第一章-激光原理及技术课件

1第第1章章 激光原理及技术激光原理及技术21.1 辐射理论概要辐射理论概要n n光量子学说及光的波粒二象性n n原子能级、简并度及波尔兹曼分布n n光和物质的相互作用3光量子学说及光的波粒二象性光量子学说及光的波粒二象性n n两种学说的争论3光的微粒说光的微粒说光的波动说光的波动说光光本本性性的的两两种种观观点点代表人物：牛顿代表人物：牛顿观点：光是一种微观粒子，光的传播观点：光是一种微观粒子，光的传播就是粒子的传播就是粒子的传播代表人物：惠更斯代表人物：惠更斯观点：光是一种机械波，光的传播观点：光是一种机械波，光的传播就是机械波的传播就是机械波的传播现象：光的直线传播、反射、黑体现象：光的直线传播、反射、黑体辐射、原子线状光谱和光电效应辐射、原子线状光谱和光电效应现象：光的直线传播、反射、干涉、现象：光的直线传播、反射、干涉、衍射和偏振衍射和偏振419世纪世纪60年代，年代，麦克斯韦麦克斯韦建立了建立了电磁场理论电磁场理论，认为光是一定，认为光是一定频率范围的电磁波，为光的波动说奠定了基础。频率范围的电磁波，为光的波动说奠定了基础。光的本质的争论积分形式的麦克斯韦方程组积分形式的麦克斯韦方程组:(1)电场高斯定理:在时变的条件下，从任意一个闭合曲面出来的D的净通量，应等于该闭曲面所包围的体积内全部自由电荷之总和。(2)法拉第电磁感应定律:电场强度E沿任意闭合曲线的线积分等于穿过由该曲线所限定面积的磁通对时间的变化率的负值。(3)磁场高斯定理:对于任意一个闭合曲面，有多少磁通进入,就有同样数量的磁通离开。(4)安培环路定理:磁场强度H沿任意闭合曲线的线积分，等于穿过此曲线限定面积的全电流。(1)(2)(3)(4)551900年，普朗克在研究黑体辐射时提出了辐射的量子理论：年，普朗克在研究黑体辐射时提出了辐射的量子理论：能量的能量的量子化理论量子化理论，即能量是一份一份不连续的，最，即能量是一份一份不连续的，最小能量单位就是一个量子。小能量单位就是一个量子。19世纪世纪60年代，麦克斯韦建立了年代，麦克斯韦建立了电磁场理论电磁场理论，认为光是一定，认为光是一定频率范围的电磁波，为光的波动说奠定了基础。频率范围的电磁波，为光的波动说奠定了基础。1905年，爱恩斯坦在麦克斯韦和普朗克的基础上建立起了年，爱恩斯坦在麦克斯韦和普朗克的基础上建立起了光量子学说光量子学说：光在传播的过程中具有波动性，而在光与物质相互作用光在传播的过程中具有波动性，而在光与物质相互作用的过程中又表现出粒子性，光能量集中在一些叫做光量子的过程中又表现出粒子性，光能量集中在一些叫做光量子（光子）的粒子上。（光子）的粒子上。从此，从此，光具有波粒二象性光具有波粒二象性的观点为人们所接受。的观点为人们所接受。光量子学说及光的波粒二象性光量子学说及光的波粒二象性6原子能级原子能级n n玻尔理论玻尔理论玻尔理论玻尔理论：关于原子结构的一种理论。：关于原子结构的一种理论。：关于原子结构的一种理论。：关于原子结构的一种理论。19131913年，玻尔在年，玻尔在年，玻尔在年，玻尔在卢瑟福原子模型卢瑟福原子模型卢瑟福原子模型卢瑟福原子模型基础上基础上基础上基础上加上加上加上加上普朗克的量子概念普朗克的量子概念普朗克的量子概念普朗克的量子概念后提出的。后提出的。后提出的。后提出的。玻尔理论包括三条假说玻尔理论包括三条假说：1、原子能量的量子化假设、原子能量的量子化假设：原子只能：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中的原子是稳定的，不向外辐射能量。态中的原子是稳定的，不向外辐射能量。2、原子能级的跃迁假设、原子能级的跃迁假设：原子从一个：原子从一个定态跃迁到另一个定态时，原子辐射一定频定态跃迁到另一个定态时，原子辐射一定频率的光子，光子的能量由这两种定态的能量率的光子，光子的能量由这两种定态的能量差决定。差决定。3、原子中电子运动轨道量子化假设、原子中电子运动轨道量子化假设：原子的不同能量状态对应于电子的不同运行原子的不同能量状态对应于电子的不同运行轨道。由于原子的能量状态是不连续的，电轨道。由于原子的能量状态是不连续的，电子运动的轨道也是不连续的。子运动的轨道也是不连续的。7光子简并度光子简并度虽然处于同一光子态的光子数并非严格的不随时间的变化，但虽然处于同一光子态的光子数并非严格的不随时间的变化，但其其平均光子数平均光子数是可以确定的。是可以确定的。处于同一光子态的平均光子数叫做处于同一光子态的平均光子数叫做光子简并度光子简并度。注意：提高光子简并度，可以获得高相干光，是激光产生的注意：提高光子简并度，可以获得高相干光，是激光产生的物理基础。物理基础。光子是玻色子光子是玻色子，不遵循泡利不相容原理，服从，不遵循泡利不相容原理，服从玻尔兹曼统计分布规律玻尔兹曼统计分布规律，即：，即：处于处于同一状态的光子可以有无数个同一状态的光子可以有无数个。多个光子处于同一状态的现象，叫做。多个光子处于同一状态的现象，叫做简简并并。光子简并度光子简并度有以下几种相同的含义：有以下几种相同的含义：同态光子数；同态光子数；同一模式的光子数；同一模式的光子数；处于同一相格，偏振状态相同的光子数。处于同一相格，偏振状态相同的光子数。电子电子是费米子，遵循泡利不相容原理是费米子，遵循泡利不相容原理：处于同一状态的电子只有一个。：处于同一状态的电子只有一个。8玻尔兹曼统计分布玻尔兹曼统计分布n n定义：处于热平衡状态时，粒子数按照能级的分布规律。定义：处于热平衡状态时，粒子数按照能级的分布规律。定义：处于热平衡状态时，粒子数按照能级的分布规律。定义：处于热平衡状态时，粒子数按照能级的分布规律。玻尔兹曼统计分布：玻尔兹曼统计分布：能级能级 和和 的简的简并度，并度，或称统计权重或称统计权重结论结论：热平衡状态时，低能级的粒子数总要比高能级：热平衡状态时，低能级的粒子数总要比高能级的粒子数多。的粒子数多。9光和物质相互作用光和物质相互作用光与物质相互作用同时存在三个过程：n自发辐射自发辐射n受激吸收受激吸收n受激辐射受激辐射10自发辐射发光前发光前发光后发光后11自发辐射自发辐射普通光源普通光源（白炽灯、日光灯、高压水银灯）的发光过程（白炽灯、日光灯、高压水银灯）的发光过程为自发辐射。各原子自发辐射发出的光彼此独立，频率、为自发辐射。各原子自发辐射发出的光彼此独立，频率、振动方向、相位不一定相同振动方向、相位不一定相同为为非相干光非相干光。自发跃迁几率（自发跃迁爱因斯坦系数）：自发跃迁几率（自发跃迁爱因斯坦系数）：原子在能级原子在能级 的平均寿命的平均寿命只与原子本身性质有关，与辐射场无关。只与原子本身性质有关，与辐射场无关。12受激吸收受激吸收吸收前吸收前吸收后吸收后受激吸收跃迁几率：受激吸收跃迁几率：受激吸收跃迁爱因斯坦系数：受激吸收跃迁爱因斯坦系数只与原子本身性质有关。只与原子本身性质有关。与原子本身性质和辐射场能量密度有关。与原子本身性质和辐射场能量密度有关。13受激辐射受激辐射发光前发光前发光后发光后当外来光子的频率满足当外来光子的频率满足 时，使原子中处于高时，使原子中处于高能级的电子在外来光子的激发下向低能级跃迁而发光。能级的电子在外来光子的激发下向低能级跃迁而发光。：受激辐射跃迁爱因斯坦系数：受激辐射跃迁爱因斯坦系数只与原子本身性质有关只与原子本身性质有关受激辐射跃迁几率：受激辐射跃迁几率：与原子本身性质和辐射场能量密度有关与原子本身性质和辐射场能量密度有关注意：受激辐射光子与外来光子注意：受激辐射光子与外来光子注意：受激辐射光子与外来光子注意：受激辐射光子与外来光子频率频率频率频率、相位相位相位相位、偏振方向偏振方向偏振方向偏振方向和和和和传播传播传播传播 方向方向方向方向都相同。都相同。都相同。都相同。14课堂小结课堂小结n n光的波粒二象性n n原子能级、光子简并度的概念n n光子玻尔兹曼统计分布规律n n光和物质的相互作用的三个过程及其特点151.2 激光产生的原理及条件激光产生的原理及条件n n1.粒子数反转分布粒子数反转分布n n2.光的受激放大与谐振腔光的受激放大与谐振腔n n3.激光形成的基本条件与阈值条件激光形成的基本条件与阈值条件n n4.激光器的结构形式激光器的结构形式n n5.激光器的分类及特点激光器的分类及特点16粒子数反转分布 当系统处于热平衡时，能级上粒子数（集当系统处于热平衡时，能级上粒子数（集当系统处于热平衡时，能级上粒子数（集当系统处于热平衡时，能级上粒子数（集居数）服从居数）服从居数）服从居数）服从玻尔兹曼统计分布玻尔兹曼统计分布玻尔兹曼统计分布玻尔兹曼统计分布：高能级粒子数恒小于低能级粒子数，热平高能级粒子数恒小于低能级粒子数，热平衡态下的物质只能收光子。衡态下的物质只能收光子。要想产生激光，要想产生激光，必须实现粒子必须实现粒子数反转分布。数反转分布。17粒子数反转分布n n泵浦：使两个能级之间实现粒子数（集居数）反泵浦：使两个能级之间实现粒子数（集居数）反转的过程。转的过程。集居数反转：集居数反转：外界泵浦外界泵浦受激吸收受激吸收()受激辐射（受激辐射（）集居集居数反转数反转（热平衡态）（热平衡态）（非热平衡态）（非热平衡态）光放大条件：光放大条件：（非热平衡态）（非热平衡态）18光的受激放大与谐振腔n n 要要产生受激辐射的光放大，必须使相同时间内产生受激辐射的光放大，必须使相同时间内的受激辐射光子数大于受激吸收的光子数。的受激辐射光子数大于受激吸收的光子数。n n光谐振腔的作用如下：光谐振腔的作用如下：光谐振腔的作用如下：光谐振腔的作用如下：n n1 1模式选择模式选择模式选择模式选择。保证激光器单模。保证激光器单模。保证激光器单模。保证激光器单模(或少数轴向模或少数轴向模或少数轴向模或少数轴向模)振荡，从而提高激光器的相干性。振荡，从而提高激光器的相干性。振荡，从而提高激光器的相干性。振荡，从而提高激光器的相干性。n2提供轴向光波模的正反馈提供轴向光波模的正反馈。M1M2工作物质工作物质19激光形成的基本条件与阈值条件n n产生激光三个条件：产生激光三个条件：产生激光三个条件：产生激光三个条件：激光激光激光激光谐振腔谐振腔谐振腔谐振腔（法布里（法布里（法布里（法布里珀罗（珀罗（珀罗（珀罗（F F F FP P P P腔）谐振腔）腔）谐振腔）腔）谐振腔）腔）谐振腔）；n n 产生光放大作用的产生光放大作用的产生光放大作用的产生光放大作用的增益物质增益物质增益物质增益物质（激光工作物质）；（激光工作物质）；（激光工作物质）；（激光工作物质）；外界外界外界外界激励源激励源激励源激励源（泵浦），能使上、下能级粒子数（泵浦），能使上、下能级粒子数（泵浦），能使上、下能级粒子数（泵浦），能使上、下能级粒子数（集居数）反转。（集居数）反转。（集居数）反转。（集居数）反转。n n阈值条件：阈值条件：阈值条件：阈值条件：光在光腔内来回一次所获得的总增益必须大于光在光腔内来回一次所获得的总增益必须大于光在光腔内来回一次所获得的总增益必须大于光在光腔内来回一次所获得的总增益必须大于或等于它所受到的总损耗。或等于它所受到的总损耗。或等于它所受到的总损耗。或等于它所受到的总损耗。M1M2工作物质工作物质20激光器的结构形式 常见的氦氖气体激光器，根据激光管的形式分类主要有三种结构形式：n n内腔式：热稳定性差n n外腔式：调整困难n n半腔式：好调整，使用方便灵活。21激光器的分类激光器的分类根据激光器的增益介质进行分类：根据激光器的增益介质进行分类：n n固体激光器固体激光器n n气体激光器气体激光器n n半导体激光器半导体激光器n n液体染料激光器液体染料激光器n n化学激光器化学激光器n n光纤激光器光纤激光器n n自由电子激光器自由电子激光器n n其它新型激光器其它新型激光器22固体激光器固体激光器2500W YAG固体激光器固体激光器23气体激光器气体激光器n n工作物质：气体或蒸汽工作物质：气体或蒸汽工作物质：气体或蒸汽工作物质：气体或蒸汽n n优点优点优点优点：1.1.光束方向性好光束方向性好光束方向性好光束方向性好。由于工作物质的光学均匀性远比。由于工作物质的光学均匀性远比。由于工作物质的光学均匀性远比。由于工作物质的光学均匀性远比固体好，易于获得衍射极限的高斯光束，固体好，易于获得衍射极限的高斯光束，固体好，易于获得衍射极限的高斯光束，固体好，易于获得衍射极限的高斯光束，2.2.单色性好单色性好单色性好单色性好。气体工作物质的。气体工作物质的。气体工作物质的。气体工作物质的谱线宽度谱线宽度谱线宽度谱线宽度远比固体窄，远比固体窄，远比固体窄，远比固体窄，激光的单色性好。激光的单色性好。激光的单色性好。激光的单色性好。n n缺点缺点缺点缺点：1.1.体积比较大体积比较大体积比较大体积比较大。由于气体的激活粒子密度还较固体为由于气体的激活粒子密度还较固体为由于气体的激活粒子密度还较固体为由于气体的激活粒子密度还较固体为小，需要较大体积的工作物质才能获得足够的功小，需要较大体积的工作物质才能获得足够的功小，需要较大体积的工作物质才能获得足够的功小，需要较大体积的工作物质才能获得足够的功率输出。率输出。率输出。率输出。24气体激光器气体激光器25半导体激光器半导体激光器不同封装形式的单发光面半导体激光器不同封装形式的单发光面半导体激光器26光纤激光器光纤激光器n n美国美国美国美国PolaronyxPolaronyx公司飞公司飞公司飞公司飞秒光纤激光器（模块）秒光纤激光器（模块）秒光纤激光器（模块）秒光纤激光器（模块）n n波长范围：波长范围：波长范围：波长范围：1530-1600 1530-1600 nmnm内固定内固定内固定内固定n n重重重重复复复复频频频频率率率率：35-60MHz35-60MHz范围内固定范围内固定范围内固定范围内固定n n脉宽：脉宽：脉宽：脉宽：100fs100fs（典型）（典型）（典型）（典型）n n平均功率：平均功率：平均功率：平均功率：100mW100mWn n峰值功率：峰值功率：峰值功率：峰值功率：0.5-20KW0.5-20KW27我我我我院院院院太赫兹实验室的太赫兹实验室的太赫兹实验室的太赫兹实验室的780nm 100 fs 780nm 100 fs 光纤激光器光纤激光器光纤激光器光纤激光器 激光器激光器电源电源28太赫兹实验室的光纤激光器太赫兹实验室的光纤激光器技术指标技术指标29The end!301.3 激光的基本物理性质 311.3 激光的基本物理性质 n方向性好n高亮度n单色性好单色性好 n相干性好相干性好（一）激光光束的基本特性（一）激光光束的基本特性（二）激光光束的模式特性（二）激光光束的模式特性32光束发散角光束发散角=2 sr1.激光的方向性好激光的方向性好光源发出光束的方向性通常用发散角来表示。光源发出光束的方向性通常用发散角来表示。发散角：光源所发出光线中两条边沿光线之间的夹角。发散角：光源所发出光线中两条边沿光线之间的夹角。不同类型的激光器的方向性：不同类型的激光器的方向性：气体激光器（气体激光器（He-Ne）：）：2 210-4rad固体激光器：固体激光器：2 210-2rad半导体激光器：水平方向半导体激光器：水平方向 2 3080 竖直方向竖直方向 2 200400331.激光的方向性好激光的方向性好n半导体激光器的光束特性：半导体激光器的光束特性：水平方向和竖直方向发散角不一致，存在像散，水平方向和竖直方向发散角不一致，存在像散，光束质量最差。光束质量最差。342.激光的高亮度激光的高亮度n一台普通的红宝石激光器发出激光亮度，比太阳亮一台普通的红宝石激光器发出激光亮度，比太阳亮度高度高8个数量级个数量级(几千万倍）几千万倍）n强激光甚至可产生上亿度的高温。强激光甚至可产生上亿度的高温。n地球上任何一种已知材料，无论其熔点多高，在强地球上任何一种已知材料，无论其熔点多高，在强激光照射下激光照射下1秒钟之内即可开始气化；任何一种金属秒钟之内即可开始气化；任何一种金属或钻石，不管其硬度多大，激光均可轻而易举地对或钻石，不管其硬度多大，激光均可轻而易举地对它打孔。它打孔。n n亮度亮度：光源在：光源在 单位面积单位面积 、单位时间、单位时间、单位立体单位立体角角 内辐射的能量。内辐射的能量。35具有单一频率的光波称为具有单一频率的光波称为单色光单色光。任何光源所发出的光波都有一定的频率（或波长任何光源所发出的光波都有一定的频率（或波长范围，在此范围内，各种频率（或波长）所对应范围，在此范围内，各种频率（或波长）所对应的强度是不同的。的强度是不同的。波长范围越窄，光的单色性越好。波长范围越窄，光的单色性越好。谱线宽度谱线宽度：通常用强度下降到的两点之间的波长范围的两点之间的波长范围：谱线宽度是标志光的单色性好坏的物理量。谱线宽度是标志光的单色性好坏的物理量。3.3.激光的单色性好激光的单色性好 36n n激光的频率很单纯，从激光器发出的光就可以步调一致地激光的频率很单纯，从激光器发出的光就可以步调一致地激光的频率很单纯，从激光器发出的光就可以步调一致地激光的频率很单纯，从激光器发出的光就可以步调一致地向同一方向传播，可以用透镜把它们会聚到一点上，把向同一方向传播，可以用透镜把它们会聚到一点上，把向同一方向传播，可以用透镜把它们会聚到一点上，把向同一方向传播，可以用透镜把它们会聚到一点上，把能量高度集中起来。能量高度集中起来。能量高度集中起来。能量高度集中起来。n激光的颜色极纯激光的颜色极纯单色性强。单色性强。3.3.激光的单色性好激光的单色性好 从从频域频域来表示单色性：来表示单色性：37光的相干性：光的相干性：两个发光点振动的两个发光点振动的相互关联程度相互关联程度。4.4.激光的相干性好激光的相干性好 一、光相干的条件一、光相干的条件两束光在某一点相遇产生干涉的条件是：两束光在某一点相遇产生干涉的条件是：频率相同、频率相同、振动方向相同、位相差恒定振动方向相同、位相差恒定。二、时间相干性二、时间相干性1.由同一光源在由同一光源在不同时刻不同时刻发出来的两光波发出来的两光波在在空间空间同一同一点点的相干性。的相干性。2.也可理解为也可理解为同一光源同一光源发出的两列光波经过发出的两列光波经过不同的路径不同的路径，在在相隔一段时间相隔一段时间后在后在空间某一点空间某一点会合，还能发生干涉，会合，还能发生干涉，这段时间就是相干时间这段时间就是相干时间 。38二、时间相干性二、时间相干性迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪相干时间相干时间：光通过相干长度所需要的时间，记做：光通过相干长度所需要的时间，记做 。相干长度相干长度Lc：两波列之间允许的最大光程差。：两波列之间允许的最大光程差。结论：结论：光谱线宽度越窄，光谱线宽度越窄，光的相干长度和相干时间光的相干长度和相干时间则越长。则越长。39三、空间相干性三、空间相干性Youngs双缝干涉双缝干涉空间相干性空间相干性：同一时间同一时间，由，由空间不同点空间不同点发出的光波的相干性。发出的光波的相干性。光源宽度光源宽度2b、狭缝间隔、狭缝间隔d对干涉条纹会产生影响对干涉条纹会产生影响1）临界宽度：）临界宽度：当光源宽度大于当光源宽度大于2bc时，不产生干涉。时，不产生干涉。402）2b一定时，两缝间最大允许距离（一定时，两缝间最大允许距离（横向相干长度横向相干长度）：）：光源对两狭缝连线中心的张角。：光源对两狭缝连线中心的张角。单模激光器的横向相干性好。单模激光器的横向相干性好。41n n激光的纵模n n激光的横模（二）激光光束的模式特性光波模式的几种含义：光波模式的几种含义：（1）谐振腔内）谐振腔内稳定的电磁场分布状态稳定的电磁场分布状态；（2）能够存在与谐振腔内的）能够存在与谐振腔内的驻波（两列振幅相等、频率相等、驻波（两列振幅相等、频率相等、传播方向相反的简谐波叠加而成的波）传播方向相反的简谐波叠加而成的波）。42激光的纵模激光的纵模纵模纵模：沿谐振腔轴线方向传播的光束所形成的驻波。：沿谐振腔轴线方向传播的光束所形成的驻波。驻波条件：驻波条件：n:腔内介质的折射率；腔内介质的折射率；l:腔长；腔长；q:正整数。正整数。写成频率形式：写成频率形式：注意注意：每一种频率代表一种振荡方式，称为：每一种频率代表一种振荡方式，称为“模式模式”。43激光的纵模激光的纵模纵模频谱与腔内存在的频率：纵模频谱与腔内存在的频率：能够存在的频率能够存在的频率小结小结：谐振腔可：谐振腔可以实现选模。以实现选模。纵模的意义纵模的意义：决定光波的：决定光波的频率特性频率特性，不能在光屏上看到。，不能在光屏上看到。44激光的横模激光的横模n n横模横模：与光轴垂直的方向上稳定的电磁场分：与光轴垂直的方向上稳定的电磁场分布状态（或者是在横向形成的驻波）。布状态（或者是在横向形成的驻波）。表示方法表示方法：TEMmnqm,n:表示横模；表示横模；q:表示纵模。表示纵模。横模的意义横模的意义：决定光束的：决定光束的方向性方向性，可以在光屏上看到。，可以在光屏上看到。45The end.461.4 高斯光束高斯光束471.4.1 高斯光束表达式高斯光束表达式高斯光束高斯光束：与光轴垂直的平面内光波：与光轴垂直的平面内光波电场矢量电场矢量按照高斯函数按照高斯函数 分布的光束。分布的光束。电场矢量表达式：电场矢量表达式：一维高斯分布函数一维高斯分布函数振幅部分振幅部分位相部分位相部分48：光束束腰，即：光束束腰，即z=0位置的光斑半径。位置的光斑半径。在任意在任意z位置的光斑尺寸：位置的光斑尺寸：在任意在任意z z位置波面的曲率半径：位置波面的曲率半径：与与z有关的位相因子：有关的位相因子：491.4.2 高斯光束的特性高斯光束的特性n nZ=0Z=0时：时：结论：结论：（1）相位部分消失，）相位部分消失，z=0的平面是的平面是等相位面，类似平面波；等相位面，类似平面波；（2）振幅按照高斯函数分布。）振幅按照高斯函数分布。501.4.2 高斯光束的特性高斯光束的特性n nZ0Z0时：时：(1)振幅部分：振幅部分：仍按照高斯函数分布。仍按照高斯函数分布。511.4.2 高斯光束的特性高斯光束的特性n nZ0Z0时：时：（2）相位部分：）相位部分：表示波阵面是一个球面，其曲率半径为表示波阵面是一个球面，其曲率半径为波面的曲率中心在不断变化。波面的曲率中心在不断变化。521.4.2 高斯光束的特性高斯光束的特性n n光束发散角光束发散角远场发散角：远场发散角：腰斑越小，发散角越大。腰斑越小，发散角越大。531.4.3 高斯光束的变换高斯光束的变换（1）q参数变换：参数变换：引入一个引入一个q参数，将高斯光束的两个参数，将高斯光束的两个 重要参数同一起来。重要参数同一起来。根据根据q参数可以很容易求出另外两个参数：参数可以很容易求出另外两个参数：541.4.3 高斯光束的变换高斯光束的变换n n根据根据q q参数求高斯光束在自由空间中的传输规律参数求高斯光束在自由空间中的传输规律由由Z0位置传输到位置传输到Z位置时：位置时：z0z551.4.3 高斯光束的变换高斯光束的变换（2 2）高斯光束通过透镜的变换）高斯光束通过透镜的变换q参数变换：参数变换：半径关系：半径关系：561.4.3 高斯光束的变换高斯光束的变换（3 3）通过复杂透镜的变换）通过复杂透镜的变换ABCDABCD公式公式复杂光学系统复杂光学系统q1q2变换规律：变换规律：57（3 3）通过复杂透镜的变换）通过复杂透镜的变换）通过复杂透镜的变换）通过复杂透镜的变换ABCDABCD公式公式公式公式581.4.4 高斯光束的聚焦高斯光束的聚焦n聚焦：把光的能量聚集起来聚焦：把光的能量聚集起来（激光打孔、（激光打孔、光盘信息刻录等）通常是将激光束腰变得光盘信息刻录等）通常是将激光束腰变得更小。更小。59焦点位置的确定焦点位置的确定出射光束束腰与透镜的距离：出射光束束腰与透镜的距离：当当 时，时，结论：结论：采用短焦距透镜有利于聚焦。采用短焦距透镜有利于聚焦。60聚焦点尺寸聚焦点尺寸结论结论：透镜焦距越短，入射高斯光束腰斑越粗，聚焦效果越好。：透镜焦距越短，入射高斯光束腰斑越粗，聚焦效果越好。61激光聚焦系统设计实例激光聚焦系统设计实例1水平光路水平光路62激光聚焦系统设计实例激光聚焦系统设计实例2折叠光路折叠光路631.4.5 高斯光束的准直高斯光束的准直n准直准直：使得方向性更好，发散角更小：使得方向性更好，发散角更小全息照像、激光全息照像、激光测距等）。准直与聚焦是相反的过程。测距等）。准直与聚焦是相反的过程。采用倒置望远镜准直的系统：采用倒置望远镜准直的系统：64入射发散角入射发散角出射发散角出射发散角准直效果的评价准直效果的评价发散角的压缩比：发散角的压缩比：望远镜的压缩比望远镜的压缩比65The end!661.5 激光稳频技术激光稳频技术67表示频率变化的物理量表示频率变化的物理量n n1）频率稳定度）频率稳定度：频率的稳定程度。：频率的稳定程度。n n2）频率再现性）频率再现性：同一激光器在不同时间、：同一激光器在不同时间、不同地点、不同条件下频率的重复性。不同地点、不同条件下频率的重复性。不同时间、不同地点、不同时间、不同地点、不同条件下频率的变化量不同条件下频率的变化量681.5.1 频率变化的原因频率变化的原因n激光谐振频率的公式为：引起频率变化的主要原因是引起频率变化的主要原因是腔长腔长L和和折射率折射率n的变化。的变化。（一）（一）腔长腔长L的变化的变化1.温度变化温度变化：一般选用热膨胀系数小的材料做为谐振腔的的支架。：一般选用热膨胀系数小的材料做为谐振腔的的支架。2.机械振动机械振动：采取减震措施。：采取减震措施。（二）（二）折射率的变化折射率的变化温度温度T、气压、气压P、湿度、湿度h的变化会引起折射率变化。的变化会引起折射率变化。因此对非内腔激光器来说，应尽量减小暴露于大气的部分，同时还因此对非内腔激光器来说，应尽量减小暴露于大气的部分，同时还要屏蔽通风以减小要屏蔽通风以减小T、P、h的脉动。的脉动。691.5.2 稳定频率的方法稳定频率的方法n稳频的本质：控制稳频的本质：控制谐振腔光学长度（谐振腔光学长度（nL）的稳定性。的稳定性。n稳频方法概述稳频方法概述n(一一)被动式稳频被动式稳频主要是利用热膨胀系数低的材料制作谐振腔的主要是利用热膨胀系数低的材料制作谐振腔的间隔器；或用间隔器；或用膨胀系数为负值膨胀系数为负值的材料和的材料和膨胀系数为正值膨胀系数为正值的的材料按一定长度配合，以便热膨胀互相抵消，这种办法一材料按一定长度配合，以便热膨胀互相抵消，这种办法一般用于工程上稳频精度要求不高的情况。可加上声热隔离般用于工程上稳频精度要求不高的情况。可加上声热隔离装置。装置。n(二二)主动稳频采用自动补偿办法进行稳频主动稳频采用自动补偿办法进行稳频目前采用的稳频方法基本原理是大体相同的，目前采用的稳频方法基本原理是大体相同的，即是把单频激光器的频率与某个稳定的参考频率相比较，即是把单频激光器的频率与某个稳定的参考频率相比较，当振荡频率偏离参考频率时，当振荡频率偏离参考频率时，鉴别器鉴别器就产生一个正比于偏就产生一个正比于偏离量的误差信号。这个误差信号经放大后又通过反馈系统离量的误差信号。这个误差信号经放大后又通过反馈系统回来控制腔长，使振荡频率回到标准的参考频率上，这样回来控制腔长，使振荡频率回到标准的参考频率上，这样的系统常称做的系统常称做伺服系统。伺服系统。70主动稳频n n兰姆凹陷法n n饱和吸收法n n赛曼效应法71兰姆凹陷法兰姆凹陷法n兰姆凹陷兰姆凹陷：由于增益介质的增益饱和，在激光器输出功率：由于增益介质的增益饱和，在激光器输出功率P和频率和频率 曲线上，中心频率曲线上，中心频率v0处的输出功率出现凹陷的现处的输出功率出现凹陷的现象。象。n稳频原理稳频原理：在中心频率在中心频率 0附近频率的微小变化将会引起输附近频率的微小变化将会引起输出功率的显著变化。因此，可以通过对输出光强的监测，出功率的显著变化。因此，可以通过对输出光强的监测，设计出更为灵敏的腔长自动补偿的伺服系统来控制腔长的设计出更为灵敏的腔长自动补偿的伺服系统来控制腔长的稳定性。稳定性。以激光器内原子跃迁的中心频率做为参考频率，把激光频率以激光器内原子跃迁的中心频率做为参考频率，把激光频率锁定到原子跃迁的中心频率上。锁定到原子跃迁的中心频率上。72兰姆凹陷稳频兰姆凹陷稳频压电陶瓷压电陶瓷正电压：缩短正电压：缩短负电压：伸长负电压：伸长当当0时，输出信号变化频率是调制信号的时，输出信号变化频率是调制信号的2倍倍，相敏检波器不工作，相敏检波器不工作，输出为输出为0；当当A时，输出信号与调制信号时，输出信号与调制信号同频、反相同频、反相，相敏检波器输出为，相敏检波器输出为负负，压电陶瓷，压电陶瓷 伸长，腔长变短，激光器频率增加；伸长，腔长变短，激光器频率增加；当当B时，输出信号与调制信号时，输出信号与调制信号同频、同相同频、同相，相敏检波器输出为，相敏检波器输出为正正，压电陶瓷，压电陶瓷 缩短，腔长变长，激光器频率减小。缩短，腔长变长，激光器频率减小。73兰姆凹陷稳频兰姆凹陷稳频压电陶瓷压电陶瓷正电压：缩短正电压：缩短负电压：伸长负电压：伸长稳频过程的实质稳频过程的实质：以原子谱线中心频率：以原子谱线中心频率 0 0为参考频率，当激光振荡频率偏离为参考频率，当激光振荡频率偏离 0 0时，时，即输出一误差信号，通过伺服系统鉴别出频率偏离的大小和方向，输出一个直流即输出一误差信号，通过伺服系统鉴别出频率偏离的大小和方向，输出一个直流电压调节压电陶瓷的伸缩来控制腔长，把激光振荡频率自动地锁定在兰姆凹陷中电压调节压电陶瓷的伸缩来控制腔长，把激光振荡频率自动地锁定在兰姆凹陷中心处。心处。74饱和吸收稳频饱和吸收稳频 这种装置在激光谐振腔中除了激光管外，还加了一个这种装置在激光谐振腔中除了激光管外，还加了一个吸收管吸收管。在吸收管内。在吸收管内充以特定的气体，此气体在激光谐振频率处应有一个强的吸收线，且吸收管内充以特定的气体，此气体在激光谐振频率处应有一个强的吸收线，且吸收管内所充气体的气压很低。所充气体的气压很低。这是一种利用这是一种利用外界频率标准外界频率标准进行高稳定度的稳频方法。进行高稳定度的稳频方法。75饱和吸收稳频饱和吸收稳频吸收很低吸收很低增益很高增益很高稳频的参稳频的参考点考点76饱和吸收稳频饱和吸收稳频77赛曼效应稳频赛曼效应稳频n n赛曼效应：赛曼效应：赛曼效应：赛曼效应：原子能级在磁场作用下发生分裂的现象。原子能级在磁场作用下发生分裂的现象。原子能级在磁场作用下发生分裂的现象。原子能级在磁场作用下发生分裂的现象。能级分裂能级分裂谱线分裂谱线分裂分裂前的谱线分裂前的谱线分裂后的谱线分裂后的谱线78赛曼效应稳频赛曼效应稳频稳频过程稳频过程：首先利用分裂后两偏振光的：首先利用分裂后两偏振光的偏振状态不同偏振状态不同，对两偏，对两偏振光进行分离。然后，通过探测两偏振光振光进行分离。然后，通过探测两偏振光光强的差别光强的差别来判断频来判断频率偏离的率偏离的方向方向和和大小大小。最后通过伺服系统。最后通过伺服系统控制腔长的变化控制腔长的变化实现实现稳频。稳频。79The end.801.6 激光调制技术激光调制技术81 激光是一种频率更高（激光是一种频率更高（10131015Hz)的电磁波，它具有很的电磁波，它具有很好相干性，因而象以往电磁波（收音机、电视等）一样可以用好相干性，因而象以往电磁波（收音机、电视等）一样可以用来作为传递信息的载波。来作为传递信息的载波。1.调制的基本概念调制的基本概念 由激光由激光“携带携带”的信息的信息(包括语言、文字、图像、符号等包括语言、文字、图像、符号等)通通过一定的传输通道过一定的传输通道(大气、光纤等大气、光纤等)送到接收器，再由光接收器送到接收器，再由光接收器鉴别并还原成原来的信息。鉴别并还原成原来的信息。这种将信息加载于激光的过程称之为这种将信息加载于激光的过程称之为调制。调制。完成这一过程的装置称为完成这一过程的装置称为调制器调制器。其中激光称为。其中激光称为载载波波；起控制作用的低频信；起控制作用的低频信息称为息称为调制信号调制信号。解调：解调：调制的反过程，即调制的反过程，即把调制信号还原成原来的把调制信号还原成原来的信息。信息。82根据调制器和激光器的相对关系，可以分为根据调制器和激光器的相对关系，可以分为内调制内调制和和外调制外调制。内调制内调制：是指加载调制信号是是指加载调制信号是在激光振荡过程中进行在激光振荡过程中进行的，即以的，即以调制信号去改变激光器的振荡参数，从而改变激光输出特性以调制信号去改变激光器的振荡参数，从而改变激光输出特性以实现调制实现调制。2.调制的分类：调制的分类：（注注入入式式半半导导体体激激光光器器是是一一种种典典型型的的内内调调制制器器件件，是是用用调调制制信信号号直直接接改改变变它它的的泵泵浦浦驱驱动动电电流流，使使输输出出的的激激光光强强度度受受到到调调制，也称直接调制制，也称直接调制)。外调制外调制：是指激光形成之后，是指激光形成之后，在激光器外的光路上在激光器外的光路上放置调制器，放置调制器，用调制信号改变调制器的物理特性，当激光通过调制器时，就用调制信号改变调制器的物理特性，当激光通过调制器时，就会使光波的某参量受到调制会使光波的某参量受到调制。激光调制按其调制的性质可以分为激光调制按其调制的性质可以分为调幅、调频、调相及强度调调幅、调频、调相及强度调制等制等。按调制器的工作原理，可分为按调制器的工作原理，可分为电光调制、声光调制、磁光调电光调制、声光调制、磁光调制、直接调制（电源调制）和干涉调制。制、直接调制（电源调制）和干涉调制。83强度调制强度调制n n强度调制前：强度调制前：强度调制前：强度调制前：强度调制强度调制n n强度调制后：强度调制后：强度调制后：强度调制后：强度调制系数强度调制系数841.6.2 电光调制电光调制n n原理原理原理原理：电光调制的物理基础是电光调制的物理基础是电光效应电光效应，即某些晶体在外，即某些晶体在外加加电场的作用下，其折射率将发生变化电场的作用下，其折射率将发生变化，当光波通过此介，当光波通过此介质时，其传输特性就受到影响而改变。质时，其传输特性就受到影响而改变。晶体施加电压后，会出现晶体施加电压后，会出现感应双折感应双折射射和和坐标旋转坐标旋转，沿，沿x方向入射的线方向入射的线偏振光会分解为沿偏振光会分解为沿x和和y两个方向两个方向同频率、同振幅的线偏振光。同频率、同振幅的线偏振光。851.6.2 电光调制电光调制通过长度通过长度通过长度通过长度l l后两束光的相位差为：后两束光的相位差为：后两束光的相位差为：后两束光的相位差为：半波电压半波电压：位相差：位相差所对应的电压叫做半波电压，所对应的电压叫做半波电压，是表征材料光电性能的一个重要参数。是表征材料光电性能的一个重要参数。86电光强度调制器电光强度调制器经过晶体和四分之一波片产生的总位相差经过晶体和四分之一波片产生的总位相差为：为：87电光强度调制器电光强度调制器总的光强透过率总的光强透过率:调制信号调制信号光强透过率光强透过率静态工作点会决定输出信号波形。88电光相位调制器电光相位调制器外电场不改变出射光的偏振状态，仅外电场不改变出射光的偏振状态，仅改变其相位改变其相位。891.6.3 声光调制器声光调制器n n原理原理原理原理：声波是一种声波是一种弹性波弹性波(纵向应纵向应力波力波)，在介质中传播时，它使介，在介质中传播时，它使介质产生相应的质产生相应的弹性形变弹性形变，从而激，从而激起介质中各质点沿声波的传播方起介质中各质点沿声波的传播方向振动，引起介质的密度呈疏密向振动，引起介质的密度呈疏密相间的交替变化，因此，介质的相间的交替变化，因此，介质的折射率折射率也随着发生相应的周期性也随着发生相应的周期性变化。变化。n超声场作用的这部分如同一个光超声场作用的这部分如同一个光学的学的“相位光栅相位光栅”，该光栅间距，该光栅间距(光栅常数光栅常数)等于声波波长等于声波波长 s。当。当光波通过此介质时，就会产生光波通过此介质时，就会产生光光的衍射的衍射。其衍射光的。其衍射光的强度、频率、强度、频率、方向方向等都随着超声场的变化而变等都随着超声场的变化而变化。化。nvsxn0ns 超声行波在介质中的传播超声行波在介质中的传播90声光调制的两种类型声光调制的两种类型 按照按照声波频率的高低声波频率的高低以及以及声波和光波作用长度声波和光波作用长度的不同，的不同，声光互作用可以分为声光互作用可以分为拉曼拉曼纳斯纳斯(RamanNath)衍射衍射和和布布拉格拉格(Bragg)衍射衍射两种类型。两种类型。1.当当超声波频率较低超声波频率较低，光波平行于声波面入射光波平行于声波面入射(即垂直于声即垂直于声场传播方向场传播方向)，声光互作用长度声光互作用长度L较短较短时，产生拉曼时，产生拉曼纳斯衍纳斯衍射。射。特点特点：各级衍射光对称分布在中央零级的两侧；光的利用率不高。：各级衍射光对称分布在中央零级的两侧；光的利用率不高。91声光调制的两种类型声光调制的两种类型2.2.布拉格衍射：布拉格衍射：当当超声波频率较高超声波频率较高，光波不平行于声波面入光波不平行于声波面入射射(即斜入射即斜入射)，声光互作用长度声光互作用长度L较长较长时，产生布拉格衍射。时，产生布拉格衍射。特点：特点：只出现只出现0级级和和+l级级(或或-1级级)(由入射光的方向而定由入射光的方向而定)衍射光；衍射光；光能利用率高。光能利用率高。92声光调制器声光调制器组成：组成：由由声光介质、电声光介质、电声换能器、吸声声换能器、吸声(或反射或反射)装置装置及及驱动电源驱动电源四个部分所组成。四个部分所组成。93声光调制器声光调制器(1)声光介质声光介质：声光介质是声光互作用的场所。：声光介质是声光互作用的场所。(2)电电声换能器声换能器(又称超声发生器又称超声发生器)：将电能：将电能转化为超声波。转化为超声波。(3)吸声吸声(或反射或反射)装置装置(放置在超声源的对面放置在超声源的对面)。(4)驱动电源驱动电源：它用以产生调制电信号施加于：它用以产生调制电信号施加于电电声换能器的两端电极上，驱动声光调声换能器的两端电极上，驱动声光调制器制器(换能器换能器)工作。工作。各个部分的功能：各个部分的功能：941.6.4 磁光调制器磁光调制器n磁光效应磁光效应：是磁光调制的物理基础。当光波通过被磁化的：是磁光调制的物理基础。当光波通过被磁化的物体物体(磁性物质）时，其传播特性发生变化，这种现象称磁性物质）时，其传播特性发生变化，这种现象称为磁光效应。为磁光效应。n 磁光效应包括磁光效应包括法拉第旋转效应法拉第旋转效应、克尔效应、磁双折射效克尔效应、磁双折射效应应等。等。n最主要的是法拉第旋转效应，它使一束线偏振光在外加磁最主要的是法拉第旋转效应，它使一束线偏振光在外加磁场作用下的介质中传播时，其偏振方向发生旋转，其旋转场作用下的介质中传播时，其偏振方向发生旋转，其旋转角度角度 的大小与沿光束方向的磁场强度的大小与沿光束方向的磁场强度H和光在介质中的和光在介质中的传播长度传播长度L之积成正比，即之积成正比，即：VHL V称为韦尔代称为韦尔代(verdet)常数，它表示在单位磁场强度下线常数，它表示在单位磁场强度下线偏振光通过单位长度的磁光介质后偏振方向的旋转角度。偏振光通过单位长度的磁光介质后偏振方向的旋转角度。951.6.4 磁光调制器磁光调制器961.6.5 电源调制（直接调制）电源调制（直接调制）直接调制直接调制：是把要传递的信息转变为电流信号注入半导体光源：是把要传递的信息转变为电流信号注入半导体光源(激光二极管激光二极管LD或半导体二极管或半导体二极管LED)，从而获得已调制信号。，从而获得已调制信号。由于它是在光源内部进行的，因此又称为由于它是在光源内部进行的，因此又称为内调制内调制。971.6.6 干涉调制干涉调制n n定义定义定义定义：利用：利用：利用：利用MichelsonMichelson干涉原理干涉原理干涉原理干涉原理将调制信号施加在压电陶将调制信号施加在压电陶将调制信号施加在压电陶将调制信号施加在压电陶瓷上，使动镜产生规律性运动的调制方式。瓷上，使动镜产生规律性运动的调制方式。瓷上，使动镜产生规律性运动的调制方式。瓷上，使动镜产生规律性运动的调制方式。注意注意：此装置也可以用来：此装置也可以用来测量微小位移或形变测量微小位移或形变。98The end.1.7 半导体激光器半导体激光器概概 述述优点：优点：体积小、寿命长，并可采用简单的注入电流的方式体积小、寿命长，并可采用简单的注入电流的方式来泵浦。来泵浦。工作电压和电流与集成电路兼容，因而可与之单片工作电压和电流与集成电路兼容，因而可与之单片集成。集成。可用高达可用高达Ghz的频率直接进行电流调制以获得高速的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。调制的激光输出。半导体二极管激光器是实用中最重要的一类激光半导体二极管激光器是实用中最重要的一类激光器。在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测器。在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及光雷达等方而已经获得了广泛的应用。距以及光雷达等方而已经获得了广泛的应用。半导体激光器发展历程半导体激光器发展历程 自自自自19621962年问世，经历近年问世，经历近年问世，经历近年问世，经历近5050年的发展，就器件结年的发展，就器件结年的发展，就器件结年的发展，就器件结构而言，由早期的同质结，到构而言，由早期的同质结，到构而言，由早期的同质结，到构而言，由早期的同质结，到单异质结单异质结单异质结单异质结、双异质结、双异质结、双异质结、双异质结、量子阱、应变量子阱量子阱、应变量子阱量子阱、应变量子阱量子阱、应变量子阱，再到，再到，再到，再到量子线、量子点、量子量子线、量子点、量子量子线、量子点、量子量子线、量子点、量子级联激光器级联激光器级联激光器级联激光器，阈值电流由，阈值电流由，阈值电流由，阈值电流由10105 5A/cmA/cm2 2 下降到现在的下降到现在的下降到现在的下降到现在的10102 2A/cmA/cm2 2量级，器件的可靠性由几分钟增加到百万小量级，器件的可靠性由几分钟增加到百万小量级，器件的可靠性由几分钟增加到百万小量级，器件的可靠性由几分钟增加到百万小时连续工作，波长从中红外到近紫外，输出功率从时连续工作，波长从中红外到近紫外，输出功率从时连续工作，波长从中红外到近紫外，输出功率从时连续工作，波长从中红外到近紫外，输出功率从几毫瓦到几十千瓦水平，上述种种可见，半导体激几毫瓦到几十千瓦水平，上述种种可见，半导体激几毫瓦到几十千瓦水平，上述种种可见，半导体激几毫瓦到几十千瓦水平，上述种种可见，半导体激光器得到了惊人的发展。光器得到了惊人的发展。光器得到了惊人的发展。光器得到了惊人的发展。1.7.1 半导体激光器的发光原理半导体激光器的发光原理n n1.1.半导体的能带结构：半导体的能带结构：半导体的能带结构：半导体的能带结构：n n价带（满带）与导价带（满带）与导价带（满带）与导价带（满带）与导带之间是禁带，带之间是禁带，带之间是禁带，带之间是禁带，但是禁但是禁但是禁但是禁带很窄（带很窄（带很窄（带很窄（E g E g 约约约约0.10.12 2 eV )eV )。导带禁带价带空穴空穴电子电子半导体中的光增益半导体中的光增益n n利用半导体材料里利用半导体材料里利用半导体材料里利用半导体材料里导带电子导带电子导带电子导带电子与与与与价带价带价带价带空穴空穴空穴空穴的的的的复合复合复合复合产生的产生的产生的产生的受激辐射受激辐射受激辐射受激辐射来进行来进行来进行来进行光放大。光放大。光放大。光放大。n n费米能级费米能级费米能级费米能级E EF F:系统处于热平衡状态且系统处于热平衡状态且系统处于热平衡状态且系统处于热平衡状态且与外界与外界与外界与外界不发生作功关系不发生作功关系不发生作功关系不发生作功关系时，系统中时，系统中时，系统中时，系统中每增加一个电子所引起系统自由能每增加一个电子所引起系统自由能每增加一个电子所引起系统自由能每增加一个电子所引起系统自由能的变化。的变化。的变化。的变化。处于热平衡状态的系统有处于热平衡状态的系统有处于热平衡状态的系统有处于热平衡状态的系统有统一的费米能级统一的费米能级统一的费米能级统一的费米能级。n n非平衡状态非平衡状态非平衡状态非平衡状态时，平衡时统一的费米时，平衡时统一的费米时，平衡时统一的费米时，平衡时统一的费米能级被打破，会出现能级被打破，会出现能级被打破，会出现能级被打破，会出现导带准费米能导带准费米能导带准费米能导带准费米能级级级级E EFCFC和和和和价带准费米能级价带准费米能级价带准费米能级价带准费米能级E EFVFV。导带禁带价带空穴空穴电子电子h半导体激光器半导体激光器P-N结结能带结构与发光原理能带结构与发光原理PN结空结空间电间电场区场区P区区N区区+Ee PEf能量EV PEe NEV NP区N区（a）无外加电压时）无外加电压时EV P Ee PEe NEV NEf NEf Phfhf（b）有外加电压时）有外加电压时费米能级费米能级Ef：反映半导体中反映半导体中电子填充能级的水平电子填充能级的水平，费米能级高，费米能级高，说明有较多电子填充到高能级上。说明有较多电子填充到高能级上。载流子载流子复合发光复合发光双异质结半导体激光器发光原理双异质结半导体激光器发光原理1.7.2 半导体激光器的结构半导体激光器的结构n n半导体激光器的结构由最初的单异质结，发展到双异质结、半导体激光器的结构由最初的单异质结，发展到双异质结、半导体激光器的结构由最初的单异质结，发展到双异质结、半导体激光器的结构由最初的单异质结，发展到双异质结、量子阱、量子线和量子点。量子阱、量子线和量子点。量子阱、量子线和量子点。量子阱、量子线和量子点。半导激光器的结构半导激光器的结构大面积双异质结半导体激光器大面积双异质结半导体激光器1.7.2 半导体激光器的特性半导体激光器的特性n光束特性光束特性n调制特性调制特性单管的光束特性单管的光束特性 半导体激光器有源层的半导体激光器有源层的宽度远远大于其宽度远远大于其厚度厚度，造成了激光器辐射场具有以下两个明，造成了激光器辐射场具有以下两个明显的特点：显的特点：n n第一个特点是辐射场远场光强分布极不对称第一个特点是辐射场远场光强分布极不对称。光斑呈狭长的椭圆形，光束在垂直与光斑呈狭长的椭圆形，光束在垂直与PN结结方向的发散角方向的发散角 远大于在平行于远大于在平行于PN结方向结方向的发散角的发散角，通常为通常为30 40，为为6 12。垂直与。垂直与PN结方向通常也称为激光器结方向通常也称为激光器输出光束的快轴，相应地平行于输出光束的快轴，相应地平行于PN结的方结的方向通常成为慢轴。向通常成为慢轴。半导体激光器辐射光斑示意图半导体激光器辐射光斑示意图 半导体激光器远场光强分布示意图半导体激光器远场光强分布示意图激光束的空间特性激光束的空间特性单管的光束特性单管的光束特性 第第第第 二二二二 个个个个 特特特特 点点点点 是是是是 输输输输 出出出出 光光光光 束束束束 存存存存 在在在在 很很很很 大大大大 的的的的 像像像像 散散散散（Astigmatic Astigmatic AberrationAberration）。像像像像散散散散是是是是一一一一种种种种光光光光学学学学像像像像差差差差，是是是是指指指指激激激激光光光光器器器器输输输输出出出出光光光光束束束束快快快快轴轴轴轴和和和和慢慢慢慢轴轴轴轴方方方方向向向向上上上上的的的的发发发发射射射射源源源源点点点点不不不不重重重重合合合合。像像像像散散散散的的的的存存存存在在在在破破破破坏坏坏坏了