第5章固体激光器

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,*,第5章 固体激光器,固体激光器,红宝石激光器,YAG,激光器,工作物质,Al,2,O,3,Cr,2,O,3,；,Cr,3,决定光谱性能,Al,2,O,3,Y,2,O,3,Nd,2,O,3,；,Nd,3,决定光谱性能,物理过程,三能级系统,四能级系统,激光谱线,0.6943m+0.6929m,；,0.6943m,占优势,1.35m+1.06m,；一般只产生,1.06m,泵浦源,脉冲氙灯,氪灯,由于固体激光器的工作物质是绝缘晶体，所以一般用光泵浦源激励,泵浦特点,*泵浦灯和激光棒分别位于椭圆聚光腔的两条焦线上,*泵浦光源中仅有少部分与工作物质吸收带相匹配的光能是有用的。,优缺点,阈值高、温度效应非常严重、室温下不适于连续和高重复率工作,阈值低、有优良的热学性质、适于连续和高重复率工作；是目前能在室温下连续工作的唯一实用的固体工作物质,输出特性,大多数为脉冲激光器，产生的激光脉冲是一系列的尖峰，宽度约为几个微米,转换效率低,(,总体效率：激光输出与泵浦源的电输入之比,),总体效率大概为,0.5%-1%,1%-3%,特点,输出能量大；峰值功率高；,5.1.1,固体激光器的基本结构与工作物质,1.,固体激光器基本上都是由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤光系统构成的。,图,5,-,1,是,长脉冲固体激光器的基本结构示意图,(,冷却、滤光系统未画出,),。,图,5-1,固体激光器的基本结构示意图,5.1.1,固体激光器的基本结构与工作物质,2.,红宝石激光器,图,(5-3),红宝石中铬离子的能级结构,5.1.1,固体激光器的基本结构与工作物质,3.,掺钕钇铝石榴石,(Nd,3,：,YAG),工作物质,:,将一定比例的,A1,2,O,3,、,Y,2,O,3,，和,Nd,2,O,3,在单晶炉中进行熔化结晶而成的，呈淡紫色。它的激活粒子是钕离子,(Nd,3,),，,YAG,中,Nd,3,与激光产生有关的能级结构如图,(,5,-,5,),所示。它,属于四能级系统。,图,(5-5)Nd,3,:YAG,的能级结构,5.1.2,固体激光器的泵浦系统,1.,固体激光工作物质是绝缘晶体，一般都采用光泵浦激励。泵浦光源应当满足两个基本条件。,2.,常用的泵浦灯在空间的辐射都是全方位的，因而固体工作物质一般都加工成圆柱棒形状，所以为了将泵浦灯发出的光能完全聚到工作物质上，必须采用聚光腔。,3.,图,(,5,-,6,),所示的椭圆柱聚光腔是小型固体激光器中最常采用的聚光腔，它的内表面被抛光成镜面，其横截面是一个椭圆。,图,(5-6),椭圆柱聚光腔,4.,固体激光器的泵浦系统还要冷却和滤光。常用的冷却方式有液体冷却、气体冷却和传导冷却等，其中以液冷最为普遍。,5.,泵浦灯和工作物质之间插入滤光器件滤去泵浦光中的紫外光谱。,5.1.3,固体激光器的输出特性,1.,固体激光器的激光脉冲特性,2.,转换效率,总体效率定义为激光输出与泵浦灯的电输入之比。对于连续激光器,(,用功率描述,),和脉冲激光器,(,用能量描述,),分别表示为,：,一般的脉冲固体激光器产生的激光脉冲是由一连串不规则振荡的短脉冲,(,或称尖峰,),组成的，各个短脉冲的持续时间约为,(0,.,1,1),m,，各短脉冲之间的间隔约为,(5,10),s,。泵浦光愈强，短脉冲数目愈多，其包络峰值并不增加。,5.1.4,新型固体激光器,1.,半导体激光器泵浦的固体激光器,图,(5-7),半导体激光器泵浦固体激光器的结构示意图,2.,可调谐固体激光器,半导体激光器泵浦固体激光器与闪光灯泵浦固体激光器相比有其主要优点,半导体激光器泵浦固体激光器的结构，有如,图,(,5,-,7)(a),所示的端泵浦方式和图,(,5,-,7,),(b),所示的侧泵浦方式。,可调谐固体激光器主要有两类，一类是色心激光器，一类是用掺过渡族金属离子的激光晶体制作的可调谐激光器。,5.1.4,新型固体激光器,3.,高功率固体激光器,高功率固体激光器主要是指输出平均功率在几百瓦以上的各种连续、准连续及脉冲固体激光器，它一直是军事应用和激光加工应用所追求的目标。,从二十世纪七十年代起开始研制的板条形固体激光器，就是针对克服工作物质中的热分布及其引起的一系列如折射率分布、应力双折射等固有矛盾而提出的一种结构方案，其结构,如图,(,5,-,8,),所示。,图,(5-8),板条形固体激光器结构示意图,第八讲 半导体激光器（一）,主要内容,半导体激光器的工作原理,半导体激光器的基本结构,半导体激光器工作原理,半导体激光器是向半导体,PN,结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，并利用光学谐振腔的正反馈实现光放大而产生激光。,半导体激光器工作原理,光与物质相互作用的三种基本方式,粒子数反转分布,激光振荡和光学谐振腔,光与物质相互作用的三种基本方式,自发辐射无外界激励而高能级电子自发跃迁到低能级，同时释放出光子。,受激辐射高能级电子受到外来光作用，被迫跃迁到低能级，同时释放出光子，且产生的新光子与外来激励光子同频同方向，为相干光。,受激吸收,低能级电子在外来光作用下吸收光能量而跃迁到高能级。,E2,E1,E2,E1,hf,12,hf,12,hf,12,hf,12,初态,终态,(,b),自发辐射,(,c),受激辐射,(,a),受激吸收,能级与电子跃迁示意图,粒子数反转分布,设在单位物质中低能级电子数和高能级电子数分别为,N,1,和,N,2,物质在正常状态下,N,1,N,2,，,受激吸收与受激辐射的速率分别比例于,N,1,和,N,2,且比例系数相等，此时光通过该物质时，光强会衰减，物质为吸收物质。若,N,2,N,1,，,受激吸收小于受激辐射，光通过该物质时，光强会放大，该物质成为激活物质。,N,2,N,1,的分布与正常状态相反，故称为粒子数反转分布。,半导体,的能带和电子分布,能量,价带,价带,E,g,E,f,E,f,/2,E,f,/2,E,g,E,f,E,e,E,v,E,v,E,e,E,g,E,f,E,e,E,v,(,a),本征半导体,(,b)N,型半导体,(,c)P,型半导体,空穴,电子,能带电子所处的能态扩展成的连续分布的能级。,价带能量低的能带。,导带能量高的能带。,禁带,Eg,导带底的能量,Ee,和价带顶能量,Ev,间的能量差,在热平衡状态下，能量为,E,的能级被电子占据的概率为费米分布,费米能级 用于描述半导体中各能级被电子占据的状态，在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。在本征半导体中，,位于禁带中央；,N,型半导体中 增大；在,P,型半导体中 减小。,PN,结的,能带和电子分布,PN,结空间电场区,P,区,N,区,+,E,f,能量,E,e,P,E,V,P,E,e,N,E,V,N,P,区,N,区,E,V,P,E,e,P,E,e,N,E,V,N,E,f,N,E,f,P,hf,hf,PN,结界面上由于多数载流子扩散运动形成内部空间电场区，该电场导致载流子的漂移运动，无外加电压时，两种运动处于平衡状态，能带发生倾斜。当外加正向电压时，内部电场被削弱，扩散运动加强，能带倾斜减小，在,PN,结形成一个增益区（粒子数反转分布区）可产生自发辐射。,光学谐振腔,光学谐振腔由两个反射率分别为,R1,和,R2,的平行反射镜构成。腔内物质具备粒子数反转分布，可用其产生的自发辐射光作入射光，经反射镜反射沿轴线方向传播的光被放大，沿非轴线方向传播的光被减弱，反射光经反射镜多次反射不断被放大，方向性不断改善，使增益大幅度提高。,激光振荡,激活物质在被置于光学谐振腔后，能对光的频率和方向进行选择，可获得连续的光放大和激光振荡输出激光起振阈值条件：腔内增益与损耗相当时开始建立稳定的激光振荡，阈值条件为：,是,阈值增益系数；,是谐振腔内激活物质的损耗系数；,为谐振腔长度,激光振荡的相位条件为：,或,半导体激光器的基本结构,同质结,单异质结（,LH,）,双异质结（,DH,）,双异质结（,DH)LD,的结构,限制层,Ga,y,Al,1-y,As,有源层,GaAs,限制层,Ga,X,Al,1-X,As,GaAs,衬底,光辐射,金属接触,双异质结（,DH)LD,的工作原理示意图,P Ga,y,Al,1-y,As,P GaAs,N Ga,X,Al,1-X,As,E,能量,N,折射率,P,光功率,电子,复合,异质势垒,空穴,5%,+,(,b),(,a),(,d),(,c),双异质结（,DH)LD,的工作原理,双异质结（,DH)LD,由三层不同类型的半导体材料构成，不同材料发不同的波长。结构中间一层窄带隙,P,型半导体为有源层，两侧分别为宽带隙的,P,型和,N,型半导体是限制层，三层半导体置于基片上，前后两个晶体解理面为反射镜构成谐振腔。光从有源层沿垂直于,PN,结的方向射出。,5.4,半导体激光器,以半导体材料为工作物质的激光器称为半导体激光器。其特点为超小型、高效率、低成本、工作速度快和波长范围宽等。它是激光光纤通信的重要光源。目前在光存储、激光高速印刷、全息照相、激光准直、测距及医疗等许多方面广泛应用。而在光信息处理、光计算机和固体激光器泵浦等方面却正是方兴未艾。,自,1962,年半导体砷化嫁（,GaAs,）同质结激光器问世后，半导体从同质结、单异质结、双 异质结到半导体激光器阵列，波长范围履盖了可见光到长波红外，逐渐地成为现代激光器件中的应用面最广、发展最为迅速的一种重要器件类型。,同以气体或固体作为工作物质的激光器一样，欲使半导体材料产生激光，同样要使,半导体材料中电子能态发生变化，以形成一定的粒子数反转，并且要有一个合适的光学共,振腔。但是，由于半导体材料中电子运动的特殊性半导体激光器又有着许多不同于气体和,固体激光器的特性。因此，要深入了解半导体激光器的特性和原理，我们必须先了解有关半导体材料的一些理论基础。,5.4.1,半导体的能带和产生受激辐射的条件,一、有关半导体的基础知识,1,能带,构成半导体激光器的工作物质是半导体晶体。在半导体晶体中，电子的运动状态和单个原子时的情况大不相同，尤其是其外层电子有了明显的变化，即所谓的,“,共有化运动,”,。,量子力学证明：当,N,个原子相接近形成晶体时，由于共有化运动，原来单个原子中每一个允许能级要分裂成,N,个与原来能级很接近的新能级。在实际的晶体中，由于原子数目,N,非常大，新能级又与原来能级非常接近，所以两个新能级间距离很小,（相互间的能级差为,10-22,）,，几乎可把这一段能级看作是连续的。我们便把这,N,个能级所具有的能量范围称为,“,能带,”,。不同的能带之间可以有一定的能量间隔，在这个间隔范围内电子不能处于稳定状态，实际上形成一个能级禁区，称为,“,禁带,”,。此间距用禁带宽度,E,v,来衡量。下图说明了原子中子轨道、能级及能带之间的对应关系。,图,(5-23),固体的能带,图,(5-23),固体的能带,图,(5-24),本征半导体的能带,在晶体中，由价电子能级分裂而成的能带叫做,“,价带,”,，如某一能带被电子填满，则称之为,“,满带,”,，而在未激发情况下无电子填入的能带叫做,“,空带,，若价带中的电子受激而进入空带，则此空带称为,“,导带,”,，同时，价带上由于价电 子激发到导带后留下一些空着的能级称为,“,空穴,”,。,“,价带,”,和,“,导带,”,之间是,“,禁带,”,。,在纯净的、不含杂质的半导体中，由于热运动而产生的自由电子和空穴数量很少。这时，半导体是一个不导电的绝缘体。但如果半导体中掺入杂质，情况就不同了。如四价半导体中掺入五价半导体，就会在导带下形成杂质能级。杂质能级上电子很容易转移至导带上去，这种杂质称为施主。掺,施,主杂质的半导体称为电子型半导体或,N,型半导体。而如果我们在四价半导体中掺入三价元素，则会在价带上方形成受主杂质能级，价带上的电子可跑到受主能级上去，从而在价带上产生许多空穴。这种半导体称为空穴型半导体或,P,型半导体。,2,电子和空穴的统计分布,统计物理学指出：,热