光电子技术PPT1.5

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,八、激光器的种类,可按功率、输出激光连续性状况、泵浦、激光工作物质来分,。,按,功率,分,：超大、大、中、小功率激光器,按,泵浦,方法分：光泵浦、电泵浦激光器,按,激光运转方式,分：连续、,脉冲,单脉冲,重复频率,准连续,按,激光调制方式,分：自由运转、调,Q、锁模,目前,已有数百种激光器，输出波长从近紫外直到远红外，辐射功率从毫瓦到万瓦、兆瓦级。,一）、激光器的分类,1,按,激光工作介质,分：,固体激光器,(,光纤激光器）,气体激光器,半导体激光器,染料激光器,自由电子激光器,2,化学组成,原子激光器,分子激光器,离子激光器,自由电子激光器,准分子激光器,3,1.气体激光器,工作物质（气体）均匀性好，输出光束的质量（单色性、方向性）相当高。,以气体,或金属蒸汽,为工作物质，大多数气体激光器能连续工作，其激励过程涉及的能级比较固定,利用气体放电中的电子碰撞来激发。按气体激光工作物质的能级跃迁类型，又可分为：,(1),原子气体,激光器：,中性气体原子，如,He-Ne激光器,工作气体,：,He,和,Ne,，比例为：,1:10,。其中产生激光跃迁的是,Ne,气。,He,是辅助气体，用以提高,Ne,原子的泵浦速率。,谐振腔,：多用,平凹腔，或,由球面镜构成的共焦谐振腔,泵浦源,：采用直流高压电使气体放电的泵浦形式,主要输出波长：,632.8nm,（红光）、,1.15,m,、,3.39,m,（红外光）,输出功率：,1mW-100mW,，可连续工作,能量转换效率：较低，万分之几,4,HeNe激光器的结构形式很多，但都是由激光管和激光电源组成。激光管由放电管、电极和光学谐振腔组成。,放电管是氦一氖激光器的心脏，它是产生激光的地方。放电管通常由毛细管和贮气室构成。放电管中充入一定比例的氦（He）、氖（Ne）气体，当电极加上高电压后，毛细管中的气体开始放电，受电场加速而获得足够能量的电子与氖原子碰撞时，将氖原子激发到高能态，使氖原子受激，产生粒子数反转。贮气室与毛细管相连，这里不发生气体放电，它的作用是补偿因慢漏气及管内元件放气或吸附气体造成He,Ne气体比例及总气压发生的变化，延长器件的寿命。放电管一般是用GG17玻璃制成。输出功率和波长要求稳定性好的器件可用 热胀系数小的石英玻璃制作。,He,Ne,激光器由于增益低，谐振腔一般用平凹腔，平面镜为输出端，透过率约,1%,2,，凹面镜为全反射镜。,5,He,Ne激光器的寿命,HeNe激光器使用一段时间或存放一段时间后，它的输出功率会逐渐降低，以致最后没有激光输出。现在一般规定输出功率下降到最高功率的1e的工作时间为器件的寿命。影响器件寿命的因素大致有以下几方面：,1慢漏气,当放电管密封不严密时，空气中的氮、氢等气体分子会渗透到管内，使放电条件改变并加快氦、氖原子激发态的消失速率，无疑，这将影响器件输出功率。出现慢漏气时，激光器的放电颜色将由正常放电时的橙红色变为紫色（紫色是氮分子辉光放电产生的）。,容易出现慢漏气的地方有：电极与玻璃封接处；谐振腔反射镜或布儒斯特窗与放电管粘合处以及吹制管坯时可能留下来的微小漏气孔。为防止慢漏气，要提高封接工艺水平并改革现有封接方法。,2放电管内元件放气,放电管内的元件及放电管内壁都会吸附杂质气体，如果除气不彻底，以后就会慢慢释放出来。同时激光管清洗得不干净时，污物和洗液也会放出大量杂质气体，这些杂质气体会改变原充气的气体成分，影响输出功率。,为克服放气，要对放电管及其内部元件进行认真清洁处理和除气。此外，在放电管内可放置吸气剂，例如钡钛、钡铝镍等，它们可吸收大量氮气、二氧化碳、一氧化碳、水蒸气、氧、氢等，但不吸收氦、氖。,6,3阴极溅射,阴极在正离子轰击下会产生阴极溅射，溅射出来的金属材料会吸收工作气体，导致管内工作气压降低。同时溅射物质还会污染谐振腔反射镜或布儒斯特窗片。,为了减少溅射，要选用不易溅射的金属做电极，并避免表面放电电流密度超过溅射阈值。为防止溅射物吸收造成的工作气压降低，在充气时可略高于最佳总气压。,4工作气体的吸附、吸收和渗透,放电管内的工作气体可被电极和管壁吸附在表面，或吸收到金属和玻璃内部，甚至还会透过管壁渗透到大气中去。氖的电离电位比氦低，它比氦更容易被吸附或吸收。氦原于直径比氖小，它渗出管外的能力比氖强。,由于这些原因，管内的总气压和氦、氖气压比会慢慢变化，使之偏离最佳工作状态，造成输出功率下降。,为防止氦气渗出，要选用渗氦低的材料做放电管。为防止氦气渗出造成气压比降低，充气时充入的气压可高于最佳气压比。还可以采用三层套管，即在放电管外再加一层氦气补偿套管，管内充入的氦气，气压应高于放电管内的气压。,5,谐振腔反射镜的污染,溅射沉积在反射镜上或放电管内未加清除掉的污物挥发后会沉积到反射镜上，促使其反射率下降。为防止反射镜污染，除认真清洁内部和减少溅射外，设计,He,Ne,激光器时，应注意反射镜到阴极的距离要大于,3cm,。,目前,He,Ne,激光器最长的寿命可达,10,万小时。,7,（,2）. 离子气体激光器,1),工作物质,:离子气体原子， 如,氩离子,Ar,+,连续工作的氩离子激光器可产生9条蓝绿激光谱线,其中以488nm和514.5m谱线最强。在谐振腔内插入棱镜等色散元件,可以获得单谱线激光。,2）谐振腔：,3）泵浦源,：低电压大电流弧光放电泵浦,由于Ar原子的电离能量(15eV)和激光跃迁上能级的激发能量(20eV)较高,正常运转所要求的平均电子动能(电子温度)很高。为了提高电子温度,氩离子激光器中的充气压强一般在150Pa以下。但低压强意味着Ar原子密度小,为了提高电离和激发速率,必须增加放电管内的电子密度,所以氩离子激光器必须采用大电流孤光放电激发,放电管内电流密度通常超过,。,氩离子激光器的输出功率随放电电流的增长而迅速增长,但电流过高也会因多重电离的出现和高温引起的谱线加宽而导致增益和输出功率的下降。,输出功率：500mW/cm,2,（连续）、1kW/cm,2,（脉冲）,能量转换效率：较低，千分之几,8,（,3）. 分子气体激光器,1),工作物质,:,中性气体分子， 如,CO,2,激光器：,C0,2,激光器以,C0,2,、,N,2,和,He,的混合气体为工作物质。激光跃迁发生在,C0,2,分子的电子基态的两个振动,-,转动能级之间。,N,2,的作用是提高激光上能级的激励效率, He,则有助于激光下能级的抽空。,2,）,谐振腔,：,C0,2,激光器的谐振腔大多采用平凹腔。高反射镜可用金属制成,也可在玻璃表面镀以金膜。输出端可采用小孔耦合方式或由可透过红外光的,Ge,、,GaAs,等材料制成输出窗。,3,）,泵浦源,：直流放电,输出功率大，且近似与管子长度成正比：,1m,长的管子可输出,100W,（连续）的功率,能量转换效率高：可达,30%,输出波长,(10.6um),正好处于大气窗口。,因此广泛用于激光加工、医疗、大气通信及其他军事应用。,9,(4) 准分子激光器：,准分子,：稀有气体被激发后，性质发生变化，易与,其他原子结合形成分子，这样形成的分,子称为准分子，准分子在激发态很稳定，,而在基态不稳定，会立即被分解。,工作物质,：稀有气体或稀有气体与卤素气体的混合气体,准分子跃迁到基态后立即解离,这意味着激光下能级总是空的,只要激发态存在分子,就处于集居数反转状态。由于激光下能级不是某个确定的振动,-,转动能级,跃迁是宽带的,因此准分子激光器可以调谐运转。,准分子激光器中常加入,He,、,Ne,或,Ar,等缓冲气体,其作用是使电子温度下降,以便碰撞时产生更多的激发态粒子,(,如,Kr*),而不产生过多的离子。与缓冲气体分子的碰撞还可促使高振动能级的准分子向低振动能级弛豫,.,2,）,谐振腔,：类似于分子气体激光器,10,输出波段：波长短，从可见光到紫外波段,3,）,泵浦源,：,准分子激光器普遍采用电子束或快速放电泵浦。,准分子激光器脉冲输出能量可达百焦耳量级,峰值功率达千兆瓦以上,平均功率可大于200W,重复频率高达1KHz.,能量转换效率较高：可达,1%,在光化学、同位素分离、医学、生物学、光电子及微电子工业等方面获得了广泛应用。,11,2.液体激光器,1),工作物质,:,无机液体,有机液体：染料激光器采用溶于适当溶剂中的有机染料作激光工作物质,2,）,谐振腔,：,3,）,泵浦源,：,光泵浦,：,通常采用闪光灯、,N,2,分子激光器、准分子激光器或倍频,Nd,3+,:YAG,激光器发射的,532nm,激光等作脉冲染料激光器的泵浦光源,而连续染料激光器则常用氩或氪离子激光器作泵浦源。,有连续输出的激光器，也有脉冲输出的激光器。可产生超短光脉冲，峰值功率达几百,MW,。,由于染料具有较宽的频带,所以可从锁模染料激光器得到很窄的脉冲,以若丹明,6G,为工作物质的碰撞锁模染料激光器可产生约,30fs,的超短激光脉冲,这种光脉冲还可压缩成脉宽仅为,6fs,的超短光脉冲,这是目前世界上最窄的光脉冲。,在掺钛蓝宝石出现之前,染料激光器是最理想的,可调谐,激光器。目前已在紫外,(330mn),到近红外,(1.85um),相当宽的范围内获得了连续可调谐输出。由于它的可调谐和可产生极窄光脉冲的特点,在激光光谱、同位素分离、医学及其他科技领域获得了广泛应用,。,12,3.固体激光器,1）,工作物质,：,具有特殊能力的高质量的光学玻璃或光学晶体，里面掺入具有发射激光能力的金属离子,。,能实现激光振荡的固体工作物质多达数百种,激光谱线多达数千条。红宝石、Nd3+:YAG、钕玻璃是三种最常用的工作物质。,有脉冲输出激光器和连续输出激光器。,主要优点：能量大、峰值功率高、体积小、结构紧凑、坚固可靠和使用方便。,2,）,谐振腔,：,3,）,泵浦源,：,光泵浦,:,最常用的泵浦光源有惰性气体放电灯,(,灯内充入疝、氪等惰性气体,),、金属蒸气灯,(,灯内充入汞、钠、饵等金属蒸气）、卤化物灯,(,碘钨灯、镊钨灯等,),、半导体激光器、日光泵,(,用聚光镜将日光会聚到激光棒中,),等。,13,下面介绍两种最常用的固体工作物质：,1)、,红宝石晶体,红宝石的化学表示式为Cr,3+,: Al,2,0,3,其激活离子是三价铅离子Cr,3+,基质是刚玉晶体(化学成分是A1,2,O,3,)。红宝石属六方晶系,是无色透明的负单轴晶体。,红宝石是在Al,2,O,3,中掺入适量的Cr,3+,使Cr,3+,部分地取代Al,3+,而成。掺入Cr,2,O,3,的最佳量一般在0.05%(重量比)左右,相应的Cr,3+,密度为n,tot,=1.58x10,19,cm,-3,。,晶体的生长方向大致有三种:生长轴与光轴C平行的叫0,o,红宝石, 生长轴与光轴C相垂直的为90,o,红宝石, 此外还有60,o,红宝石等。,红宝石的光谱特性主要取决于Cr,3+,，红宝石激光器通常只产生0.6943um的受激辐射。,由于红宝石的性能随温度变化比较明显,在室温情况下不适于作连续和高重频器件。值得注意的是在低温时,红宝石的性能非常良好;例如在低温77K时,红宝石的激光阙值比室温下可低两个数量级。同时低温下红宝石的导热性比室温下好得多。因此在低温下可连续输出。,14,红宝石突出的,缺点,是,阈值高,(,因是三能级,),和,性能易随温度变化,。,但具有很多,优点,如,:,机械强度高,能承受很高的激光功率密度,;,容易生长成较大尺寸,;,亚稳态寿命长,储能大,可得到大能量输出,;,荧光谱线较宽,容易获得大能量的单模输出,;,低温性能良好,可得到连续输出,;,红宝石激光器输出的红光,(0.6943um),不仅能为人眼可见,而且很容易被探测接收,(,目前大多数光电元件和照相乳胶对红光的感应灵敏度较高,),。,因此,红宝石仍属一种优良的工作物质而得到广泛应用。用红宝石制成的大尺寸单脉冲器件输出能量已达上千焦耳。单级调,Q,器件很容易得到几十兆瓦的峰值功率输出,(,用这类器件已成功地对载有角反射器的人造卫星进行了测距试验,),。多级放大器件的输出峰值功率已达数千兆瓦到一万兆瓦。,红宝石在激光发展上是贡献比较大的一种晶体。,15,2)、,掺钕钇铝石榴石(Nd,3+,:YAG)：,Nd,3+,:YAG的激活离子为Nd,3+,基质是YAG晶体(钇铝石榴石晶体Y,3,Al,5,O,12,的简称)。Nd,3+,部分取代YAG中的Y,3+,便成为Nd,3+,:YAG。一般含Nd,3+,量为1%原子比,此时Nd,3+,的密度为1.3810,20,cm,-3,颜色为淡紫色。实际制备时是将一定比例的A1,2,0,3,、Y,2,O,3,和Nd,2,O,3,在单晶炉中熔化结晶而成。Nd,3+,:YAG属立方晶系,是各向同性晶体。,室温下Nd,3+,:YAG在近红外区有三条明显的荧光谱线，其中以1.06m处的荧光谱线最强。,Nd,3+,:YAG的,突出优点：,是克服了,红宝石的突出,缺点（,阈值高,(因是三能级)和,性能易随温度变化）,。,优点1,：热物理性能优良。,Nd,3+,:YAG的光谱特性随温度变化较小,实验发现,当晶体由4.2K升高到300K时,吸收光谱峰值波长移动一般不大于1nm量级,1.06um附近的荧光线向长波移动约1nm左右。在室温或略高于室温的范围内,1.06um处的荧光线宽、荧光寿命和量子效率随温度升高不发生显著变化。,16,优点,2,：阈值低。,由于,Nd,3+,:YAG属四能级系统,量子效率高,受激辐射截面大,所以它的阈值比红宝石和钕玻璃低得多。,综合上述两个优点, 因此Nd,3+,:YAG非常适合制成连续和重频器件。它是目前能在室温下连续工作的,唯一,实用,的固体工作物质。在中小功率脉冲器件中,目前应用Nd3+:YAG的量远远超过其它固体工作物质。Nd,3+,:YAG连续器件的最大输出功率已超过1000W,每秒5000次的重复频率器件的峰值功率已达1KW以上，每秒几十次的重复频率调Q器件的峰值功率已达几百兆瓦。Nd,3+,:YAG也可用做倍频器件和锁模器件。,17,4.半导体激光器（LD）,工作物质,：是半导体材料形成的,P-N结。,谐振腔,：与结平面垂直的晶体解理面构成,F-P谐振腔。重点,泵浦源,：,对,P-N结正向注入电流或,光泵浦,，可激发激光。,体积小，重量轻，易调制，功耗低；,波长覆盖面广（0.3344,m）；,能量转换效率高，有大功率器件;,工作电压与集成电路兼容，可与集成电路单片集成，故有,高集成度器件,。,主要优点,18,二）、代表性的固体激光器,1,、,YAG,激光器,基质晶体,Y,3,Al,5,O,12,热物理性能优良，使激光器既可连续工作又可高效率脉冲工作。,输出波长,1064nm，加倍频技术可输出532nm。,已经实现了KW级大功率输出，广泛用于激光加工、激光医疗、科学研究之中。,激光晶体的发展动向之一是研制在室温下产生新波长的工作物质；,之二是适应固体激光小型化的需要，发展了一些高掺杂浓度的激光晶体；,之三是实现激光波长连续可调谐。,19,输出波长,2.94m,用于激光医疗。,输出波长,2.1m,用于激光医疗 ,空间光通信。,2,、,可调谐的固体激光器,输出激光有宽的调谐范围（,700-1000nm，峰值波长800nm），应用广泛，并可得到5飞秒脉冲。,可调谐范围,700-800nm。采用调Q技术，输出755nm脉冲激光，在激光医疗中很重要。,目前最有应用价值的可调谐激光器,20,3,、激光二极管（,LD,）泵浦的固体激光器,LD的特点,：高功率、高效率、长寿命,采用,LD泵浦的,主要优点,:,1）光谱匹配：LD的窄光谱输出可与激光能级吻合，实现高效率的能量转换,2）LD的输出可以准直和聚焦：通过光学系统使LD或LD阵列的光能量最有效地聚焦到激光棒上,3）LD的价格下降可使固体激光器的性价比大大提高,21,3,、激光二极管（,LD,）泵浦的固体激光器,LD泵浦:实现高效率的能量转换,用,LD列阵泵浦固体激光器实现了高功率激光输出。,22,4,、非线性频率转换得到短波长固体激光器,固体激光器的波长在红外波段。用非线性材料进行波长转换,得到绿光、蓝光、紫外固体激光器.,LD泵浦固体激光器与准相位匹配频率转换结合，以期制造出结构简单小巧、价格便宜的可调谐激光器。,研究趋势,5,、光纤激光器和光纤放大器,LD泵浦增益光纤、一对光纤光栅构成谐振腔。双包层光纤激光器已经实现了KW级大功率输出。,光泵浦作用下增益光纤的光放大作用显著,信号光输入增益光纤将得以放大。光纤放大器的出现,是光纤通信发展史上的重要里程碑。,23,