带叫做价带,价价带上面的能带称为导带带上面的能带称为导带,导带底和价带顶的部分称为禁带导带底和价带顶的部分称为禁带,其宽度称为带，激其宽度称为带，激光器发出的光是由电子从导带跃迁到价带时辐射出来的光器发出的光是由电子从导带跃迁到价带时辐射出来的,所以输出光的频率所以输出光的频率首先由带隙大致确定。首先由带隙大致确定。半导体激光器的波长调谐特性半导体激光器的波长调谐特性 激光器可以输出的激光频率还要受到谐振腔的限制，只有频率满足激光器可以输出的激光频率还要受到谐振腔的限制，只有频率满足v=kv=kc c/2/2n nL,L,n n和和L L分别为半导体材料的折射率和长度，分别为半导体材料的折射率和长度，c c为光速，为光速，k k为大于为大于0 0的整的整数。数。改变腔长改变腔长,或者半导体介质的折射率或者半导体介质的折射率,或者改变增益曲线的位或者改变增益曲线的位置置,就能对激光器波长进行调谐，通常通过改变温度和电流来达就能对激光器波长进行调谐，通常通过改变温度和电流来达到这个目的。到这个目的。半导体激光器的波长调谐特性半导体激光器的波长调谐特性温度对波长的调谐温度对波长的调谐 禁带宽度随禁带宽度随温度升高变窄，温度升高变窄，半导体激光器的半导体激光器的波长发生红移。典型的波长发生红移。典型的温度调谐曲线如图所示，随着温度的升高，半导体激光器的发射波长温度调谐曲线如图所示，随着温度的升高，半导体激光器的发射波长以阶梯形式跳跃变化，跳跃是由增益曲线移动引起的纵模之间的跳变以阶梯形式跳跃变化，跳跃是由增益曲线移动引起的纵模之间的跳变引起的。引起的。半导体激光器的波长调谐特性半导体激光器的波长调谐特性半导体激光器的波长调谐特性半导体激光器的波长调谐特性 半导体激光器的注入电流的变化导致的载流子浓度的变化不但会引起半导体激光器的注入电流的变化导致的载流子浓度的变化不但会引起材料折射率的改变，而且也会改变增益系数。材料折射率的改变，而且也会改变增益系数。因此半导体激光器的波长会因此半导体激光器的波长会随着注入电流的改变而改变。典型的电流调谐曲线与温度调谐曲线很相似，随着注入电流的改变而改变。典型的电流调谐曲线与温度调谐曲线很相似，也是以阶梯形式变化的。也是以阶梯形式变化的。为传输常数的变化量为传输常数的变化量 nn为折射率的变化量为折射率的变化量 gg为增益系数的变化量为增益系数的变化量 为线宽增加因子为线宽增加因子 电流对波长的调谐电流对波长的调谐Hitachi HL7851G Hitachi HL7851G 多量子阱激光二极管多量子阱激光二极管输出光波长：输出光波长：785nm785nm最大输出光功率：最大输出光功率：50mw50mw腔长：腔长：600600微米微米波长的电流调谐率：波长的电流调谐率：0.004nm/mA0.004nm/mA波长的温度调谐率：波长的温度调谐率：0.05nm/0.05nm/C C增益介质增益介质 GaAlAsGaAlAs标称参数：标称参数：工作温度工作温度2525C C时时激光二极管内部谐振腔决定的纵模频率为：激光二极管内部谐振腔决定的纵模频率为：=kc/2nL那相应的纵模间隔为：那相应的纵模间隔为：=c/2nL每个纵模的半高全宽每个纵模的半高全宽(线宽线宽)为为：半导体激光二极管输出的激光的线宽半导体激光二极管输出的激光的线宽 反射率越高反射率越高,或者腔长越长或者腔长越长,激光的线宽越窄激光的线宽越窄。光栅反馈半导体激光器的频率调谐特性光栅反馈半导体激光器的频率调谐特性光反馈：光反馈：外腔半导体激光器外腔半导体激光器(Extended/External Cavity Diode Laser,ECDL)就是通过一个延长的外腔以增加有效腔长就是通过一个延长的外腔以增加有效腔长,并引入光栅反馈来压窄线宽。并引入光栅反馈来压窄线宽。基于光与原子相互作用需要用激光来和原子的超精细能级相作用基于光与原子相互作用需要用激光来和原子的超精细能级相作用,对对激光的线宽要求很窄，激光的线宽要求很窄，87Rb的超精细能级的自然线宽约的超精细能级的自然线宽约6MHz,因此对激因此对激光的线宽要在光的线宽要在MHz量级，由上一节的分析知道量级，由上一节的分析知道,激光器每个纵模的线宽和激光器每个纵模的线宽和腔长成反比，半导体激光二极管的腔长成反比，半导体激光二极管的PN结腔长约结腔长约300um,非常小非常小,其纵模的其纵模的线宽约为线宽约为10GHz量级量级,远达不到实验的要求远达不到实验的要求,需要对其线宽进行压窄。需要对其线宽进行压窄。怎么办？怎么办？问题：问题：发展了多种基于外部光学反馈的技术手段，来解决上述问题。发展了多种基于外部光学反馈的技术手段，来解决上述问题。在光反馈技术中，光栅外部反馈是一种简单而有效的方法。在光反馈技术中，光栅外部反馈是一种简单而有效的方法。外腔激光器压窄线宽的原理外腔激光器压窄线宽的原理光栅光栅1级衍射光满足布拉格条件级衍射光满足布拉格条件二极管线宽二极管线宽影响激光频率及线宽的因素影响激光频率及线宽的因素:有源层的增益曲线有源层的增益曲线,内腔模内腔模,外腔模外腔模,光栅谱形。光栅谱形。半导体激光的各种选频因素半导体激光的各种选频因素影响激光器频率的因素有源层的增益曲线有源层的增益曲线-温度和注入电流温度和注入电流内腔模内腔模-在选购二极管过程中可以选择在选购二极管过程中可以选择 外腔模外腔模-调整外腔的腔长调整外腔的腔长,外腔模就会移动外腔模就会移动,外腔激光外腔激光器的频率也就随着改变器的频率也就随着改变由于有两个腔存在,波长要同时满足两个腔的谐振条件很困难,还要满足光栅的衍射条件所以用普通的FP激光二极管+衍射光栅做成的外腔激光器虽然单模线宽很窄,但是能以单模工作的波长小范围只是许多个很窄的小区域,并且十分难寻找，其它区域都是跳模或者多模方式,严重影响了调谐性能,激光器甚至会以脉冲方式工作，其实内腔对线宽压窄没有太大意义,一般的外腔激光器都使用专门的一面镀了增透膜(反射率0.005%)的激光二极管做泵浦，这样相当于只有高反膜和衍射光栅之间的一个谐振腔起作用，使用衍射光栅形成外腔反馈后半导体激光器的线宽被压窄至数百kHz的量级,并且激光器工作非常稳定,能满足大多数包括原子物理在内的科学实验的要求。增透膜并不能完全在所有的波长上消除反射,所以内腔的作用还是存在的这使得在改变波长的时候容易发生跳模，多模,严重时甚至会出现脉冲光,引起激光器不稳定，为了抵消这种效应,可以提高光栅的衍射效率,使得反馈回来的光强增加,压制内腔模,使激光器稳定，但这样又使得激光器的输出功率减小，在实际情况中,两者往往需要根据需要来折中。实际情况实际情况波长可调谐半导体激光器的应用波长可调谐半导体激光器的应用 目前，人类已进入信息社会。光纤通信在信息社会中起目前，人类已进入信息社会。光纤通信在信息社会中起着很重要的作用，在目前的光纤通信系统中通过波分复用技着很重要的作用，在目前的光纤通信系统中通过波分复用技术可以增加光信号传输的容量。要术可以增加光信号传输的容量。要达到大数量地传输不同频达到大数量地传输不同频率的光信号，必须使用目前倍受瞩目的密集波分复用技术。率的光信号，必须使用目前倍受瞩目的密集波分复用技术。波分复用技术波分复用技术简单的说：就是可以在同一条光纤上同时传输简单的说：就是可以在同一条光纤上同时传输多种波长的光。在密集波分复用系统中，要求传输信号的激多种波长的光。在密集波分复用系统中，要求传输信号的激光器波长具有可调谐特性，发射波长具有较窄的线宽，线宽光器波长具有可调谐特性，发射波长具有较窄的线宽，线宽越窄，系统可设计的通路数就越高。由于半导体激光器有频越窄，系统可设计的通路数就越高。由于半导体激光器有频率可调谐、能快速调制、体积小、易工作在单模、易改进、率可调谐、能快速调制、体积小、易工作在单模、易改进、易变形、易规模生产等优点，在光通讯等实际应用领域中有易变形、易规模生产等优点，在光通讯等实际应用领域中有着重要而广泛的应用。着重要而广泛的应用。1st Trap low-energy atoms:optical molasses with laser traps.Still not cold enough!http:/www.colorado.edu/physics/2000/bec/index.html1997Chu,Cohen,Phillips2nd Trap those cold atoms in a magnetic trap and do evaporative cooling:T nK!Cornell,Ketterle,Weiman2001 Light speed reduction Nature publication:17 metres per secondin an ultracold atomic gasLaser cooling Quantum information Information storage and readout,quantum information transformationLaser cooling激光为什么能制冷呢？原来，物体的激光为什么能制冷呢？原来，物体的原子总是在不停地做无规则运动，这原子总是在不停地做无规则运动，这实际上就是表示物体温度高低的热运实际上就是表示物体温度高低的热运动，即原子运动越激烈，物体温度越动，即原子运动越激烈，物体温度越高；反之，温度就越低。所以，只要高；反之，温度就越低。所以，只要降低原子运动速度，就能降低物体温降低原子运动速度，就能降低物体温度。激光制冷的原理就是利用大量的度。激光制冷的原理就是利用大量的光子阻碍原子运动，使其减速，从而光子阻碍原子运动，使其减速，从而降低了物体温度。降低了物体温度。将离子限制在电磁势阱中，并用频率稍低于离子共振频率的激光轰将离子限制在电磁势阱中，并用频率稍低于离子共振频率的激光轰击俘获的离子。在静止状态时，离子吸收频率等于其共振频率的光击俘获的离子。在静止状态时，离子吸收频率等于其共振频率的光子；当离子迎着激光照射的方向运动时，由于子；当离子迎着激光照射的方向运动时，由于多普勒效应多普勒效应激光的频激光的频率会变大，当激光频率达到离子共振频率的时候，离子就会吸收光率会变大，当激光频率达到离子共振频率的时候，离子就会吸收光子。由于光子和离子的动量方向相反，离子吸收光子之后其运动速子。由于光子和离子的动量方向相反，离子吸收光子之后其运动速度会降度会降 低从而冷却，冷却效应会一直持续下去直到被激光的加热低从而冷却，冷却效应会一直持续下去直到被激光的加热效应所平衡效应所平衡 ，加热效应在有激光的时候总是存在的，加热效应在有激光的时候总是存在的。激光减速一个最重要的应用就是在原子频标的应用，由于原子的激光减速一个最重要的应用就是在原子频标的应用，由于原子的移动，那么必然存在多普勒频移，导致频率不准确。移动，那么必然存在多普勒频移，导致频率不准确。摆钟的周期摆钟的周期T=2兀兀 L/g，和重力加速度有关，天文学家发觉在不，和重力加速度有关，天文学家发觉在不同地点量度的世界时出现差别。稍后发现这种差别是由于地轴摆同地点量度的世界时出现差别。稍后发现这种差别是由于地轴摆动而引起的。动而引起的。一秒为铯一秒为铯133原子基态两个超精细能级间跃迁辐射原子基态两个超精细能级间跃迁辐射 9 192 631 770 周所持续的时间。周所持续的时间。外腔式半导体激光器系统在实验室的应用左图是利用我们自左图是利用我们自制半导体激光器采制半导体激光器采取的试验室数据。取的试验室数据。成功的取得了成功的取得了V3型型能级系统的能级系统的EIT窗窗口和六波口和六波（SWM）混频信）混频信号。号。（V3）EITSWM由一个高空间分辨率的面阵探测器（由一个高空间分辨率的面阵探测器（CCDCCD）记录光场的二维空间强度分布）记录光场的二维空间强度分布信息；透射光束方向为物光路，辐照于待测目标上的光子经目标反射后由信息；透射光束方向为物光路，辐照于待测目标上的光子经目标反射后由聚光镜会聚于单像素探测器上，该单像素探测器记录目标反射回来的总光聚光镜会聚于单像素探测器上，该单像素探测器记录目标反射回来的总光强。在获得一定独立样本数的条件下，通过将参考光路强。在获得一定独立样本数的条件下，通过将参考光路CCDCCD记录的二维空记录的二维空间强度分布信息与物光路单像素探测器记录的强度信息进行强度关联处理，间强度分布信息与物光路单像素探测器记录的强度信息进行强度关联处理，便可以获得待测目标的实空间像。在整个成像过程中，由于物光路仅用于便可以获得待测目标的实空间像。在整个成像过程中，由于物光路仅用于探测待测目标的反射信息而参考光路仅用于成像，因此与传统光学成像技探测待测目标的反射信息而参考光路仅用于成像，因此与传统光学成像技术相比，强度关联成像技术不但实现了探测器与成像时的分离，而且实现术相比，强度关联成像技术不但实现了探测器与成像时的分离，而且实现了待测目标的非局域成像了待测目标的非局域成像量子纠缠鬼成像量子纠缠鬼成像（又称（又称“强度关联成像强度关联成像”）以纠缠光或者热光作为光源，经过分光以纠缠光或者热光作为光源，经过分光棱镜将光束分为反射光束和透射光束。棱镜将光束分为反射光束和透射光束。在强度关联实验中，不包含物体信息的在强度关联实验中，不包含物体信息的那一路称为参考光路（本图中的反射光那一路称为参考光路（本图中的反射光束），束），上海光机所建成的国际上第一台激光三维强度关联成像工程原理样机3D3D相机可显示出相机可显示出拍摄对象的三维拍摄对象的三维信息（左：一般信息（左：一般图像图像 右：三维右：三维成像图片）成像图片）存在的技术难点：存在的技术难点：纠缠光子需要同时达纠缠光子需要同时达到探测器，才能进行到探测器，才能进行单光子符合测量成像，单光子符合测量成像，但是由于探测的目标但是由于探测的目标是运动的，所以我们是运动的，所以我们需要大量的计算目标需要大量的计算目标的距离，计算量非常的距离，计算量非常大。大。下面利用一种偏振的下面利用一种偏振的手法来测量目标三维手法来测量目标三维成像，很好的解决了成像，很好的解决了参考光和探测光的同参考光和探测光的同步问题。步问题。战斗机要躲避敌方雷达搜索，有很多种方法：在敌方雷达频段内释战斗机要躲避敌方雷达搜索，有很多种方法：在敌方雷达频段内释放噪声可以干扰雷达信号的接受；抛洒大量金属箔条能让雷达接受放噪声可以干扰雷达信号的接受；抛洒大量金属箔条能让雷达接受到错误的反射；而修改飞机形状，涂抹吸收雷达波的涂料，则会让到错误的反射；而修改飞机形状，涂抹吸收雷达波的涂料，则会让对方雷达作用距离大大降低。对方雷达作用距离大大降低。利用光子的量子特性来进行雷达扫描，他们使用了偏振光子来探测物体。被探测到飞机可以很轻易的截获这些光子，然后改变其偏振特性，再重新发送，让飞机看起来好像是在其他地方这就是所谓的隐形。然而，根据量子原理，在测量一个光子的属性的时候，光子的量子属性就会被破坏，这是有规律可循的也就是说，雷达操控着永远可以检测到飞机释放的干扰。利用了这一点，研发出了上文所提到的量子成像雷达，不管是否受到干扰，它都能成功知道对方的位置在哪。已经在一些飞机型的目标上测试了已经在一些飞机型的目标上测试了这种技术，并且获得了返回信号的这种技术，并且获得了返回信号的偏振错误率。在没有干扰的时候，偏振错误率。在没有干扰的时候，系统很容易就描绘出一架隐形飞机系统很容易就描绘出一架隐形飞机的形状，而当目标干扰信号，试图的形状，而当目标干扰信号，试图把自己伪装成一只鸟时，返回的图把自己伪装成一只鸟时，返回的图像中出现了很明显的改变，实际上，像中出现了很明显的改变，实际上，它也是被发现了。它也是被发现了。考虑到系统的整体稳定性考虑到系统的整体稳定性,将半导体激光器、准直透镜、光栅及其镜架将半导体激光器、准直透镜、光栅及其镜架固定在一块较厚的底板上固定在一块较厚的底板上,并罩在有机玻璃罩内减小空气流动的影响。并罩在有机玻璃罩内减小空气流动的影响。光栅反馈半导体激光器光栅反馈半导体激光器闪耀闪耀光栅光栅PZTLD准直透镜准直透镜