激光器认知ppt课件

激光器的认知,一、激光器的分类,按工作物质：气体激光器、固体激光器、液体激光器、半导体激光器等 按运转方式：连续激光器、脉冲激光器、超短脉冲激光器、稳频激光器、可调谐激光器 按波长：红外激光器、可见光激光器、紫外激光器、毫米波激光器、X射线激光器等 按泵浦方式：电激励激光器、光泵浦激光器、核能泵浦激光器、热能激励激光器等 按谐振腔：内腔激光器、外腔激光器、环形腔激光器折叠腔激光器等,2,1、气体激光器的分类,原子气体激光器 工作物质为未电离的气体原子，如He-Ne激光器 分子气体激光器 工作物质为未电离的气体分子，如CO2激光器、氮分子激光器 离子激光器 如氩离子激光器和氦镉离子激光器,3,气体激光器的特点,气体激光器的工作物质：气体或蒸汽 波长范围：紫外到红外 优点： 1.工作物质均匀性好，光束质量好 2. 连续输出功率高 3. 转换效率高 4. 结构简单 5. 成本低 应用：准直、导向、计量、材料加工、全息术、医学、农业育种、国防等,4,2、固体激光器,主材料：晶体或玻璃 晶体：1)金属氧化物 Al2O3，氧化钇Y2O3，钇铝石榴石Y3Al5O12（YAG）。2)铝酸盐、磷酸盐、硅酸盐等晶体：铝酸钇YALO3(YAP)、氟磷酸钙Ca(PO4)3F等。3) 氟化物晶体：氟化钙CaF2、氟化钡BaF 玻璃：硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐玻璃 （有高的机械强度、高的导热特性） 参杂材料：稀土元素（Nd3+，Er3+，Ho3+，Sm2+，Er2+） 过渡金属（Cr3+，Ni3+）,5,固体激光器的特点,能量大，峰值功率高 结构紧凑、牢固耐用 连续输出功率不如气体激光器,6,3、半导体激光器,工作物质：半导体材料如砷化镓(GaAs)、硫化镉(CdS)、碲锡铅(PbSnTe) 特点：体积小、效率高、结构简单、成本低 应用：光纤通讯、光盘、准直、显示等,7,4、液体激光器,分类：有机化合物液体激光器(染料激光器) 无机化合物液体激光器(无机液体激光器) 特点：波长可调谐，调谐范围广 可产生极短的超短脉冲(10-15s) 可获得窄的谱线宽度(10-5-10-6nm),8,5、化学激光器,利用化学反应建立粒子数反转：氟化氢(HF)、氟化氘(DF)激光器 特点：无需外加电源或光源 高功率输出 应用：军事领域,9,6、自由电子激光器,利用电子运动的动能转换为激光辐射 特点：波长连续调谐范围宽，毫米波至X射线；转换效率高(50%),10,二、 固体激光器,固体激光工作物质 泵浦光源 聚光腔 谐振腔 冷却,11,一）、一般固体激光器,1960-5-17，Ted Maiman 发明第一台激光器,1、红宝石激光器,12,红宝石激光器,13,红宝石激光器,激光材料：Al2O3 +0.01%0.5% Cr3+,三能级系统,2E能级分解成二个能级：2A、E，E=29cm-1 辐射波长：694.3nm和692.9nm,2A和E能级上的粒子数由波尔兹曼分布确定,激光振荡时只有694.3nm的激光输出,14,红宝石荧光具有偏振特性,红宝石荧光的偏振特性,图5.3,15,红宝石的温度特性,红宝石的荧光线宽、波长、荧光效率等与温度有关,图5.4,16,红宝石激光器特性,脉冲光源泵浦 波长：694.3nm 脉冲宽度：1ms 脉冲能量：100J 脉冲频率：几Hz 电光效率：0.1%1%,红宝石激光器的缺点： 需要高能量的泵浦光源 较低的效率 冷却困难，使输出脉冲频率不能太高 目前红宝石激光器主要被YAG激光器所替代,17,2、YAG激光器,1）Nd-YAG激光器,激光材料：Y3Al5O12（钇铝石榴石晶体）+ Nd3+(0.725%重量),Nd3+的吸收光谱： 525nm、584nm、750nm、805nm、870nm，带宽约30nm 其中750nm、805nm吸收最强,18,图5.5,激光器输出的激光波长通常为1.064um，通过选频方法可以实现其他频率的输出,四能级系统,19,Nd3+-YAG的温度特性,图5.6,荧光谱线宽度随温度升高而增大 波长随温度升高向长波移动,Nd-YAG在1.06um的跃迁界面比红宝石694.3nm大35倍，因此Nd-YAG有较低阈值，适合于作连续激光器,20,Nd-YAG激光器的特性,连续或脉冲工作方式 脉冲频率：10-100Hz 连续功率输出：10-100w 脉冲输出功率：50mJ10J 波长: 1.06um，采用非线性晶体倍频，可实现 二倍频：532nm 三倍频：355nm 四倍频：266nm,21,2）Er3+-YAG激光器,五个吸收带：0.38um、0.52um、0.65um、0.79um、1.5um,图5.7,能级寿命4I11/2 为0.1ms 4I13/2 为2ms 由于下能级寿命大于上能级寿命，容易造成下能级粒子数积累，较难连续振荡，适合脉冲 Er3+-YAG激光器的泵浦效率较低 激光波长2.94um为人体组织的吸收波长，在激光外科及血管外科上有较大应用前景，,有6个激光亚稳能级，11个跃迁通道，波长范围宽,22,3、钕玻璃激光器,钕玻璃是把Nd2O3掺入到光学玻璃中（硅酸盐、磷酸盐等）制成的。 Nd2O3的参入浓度为1-5%(重量),钕玻璃的吸收光谱与YAG相似，但吸收带较宽,23,钕玻璃有三个荧光谱线：0.92um、1.06um、1.37um 通常实现振荡的波长：1.06um，谱宽5-10nm，单色性较差，谱宽和激励能量有关,图5.9,图5.10,四能级系统,24,钕玻璃激光器的特点： 1、玻璃制备工艺成熟，尺寸形状可自由变化 2、荧光寿命长，有利于储存能量，提高激光输出 3、线宽较宽，有利于制作超短脉冲锁模器件 缺点： 导热差，热膨胀系数大，不适于连续或高重复频率工作,25,二）、板条激光器,工作物质的形状为板状的激光器（Slab Geometry Laser，SGL），或称为全内反射面泵浦激光器（total internal reflection- face pumped lasers ， TIR-FPL ）,1、工作原理,26,板状介质的光学质量和加工精度 实现均匀的面泵浦 冷却方式,板条的主要技术问题,图5.12,27,结构的改进,28,三）、掺杂光纤激光器,光纤激光器（FL）的种类： 1）晶体光纤激光器 2）掺杂光纤激光器 3）非线性光学效应光纤激光器,光纤的纤芯很小，纤内容易形成高功率密度；激光与泵光可充分耦合，因此转换效率高，激光阀值低；激光模式好 输出的激光谱线多，荧光谱线的线宽很宽，易于调谐 光纤的柔绕性很好，易散热，热特性优于块状固体激光器,光纤激光器的特点：,29,掺杂光纤激光器,图5.20,掺Nd和掺Er光纤激光器能级图,掺Nd：0.9um三能级，1.06、1.35um四能级 掺Er：三能级,可用0.8um的半导体激光器泵浦,应用：光纤通讯,30,四）、掺钛蓝宝石激光器,掺杂过度金属离子激光器，固体可调谐激光器，600-1100nm,偏振吸收光谱,Ti3+-Al2O3结构,31,发射光谱,残余红外吸收光谱,32,33,掺钛蓝宝石激光器的结构,脉冲激光泵浦的掺钛蓝宝石激光器,泵浦光为P偏振光 双晶体，消除色散,34,连续波掺钛蓝宝石激光器,35,固体激光器的常用光泵浦方式,五）、LD泵浦的固体激光器,36,LD泵浦方式,优点：泵浦效率高,端面泵浦,37,侧泵方式与一般的闪光灯横向泵浦相似，对谐振腔反射镜和棒端面的研磨质量要求低一些。一般泵浦效率低，容易形成多模振荡，但可获得较高的输出功率。,侧面泵浦,38,三、 气体激光器,气体激光器,原子激光器 （氦氖激光器),分子激光器 ( 激光器）,离子激光器 （氩离子激光器）,发射的谱线波长范围宽 气体工作物质均匀性好，输出光束质量较高 容易实现大功率连续输出 转换效率高、工作物质丰富、结构简单等特点,特点,39,一）、氦-氖激光器,属于原子激光器类，能产生许多可见光与红外光的激光谱线，多采用连续工作方式 输出功率与放电毛细管的长度有关 输出的激光方向性好、单色性好、输出功率和波长可控制得很稳定,He-Ne激光器的结构,40,电激励： 电子碰撞 He+e-He *+e- Ne+e-Ne *+e- （极少量） 共振转移 He *+Ne He +Ne*E Ne原子的不同激发态之间跃迁产生发光,He-Ne激光器原理,四能级工作系统,He-Ne激光器采用毛细管，用于增大管壁效应，排空低能级离子。,41,0.6328微米和3.39微米两种振荡具有同一上能级，因此它们之间存在较强的谱线竞争。,3P寿命比2P短，3.39um更能形成粒子数反转 3.39um增益更大 （增益正比于波长平房） 因此3.39um更容易形成振荡,使用玻璃材料的布儒斯特窗 给腔镜镀多层介质膜，使其对0.6328微米有最大的反射率 对较长的激光器，腔内加色散棱镜或放置甲烷吸收盒,解决方法：,42,He-Ne激光器常用结构,43,He-Ne激光器的工作参数,工作电压: 几百到几千伏 最佳工作电流： I=70d (mA) d为放电管直径(cm) 混合气体气压比: PHe: PNe=5:19:1 最佳工作气压: Pd=440533(Pamm) 单程小信号增益: G=310-4l/d，l为放电管长度 饱和增益: Is=2+(1.6/d)+(0.19/d2) (mW/cm2) 输出功率(单模): P=3 10-2ld Is Is饱和光强， 激发参数 发散角: = / 0 0束腰半径 平凹腔： = (/ L)1/21/(T-1)1/4 , T=R/L L腔长，R凹镜曲率半径,44,二）、CO2激光器,分子气体激光器 1965年贝尔实验室 目前效率最高：20%-25% 输出功率最大，数十万瓦(连续)，1012瓦（脉冲） 波长9-11um，大气窗口，典型10.6um 激光器内：CO2:N2:He=1:1:8,45,CO2的振动及能级,振动能级用v1、v2、v3的量子数来表示 如000，001 由于v2有二个振动方向：平行纸面或垂直纸面，合成振动为圆周运动，其角动量为量子化，取为l 能级表示为 v1v2lv3,46,激光器中与跃迁有关的能级是由 分子和 分子的电子基态的低振动能级构成的。四能级系统,47,激光器的工作原理,输出激光主要发生在 过程中。 如何将粒子泵浦到激光上能级： （1）电子碰撞激发 （2）分子的共振能量转移,0110能级寿命较长，影响激光振荡 利用He分子和010能级上的CO2分子碰撞，可以降低010能级的寿命，有利于抽空CO2分子的激光下能级。,转动能级： CO2分子的转动使得振动能级分裂成很多子能级，因此CO2激光器的输出波长较丰富。，如10.57um，10.59um，10.61um，10.63um等,49,CO2激光器的结构,50,51,CO2激光器的一些工作参数,气体的混合比 CO2:N2:He:Xe:H2=1:1.5:8:0.3:0.05 He降低工作气体温度、加速CO2下能级驰豫 工作气压: Pd=4400 (Pamm) 最佳工作电流： 20mA 工作电压: 20kV 小信号增益: G=(0.0120.0025)d (cm) 饱和增益: Is=72/d2 (W/cm2) 输出功率: P=14.4 (I0/ Is) Io-激光腔内振荡光强，Is-饱 和光强,52,性能与参数 1. 可见光输出功率最大，几百瓦 2. 小的转换效率：0.1% 3. 发热较大，需要水冷 4. 波长：488.8m、514.5nm 应用：DNA排序，全息，测量、视网膜固定,三）、氩离子激光器,53,2、电子和Ar碰撞直接把Ar电离并激发到高能态，称一步过程,3、Ar+被激发到3p4s和3p4d上，然后辐射跃迁到上能级3p44p上，称为串激跃迁,Ar离子激光器采用低气压、大电流的激发工作方式，属于弧光放电,激发机理： 1、电子与Ar碰撞变为Ar+，Ar+再与电子碰撞变为高能态Ar+，称二步过程,54,图5.34 5.35,主要的辐射光谱：488nm和514.5nm,55,氩离子激光器的结构,1 石墨阳极 2 石墨片 3 石英环 4 冷水套 5 放电毛细管 6 阴极 7保热屏 8 加热灯丝 9 布氏窗 10 磁场 11 储气罐 12 电磁真空充气阀 13 镇气瓶 14 波纹管 15 气压监测器,56,氩离子激光器还需要加轴向磁场(几百到一千高斯)，使离子趋向于毛细管中心，防止对管壁的碰撞,输出功率和放电电流关系,57,四）、准分子激光器,Excimer = exited + dimer(二聚物) 准分子是由一个惰性气体原子和一个卤素气体原子在激发态下构成的一个结构稳定的分子，或者是同核的二聚物 在基态时准分子还原成独立的自由原子 准分子形成过程：XeF* e+Ar Ar*+e Ar*+Xe Ar+Xe* Xe*+NF3 XeF*+NF2,58,R:noble gas atom H:halogen,准分子激光器能级,59,准分子激光器的波长,60,准分子激光器的结构,61,紫外光激光输出 高效率 体积小、安装操作方便 只能产生脉冲激光，脉冲皮秒到微秒 气压：1-5大气压 可用于切割、刻字、以及外科手术，如眼睛的矫形等,准分子激光器性能,62,四、 半导体激光器,1、光纤通信中的光源 将电信号转换为光信号； 有两种：半导体激光二极管（LD）； 半导体发光二极管（LED）； 要求：发射波长与光纤低损耗和低色散波长一致； 在室稳下连续工作，低功耗，谱线窄； 体积小，重量轻，使用寿命长； 制造工艺简单，成本低，可靠性高；,63,2、半导体中光的发射和激射原理,原子的能级结构： 电子的量子化：能量是离散值； 原子的能级：分立的能量值； 基态（稳态）：原子能量最低； 激发态：原子能量比基态高； 半导体价带、导带、带隙： 能级：分立的能量级； 能带：单晶中各个原子的最外层轨道相互重叠； 价带：与原子最外层轨道的价电子对应的能带； 导带：价带上面的能带； 带隙：导带底Ec与价带顶Ev之差Eg；（禁带宽度）,64,2、半导体中光的发射和激射原理(续）,导体的Eg半导体Eg导体Eg=0； 价带中电子激发至导带，留下空穴；临近电子填补这个空穴，又留下另一个空穴；空穴产生位移；(统称载流子） 导带中电子跃迁至价带，填补空穴，既复合； 电子（-）、空穴（+）称为载流子； 激发时电子吸收能量，跃迁时电子辐射能量； Eg=h,65,2、半导体中光的发射和激射原理(续）,本征半导体（I型）：杂质、缺陷极少的纯净、完整的半导体。 电子半导体（N型）：通过掺杂使电子数目大大地多于空穴数目的半导体。（GaAs-Te） 空穴半导体（P型）：通过掺杂使空穴数目大大地多于电子数目的半导体。（GaAs-Zn） 在纯净的-族化合物中掺杂族元素（N型），或掺杂族元素（P型）,66,2、半导体中光的发射和激射原理(续）,p-n结：P型半导体和N型半导体结合的界面。,67,2、半导体中光的发射和激射原理(续）,扩散运动空间电荷势垒自建电场VD平衡状态。 费米能级Ef：描述电子能量状态分布的假象能级， Ef以下的能级，电子占据的可能性大于1/2，空穴占据的可能性小于1/2； Ef以上的能级，空穴占据的可能性大于1/2，电子占据的可能性小于1/2。 掺杂：eVDEg为轻掺杂， eVDEg为重掺杂。 在平衡状态下，P区和N区有统一的Ef。 正电压向V漂移运动抵消一部分势垒（V-VD） 破坏平衡 P区和N区的Ef分离（准费米能级）。,68,2、半导体中光的发射和激射原理(续）,(Ef)N以下的能级，电子占据的可能性大于1/2， (Ef)P以上的能级，空穴占据的可能性大于1/2。 当正向电压足够大时，产生复合发光。,69,2、半导体中光的发射和激射原理(续）,普朗克定律：基态到激发态的跃迁吸收一个光子，激发态到基态的跃迁发射一个光子，光子的能量为h=E2-E1。 吸收激发：E1基态的电子吸收光子能量，激发到高能态E2； 自发辐射：E2能态的电子处于不稳定状态，自发返回基态E1，自发辐射一个光子（位相随机）。 受激辐射：E2能态的电子处于不稳定状态，向下进入亚稳态，外来光子会激励电子向下跃迁到基态E1，受激辐射一个光子（位相相同）。,70,2、半导体中光的发射和激射原理(续）,粒子数反转（光放大的必要条件）：仅当激发态的电子数大于基态中的电子数时，受激辐射超过吸收，要利用“泵浦（激励）”方法。 有源区：实现粒子数反转，对光具有放大作用的区域。 光学谐振腔： 自发辐射光子 夹角大的逸出 受激辐射光子 全同光子,71,2、半导体中光的发射和激射原理(续）,72,2、半导体中光的发射和激射原理(续）,谐振腔的三功能：光放大、频率选择、正反馈。 阈值条件：增益必须大于损耗； 相位平衡条件：光波能因干涉而得到加强以形成正反馈（驻波）； fq 谐振频率， q 谐振波长， q 纵模,73,2、半导体中光的发射和激射原理(续）,频带加宽：增益介质的增益-频率特性；,74,2、半导体中光的发射和激射原理(续）,横模TEMmn ：激光振荡垂直于腔轴方向，平面波偏离轴向传播时产生的横向电磁场模式。,75,3、半导体发光二极管LED,利用半导体p-n结自发发光的器件。 特点：温度特性好，输出线性较好，没有模式色散，驱动电路简单，寿命长。,76,3、半导体发光二极管LED(续）,面发光二极管,77,3、半导体发光二极管LED(续）,边发光二极管,78,3、半导体发光二极管LED(续）,技术参数： 1.3m LED,79,4、半导体激光二极管LD,同质结与异质结：,80,4、半导体激光二极管LD(续）,窄条双质结激光二极管：,81,4、半导体激光二极管LD(续）,82,4、半导体激光二极管LD(续）,管芯制作工艺：InGaAsP双异质结,83,4、半导体激光二极管LD(续）,半导体激光器的特性：双异质结InGaAsP,84,4、半导体激光二极管LD(续）,输出光束示意图： 两异质结-驻波-垂直横模 平行有源层-驻波-水平横模 两个反射面-驻波-纵模 模式控制：,85,4、半导体激光二极管LD(续）,隐埋异质结（BH）：,86,4、半导体激光二极管LD(续）,平面隐埋异质结（PBH）：,87,4、半导体激光二极管LD(续）,双沟平面隐埋异质结（DC-BH）：,88,4、半导体激光二极管LD(续）,脊型波导（RW）：,89,4、半导体激光二极管LD(续）,光源与光纤的耦合：,90,4、半导体激光二极管LD(续）,光耦合透镜系统：,91,4、半导体激光二极管LD(续）,激光器封装的目的： 隔绝环境，避免损害，保证清洁； 为器件提供合适的外引线； 提高机械强度，抵抗恶劣环境； 提高光学性能； 封装器件的主要要求： 气密性好，保证管芯与外界隔绝； 结构牢固可靠，部件位置稳定，经受住各种环境； 热性能好，化学性能稳定，抗温度循环冲击； 可焊性好，工艺性好，有拉力强度； 符合标准，系列化，成本低，适合批量生产。,92,4、半导体激光二极管LD(续）,同轴激光器的封装：,93,4、半导体激光二极管LD(续）,插拔式同轴封装：,94,4、半导体激光二极管LD(续）,尾纤式同轴封装：,95,4、半导体激光二极管LD(续）,14针双列直插式封装：,96,4、半导体激光二极管LD(续）,蝶式封装：,97,5、分布反馈激光二极管（DFB-LD）,无集总式反射机构（F-P），由有源区波导上的Bragg光栅提供反射功能， 原理：Bragg光栅周期，发射波长满足 2=m/n (m=0,1,2,) 干涉增强方向 2sin=m/n 特点：单纵模特性好（边模抑制比可达35dB以上） 窄线宽，波长选择性好； 温度特性好，波长温度飘移为0.09nm/, 调制特性好，,98,5、分布反馈激光二极管（DFB-LD）,99,5、分布反馈激光二极管（DFB-LD）,分布Bragg反射器（DBR）激光二极管,100,5、分布反馈激光二极管（DFB-LD）,超结构光栅DBR可调谐激光二极管,101,6、量子阱半导体激光器,有源层尺寸极小有源层与两边相邻层的能带不连续导代和价带的突变势能阱量子阱效应,102,6、量子阱半导体激光器,103,6、量子阱半导体激光器,104,7、半导体激光器组件,105,8、半导体激光器特性与检测,106,8、半导体激光器特性与检测,107,8、半导体激光器特性与检测,108,8、半导体激光器特性与检测,109,8、半导体激光器特性与检测,110,8、半导体激光器特性与检测,111,谢 谢！,