《典型激光器》PPT课件.ppt

第三章典型激光器 任课教师 左青卉 光电子技术基础 第三章典型激光器 1 按工作波段分类 远红外 红外激光器 可见光激光器 紫外 真空紫外激光器 X光激光器 2 按运转方式分类 连续激光器 脉冲激光器 超短脉冲激光器 3 按工作物质分类 固体激光器 气体激光器 染料激光器 半导体激光器 激光器分类 第三章典型激光器 激光器分类 固体激光器的基本结构与工作物质 固体激光器基本结构由工作物质 泵浦系统 谐振腔和冷却 滤光系统构成的 图3 1固体激光器的基本结构示意图 3 1固体激光器 图3 2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 红宝石激光器 化学表示式为Cr3 Al203 激活离子是Cr3 基质是A12O3晶体 刚玉 红宝石属六方晶系 是无色透明的负单轴晶体 红宝石是在Al2O3中掺入适量的Cr3 使Cr3 部分地取代Al3 而成 掺入Cr2O3的最佳量一般在0 05 重量比 左右 3 1固体激光器 激光工作物质 红宝石晶体 红宝石的光谱特性主要取决于Cr3 原子Cr的外层电子组态为3d54s1 掺入Al2O3后失去外层三个电子成为Cr3 Cr3 的最外层电子组态为3d3 红宝石的光谱特性就是Cr3 的3d壳层上三个电子发生跃迁的结果 Cr3 在很强的晶格场作用下 呈现出复杂的能级分裂和重新组成的情况 通过实验和理论分析 已确定红宝石中Cr3 的工作能级属三能级系统 3 1固体激光器 红宝石激光器 如图3 3所示 4A2是基态又是激光下能级 其简并度g1 4 2E是亚稳态 它是由能量差为29cm 1的2A和E二能级组成 其简并度都为2 4F1和4F2是两个吸收能带 红宝石有两条强荧光谱线 R1和R2线 室温下对应的中心波长分别为694 3nm和693 4nm 通常红宝石激光器中只有694 3nm线才能形成激光输出 红宝石的吸收光谱如图3 4所示 由4A2向4F1跃迁吸收紫蓝光 峰值波长在0 36um附近 称为紫外带或U带 由4A2向4F2跃迁吸收黄绿光 峰值波长在0 51 m附近 称为黄绿带或Y带 这是两个很强很宽的吸收谱带 吸收带宽均约0 1um左右 图3 4红宝石中铬离子的吸收光谱 3 1固体激光器 红宝石激光器 由于红宝石晶体的各向异性 它的吸收特性与光的偏振状态有关 在入射光的振动方向与晶体光轴C相垂直或平行这两种情况下 其吸收曲线略有差别 见图3 4 3 1固体激光器 红宝石激光器 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 694 3nm 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 缺点 阈值高 因是三能级 和性能易随温度变化 优点 Nd3 YAG的激活离子为Nd3 基质是YAG晶体 钇铝石榴石晶体Y3Al5O12 Nd3 部分取代YAG中的Y3 即成为Nd3 YAG 一般含Nd3 量为1 原子比 此时Nd3 的密度为1 38 1020cm 3 颜色为淡紫色 实际制备时是将一定比例的A1203 Y2O3和Nd2O3在单晶炉中熔化结晶而成 Nd3 YAG属立方晶系 是各向同性晶体 掺钕钇铝石榴石 Nd3 YAG 3 1固体激光器 激光工作物质 掺钕钇铝石榴石 能级结构 掺钕钇铝石榴石 Nd3 YAG 3 1固体激光器 属于四能级系统 激光上能级是4F3 2 激光下能级为4I11 2 基态为4I9 2 其主要吸收峰为0 81 m和0 75 m 4F3 2是一个亚稳态 1 06 m比1 35 m的荧光约强四倍 1 06 m的谱线先起振 进而抑制1 35 m谱线起振 所以Nd3 YAG激光器通常只产生1 06 m激光 只有采取选频措施 才能实现1 35 m波长的激光振荡 掺钕钇铝石榴石激光器的激活粒子是钕离子 Nd3 其吸收光谱如图 3 6 所示 图3 6Nd3 YAG晶体的吸收光谱 掺钕钇铝石榴石 Nd3 YAG 3 1固体激光器 钕玻璃是在光学玻璃中掺入适量的Nd2O3制成的 最佳掺入Nd2O3量为1 5 重量比 对应3 的掺入量 Nd3 的浓度为3 1020 cm3 Nd3 在硅酸盐 棚酸盐和磷酸盐玻璃系统用得最多 玻璃的制备工艺比较成熟 易获得良争好的光学均匀性 玻璃的形状和尺寸也有较大的可塑性 大的钕玻璃棒长可达1 2m 直径30 100mm 可用来制成特大能量的激光器 小的可以做成直径仅几微米的玻璃纤维 用于集成光路中的光放大或振荡 钕玻璃最大的缺点是导热率太低 热胀系数太大 因此不适于作连续器件和高频运转的器件 且在应用时要特别注意防止自身破坏 3 1固体激光器 钕玻璃激光器 E4 含三个吸收带 抽运能带 E3 三条激光谱线公共的激光上能级 E2 含二条激光谱线的二个激光下能级 四能级系统 即 图3 7钕玻璃的能级结构和跃迁光谱 E1 基态 一条激光谱线的激光下能级 三能级系统 3 1固体激光器 钕玻璃激光器 跃迁谱线 1 06 m 四能级系统 跃迁几率大 通常可观察到 1 4 m 四能级系统 跃迁几率较小 不一定可观察到 0 9 m 三能级系统 难实现粒子数反转 一般不出现 钕玻璃激光器采用四能级系统 发射的波长是1 06 m 3 1固体激光器 钕玻璃激光器 3 2气体激光器 氦 氖 He Ne 激光器 He Ne激光器结构 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 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 激光管的阳极一般用钨棒制成 阴极多用电子发射率高和溅射率小的铝及其合金制成 为了增加电子发射面积和减小阴极溅射 一般都把阴极做成圆筒状 然后用钨棒引到管外 3 2气体激光器 氦 氖 He Ne 激光器 3 2气体激光器 氦 氖 He Ne 激光器 3 2气体激光器 3 2气体激光器 图3 8He Ne激光器的基本结构形式 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 He Ne激光管的结构形式是多种多样的 按谐振腔与放电管的放置方式不同可分内腔式 外腔式和半内腔式 氦 氖 He Ne 激光器 优点是使用时不必进行调整 非常方便 阴极与毛细管同轴放置 其结构紧凑 不易碎裂 安装方便 缺点是在工作过程中放电管受热变形时 谐振腔反射镜会偏离相互平行位置 造成器件损耗增加 输出下降 激光管越长 其热稳定性越差 所以内腔式激光管的长度一般不超过一米 而且当谐振腔反射镜损坏后 不易更换 反射镜内表面污染后也无法清除 并且由于阴极放在放电管内 阴极溅射物质易污染窗片 使用寿命低 同时由于阴极大量发射电子 阴极区易发热 使同轴式激光管功率的稳定性不如旁轴式 内腔式He Ne激光器 3 2气体激光器 氦 氖 He Ne 激光器 优点是这种激光器的谐振腔反射镜与放电管是分离 可增加储气量 同时溅射物质不易污染窗片 所以寿命比同轴式长 放电管的热变形对谐振腔影响较小 加之谐振腔可以调整 所以长期使用中能保持稳定输出 放电管的两端贴有布儒斯特窗片 还可使激光得到线偏振的激光输出 缺点是由于反射镜与放电管相分离 相对位置易改变 需要经常调整 使用不方便 体积大 安装使用不方便 易破碎 外腔式He Ne激光器 3 2气体激光器 氦 氖 He Ne 激光器 He Ne激光器的工作气体是He和Ne 其中产生激光跃迁的是Ne气 Ne原子有10个电子 基态1S0 电子分布为1S22S22P6 激发态为1S 2S 3S 2P 3P等 它们对应的外层电子组态分别为2P53s 2P54s 2P55s 2P53P 2P54P He是辅助气体 用以提高Ne原子的泵浦速率 如图3 9所示 He原子有两个电子 没激发时这两个原子都分布在1S0壳层上 He原子处于基态 当He原子受激时 使其中一个电子从1S激发到2S He原子成为激发态 He原子有两个亚稳态能级 分别记为23S1 21S0 图3 9与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图 氦和氖原子的能级图 3 2气体激光器 氦 氖 He Ne 激光器 在He Ne激光器中 实现粒子数反转的主要激发过程如下 第一是共振转移 由能级图可见 He原子的21S0 23S1态分别与Ne原子的3S 2S态靠得很近 二者很容易进行能量转移 并且转移几率很高 可达95 其转移过程如下 He Ne激光器的激发过程 3 2气体激光器 氦 氖 He Ne 激光器 第二是电子直接碰撞激发 在气体放电过程中 基态Ne原子与具有一定动能的电子进行非弹性碰撞 直接被激发到2S和3S态 与共振转移相比 这种过程激发的速率要小得多 第三是串级跃迁 Ne与电子碰撞被激发到更高能态 然后再跃迁到2S和3S态 与前述两过程相比 此过程贡献最小 图3 9与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图 3 2气体激光器 氦 氖 He Ne 激光器 He Ne激光器的激发过程 根据能量跃迁选择定则 Ne原子可以产生很多条谱线 其中最强的谱线有三条 即0 6328 m 3 39 m和1 15 m 对应跃迁能级分别为3S2 2P4 3S2 3P4和2S2 2P4 2P和3P态 不能直接向基态跃迁 而向1S态跃迁很快 lS态向基态的跃迁是被选择定则禁止的 不能自发地回到基态 但它与管壁碰撞时 可把能量交给管壁 自己回到基态 这就是为什么He Ne激光器中要有一根内径较细的放电管的原因 从能级图可见 He Ne激光器是典型的四能级系统 3 2气体激光器 氦 氖 He Ne 激光器 He Ne激光器的输出特性 谱线竞争 He Ne激光器三条强的激光谱线 3S 2P0 6328 m 2S 2P1 15 m 3S 3P3 39 m中哪一条谱线起振完全取决于谐振腔介质膜反射镜的波长选择 0 6328um和3 39umm两条激光谱线有共同的激光上能级3S 而后者增益系数比较高 如果不进行抑制 则3 39um的辐射在腔内振荡过程中将消耗大量的3S2态原子 抑制3 39um辐射的办法主要有 选用对3 39um的光具有低反射率的谐振腔反射镜 使3 39um达不到阈值条件 如下图所示 在腔内加色散棱镜 将两谱线分开 通过调整谐振腔反射镜的位置 只允许0 6328um的辐射起振 而使3 39um辐射偏离出谐振腔外 腔内放置甲烷吸收盒 因为甲烷对3 39um的光具有强吸收而对0 6328um的光透明 因此可用甲烷抑制3 39um振荡 3 2气体激光器 氦 氖 He Ne 激光器 外加非均匀磁场也能抑制3 39um振荡 根据塞曼效应 磁场可引起谱线分裂 分裂的大小与磁场强度成正比 如果激光管内磁场分布不均匀 则各处谱线分裂程度不同并连成一片 相当于谱线变宽 300高斯非均匀磁场中 两谱线加宽均约900MHz 0 6328umm原谱线半宽度约1500MHz 非均匀磁场对它展宽的比例不大 但3 39um原谱线宽只有300MHz左右 非均匀磁场的加宽比它大几倍 由于增益系数反比于线宽 所以外加非均匀磁场后 3 39um的增益系数急剧下降 而0 6328 m的增益系数却下降很少 结果提高了0 63281um的竞争能力 3 39um则被抑制 外加非均匀磁场的装置如上图所示 沿放电管轴向放置许多小磁铁 相邻的极性相同 这样就可在放电管轴线上形成非均匀磁场 3 2气体激光器 氦 氖 He Ne 激光器 2 He Ne激光器的放电电流对输出功率影响很大 图3 10输出功率与放电电流的关系曲线 图3 10表示输出功率与放电电流的关系曲线 曲线表明 在气压比为定值时 每个总气压都存在一个输出最大的放电电流 其大小随着总气压的升高而降低 这是因为气压升高 只需要较小的放电电流就能得到相同的电子密度 在最佳充气条件下 使输出功率最大的放电电流叫最佳放电电流 3 2气体激光器 氦 氖 He Ne 激光器 He Ne激光器存在着最佳混合比和最佳充气总压强 即存在最佳充气条件 实验发现 氦气与氖气的分压比为7 1时是最佳分压比 而总压强在100Pa 400Pa 选用He气作辅助气体的原因 Ne原子不能直接被电子碰撞激发到激光上能级 He 与Ne 能级极相近 易发生能量共振转移 若放电毛细管的直径为d 充气压强为p 则存在一个使输出功率最大的最佳pd值 在最佳放电条件下 工作物质的增益系数和毛细管直径d成反比 3 2气体激光器 氦 氖 He Ne 激光器 CO2激光器的主要特点是输出功率大 能量转换效率高 输出波 10 6um 广泛用于激光加工 医疗 大气通信及其他军事应用 CO2激光器以CO2 N2和He的混合气体为工作物质 激光跃迁发生在CO2分子的电子基态的两个振动 转动能级之间 N2的作用是提高激光上能级的激励效率 有助于激光下能级的抽空 二氧化碳激光器 3 2气体激光器 CO2激光器的结构 图3 11封离式CO2激光器结构示意图 构成CO2激光器谐振腔的两个反射镜放置在可供调节的腔片架上 最简单的方法是将反射镜直接贴在放电管的两端 二氧化碳激光器 3 2气体激光器 图3 12与产生激光有关的CO2分子能级图 CO2激光器中 通过以下三个过程将CO2分子激发到0001能级 1 直接电子碰撞电子与基态 0000 CO2分子碰撞使其激发到激光上能级 这一过程可表示为CO2 0000 e CO2 0001 e CO2激光器的激发过程 2 级联跃迁电子与基态CO2分子碰撞使其跃迁到000n能级 基态CO2分子与高能级CO2分子碰撞后跃迁到激光上能级 此过程可表示为 CO2 0000 CO2 000n CO2 0001 CO2 000n 1 二氧化碳激光器 3 2气体激光器 3 共振转移由于N2分子 v 0 能级和电子碰撞后跃迁到v 1的振动能级 这是一个寿命较长的亚稳态能级 因而可积累较多的N2分子 基态CO2分子与亚稳态N2分子发生非弹性碰撞并跃迁到激光上能级 这一过程可表示为CO2 0000 N2 v 1 CO2 0001 N2 v 0 由于CO2分子0001能级与N2分子v 1能级十分接近 能量转移十分迅速 此外 N2分子的v 2 4能级与CO2分子0002 0004也十分接近 相互间也能发生共振转移 处于0002 0004的CO2分子与基态CO2分子碰撞可将它激励至0001能级 在以上三种激发途径中 共振转移的几率最大 作用也最为显著 二氧化碳激光器 3 2气体激光器 CO2分子激光跃迁下能级的抽空主要依靠气体分子间的碰撞 一旦实现了 0001 与 1000 0200 之间的粒子数反转 即可通过受激辐射 产生 0001 1000跃迁产生10 6um波长的激光光0001 0200跃迁产生9 6um波长的激光 由于以上跃迁具有同一上能级 而且0001 1000跃迁的几率大得多 所以C02激光器通常只输出10 6 m激光 若要得到9 6um的激光振荡 则必须在谐振腔中放置波长选择元件抑制10 6um激光振荡 二氧化碳激光器 3 2气体激光器 CO2激光器的输出特性 相应于CO2激光器的输出功率 其放电电流有一个最佳值 CO2激光器的最佳放电电流与放电管的直径 管内总气压 以及气体混合比有关 实验指出 随着管径增大 最佳放电电流也增大 例如 管径为20 30mm时 最佳放电电流为30 50mA管径为50 90mm时 最佳放电电流为120 150mA 1 放电特性 二氧化碳激光器 3 2气体激光器 CO2激光器的转换效率是很高的 但最高也不会超过40 这就是说 将有60 以上的能量转换为气体的热能 使温度升高 而气体温度的升高 将引起激光上能级的消激发和激光下能级的热激发 这都会使粒子的反转数减少 并且 气体温度的升高 将使谱线展宽 导致增益系数下降 特别是 气体温度的升高 还将引起CO2分子的分解 降低放电管内的CO2分子浓度 2 温度效应 二氧化碳激光器 3 2气体激光器 Ar 离子激光器 Ar 激光器的结构 由放电管 谐振腔 轴向磁场和回气管等几部分组成 图3 13分段石墨结构Ar 激光器示意图 3 2气体激光器 Ar 激光器的激活粒子是Ar Ar 激光器的激发过程分两步进行 通过气体放电 将氩原子Ar电离 再通过放电激励将Ar 激发到激光上能级 中性Ar原子在放电过程中 与快速电子碰撞后电离 形成处在基态P5上的Ar 离子 该基态Ar 离子再与高速电子碰撞 被激发到高能态 当激光上下能级间生产粒子数反转时 即可生产激光 其中激光上能级为3P44P1 激光下能级为3P44S1 最强发射谱线位于528 7nm和514 5nm 图3 14产生激光有关的Ar 的能级结构图 Ar 激光器的激发机理 Ar 离子激光器 3 2气体激光器 激光跃迁上能级 3P44P 粒子的积聚主要通过三种途径实现 1 基态Ar 与电子碰撞后直接跃迁到3P44P能级 2 基态Ar 与电子碰撞后跃迁至高于3P44P的其他能级 再通过级联辐射跃迁至3P44P能级 3 基态Ar 和电子碰撞跃迁至低于3P44P的亚稳态能级后再次与电子碰撞并跃迁至3P44P能级 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 但低压强又意味着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 Ar 离子激光器 3 2气体激光器 Ar 激光器的工作持性 1 多谱线工作 激光跃迁发生在Ar 的电子组态3P44P和3P44S之间 前者的寿命约为10 8s 后者通过自发辐射迅速消激发 其寿命约为10 9s 由于3p44P和3P44S电子组态均对应若干子能级 所以连续工作的氩离子激光器可产生9条蓝绿激光谱线 对应每条谱线都有一个阈值电流 其中以488nm和514 5nm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 Ar 离子激光器 3 2气体激光器 2 输出功率与放电电流的关系 由于Ar 激光器特殊的激发机制 其输出功率随放电电流的变化规律与其它激光器有所不同 图5 15示出了其间的关系曲线 图3 15Ar 激光器输出功率随放电电流变化曲线 放电电流较小时输出功率与放电电流成四次方的关系 随着放电电流的增大 输出功率与放电电流成平方的关系 这是因为 随着电流密度的增大 使气体温度升高 激光谱线变宽 因而其增益随电流增长的速度变慢 Ar 离子激光器 3 2气体激光器 3 3染料激光器 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 用作激光工作物质的染料是包含共辄双键的有机化合物 染料激光器 染料激光器激光工作物质 染料分子能级的特征可用 自由电子 模型说明 复杂的染料大分子中分布着电子云 电子云中的2n个电子与势阱中的自由电子相似 当分子处于基态时 2n个电子填满n个最低能级 个能级为两个自旋相反的电子所占据 总自旋量子数为零 形成单重态S0 当分子处于激发态时 电子云中有一个电子处于较高能级 若此电子自旋方向不变 则总自旋量子数仍为零 形成S1 S2等单重激发态 若此电子自旋反转 则形成T1 T2等三重态 图3 16染料分子能级图 3 3染料激光器 染料分子的能级 由选择定则可知 单重态和三重态之间的跃迁是禁戒的 每一个电子态都有一组振动 转动能级 电子态之间的能量间隔为106m 1量级 同一电子态相邻振动能级间的能量间隔为105m 1 而转动子能级间的能量间隔仅为103m 1量级 实际上由于染料分子与溶剂分子频繁碰撞和静电扰动引起的加宽 使得振动 转动能级几乎相连 因此每个电子态实际上对应一个准连续能带 图3 16染料分子能级图 3 3染料激光器 染料分子的能级 染料分子的光辐射过程 染料分子吸收了泵浦光能量由基态S0跃迁到S1的某一振转能级后 在和溶剂分子频繁的碰撞中迅速地将能量传递给溶剂分子并跃迁至S1的最低振转能级 染料分子由此能级跃迁至S0的各振动能级时产生荧光 跃迁至S0的较高振转能级的染料分子迅速通过无辐射跃迁过程返回S0的最低能级 由此可知 在S1最低振转能级和S0的较高振转能级间极易形成粒子数反转分布状态 产生激光 由于S0和S1都是准连续带 吸收和荧光发射谱都是连续的 所以染料激光器有很宽的调谐范围 3 3染料激光器 图3 16染料分子能级图 染料分子的三重态 陷阱 S1态分子还可通过碰撞容易地向T1态跃迁 这一过程称作系际窜越 其速率一般为10 2ns l左右 虽然这一速率较S1态的自发辐射速率 ns 1 小得多 但由于T1态的寿命较长 10 4 10 3s 分子较易积聚在T1态 所以T1态对于激发分子来说 相当一个 陷阱 图3 16染料分子能级图 3 3染料激光器 一方面 T1占有S1上部分分子 减少了S1对S0的反转粒子数 另一方面 积累在T1中的大量分子又会吸收光能 由T1跃迁到T2 并且而T1 T2跃迁的吸收波长又恰好与S1 S0跃迁荧光波长重叠 这意味着T1态积聚的染料分子可吸收受激辐射光子而向T2态跃迁 因此染料分子在T1态集聚不利于激光运转 显然 只有在S1 S0受激辐射产生的增益大于T1 T2跃迁造成的吸收损耗时才能形成激光振荡 染料激光器的泵浦 通常采用闪光灯 N2分子激光器 准分子激光器或倍频Nd3 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 显然 泵浦光的波长必须小于染料激光器的输出激光波长 3 3染料激光器 图3 17三镜腔式染料激光器 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 染料激光器的应用 3 3染料激光器 3 4半导体激光器 半导体激光器特点是超小型 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 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 半导体激光器 半导体激光器是以半导体材料作为激光工作物质的 电子跃迁发生在半导体材料导带中的电子态和价带中的空穴态之间 在电流或光的激励下 半导体价带中的电子可以获得能量 跃迁到导带上 在价带中形成一个空穴 这相当于受激吸收过程 价带中的空穴也可被从导带跃迁下来的电子填补而复合 在复合时 电子把多余能量以光子形式释放出来 这相当于自发辐射或受激辐射 半导体的能带 3 4半导体激光器 半导体的能带 3 4半导体激光器 电子共有化运动 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 半导体的能带 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Eg来衡量 3 4半导体激光器 半导体能带 图3 18原子分裂为能带示意图 图3 19固体的能带 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 半导体的能带 3 4半导体激光器 半导体能带 3 20本征半导体的能带 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 半导体的能带 3 4半导体激光器 本征半导体 电子和空穴的统计分布 由上式可见 对于某一温度T 能级E上的电子占据率唯一地由费米能级EF所确定 因此可以把EF视作电子填充能级水平的一把 尺子 统计物理学指出 热平衡时 电子在能带中的分布不再服从玻尔兹曼分布 而服从费米分布 一个电子占据能量为E的能级的几率为 3 4半导体激光器 杂质半导体中费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度有密切关系 为了说明问题 图3 21给出了温度极低时的情况 图3 21费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度关系 电子和空穴的统计分布 3 4半导体激光器 在未掺杂质的本征型半导体中 费米能级居于禁带中央 导带内的电子或价带内的空穴是非简并化分布 图a 在轻掺杂P型半导体中 受主能级使费米能级向下移动 图b 轻掺杂N型半导体中 施主能级使费米能级向上移动 图d 在重掺杂P型半导体中 费米能级向下移到价带中 低于费米能级的能带被电子填满 高于费米能级的能态都是空的 价带中出现空穴 P型简并半导体 图c 在重掺杂N型半导体中 费米能级向上移到导带中 低于费米能级的能带被电子填满 高于费米能级的能态都是空的 导带中也有自由电子 N型简并半导体 图e 双简并半导体 半导体中存在两个费米能级 图f 两个费米能级使得导带中有自由电子 价带中有空穴 电子和空穴的统计分布 3 4半导体激光器 半导体中产生光放大的条件是在半导体中存在双简并能带 图a e 中的情况都只有一个费米能级 在它上面没有有自由电子 在它下面已经被电子充满 不可能发生电子跃迁 只能将外来光子吸收 图f 中的情况都只有两费米能级 导带有自由电子 价带中有空穴 当入射光的频率满足 时 外来光子会诱导导带中的自由电子向价带空穴跃迁而发出一个同样的光子 半导体中光放大条件 3 4半导体激光器 PN结和粒子数反转 P N结的双简并能带结构 把P型和N型半导体制作在一起 是否可能在结区产生两个费米能级呢 未加电场时 由于电子和空穴的扩散作用 在P N结的交界面两侧形成空间电荷区 生产自建场 其电场方向自N区指向P区 引起漂移运动 当扩散运动和漂移运动达到热平衡时 P区和N区的费米能级必然达到同一水平 3 4半导体激光器 5 4 2PN结和粒子数反转 一 P N结的双简并能带结构 图3 22PN能带 这时 在P区和N区分别出现P型简并区和N型简并区 P区的价带顶充满了空穴 N区的导带底充满了电子 在结区造成了能带的弯曲 自建场的作用 形成了接触电位差VD叫做P N结的势垒高度 P区所有能级上的电子都有了附加位能 它等于势垒高度VD乘以电子电荷e VDe 在P N结上加以正向电压V时 原来的自建场将被削弱 势垒降低 破坏了原来的平衡 引起多数载流子流入对方 使得两边的少数载流子比平衡时增加了 这些增加的少数载流子称为 非平衡载流子 这种现象叫做 载流子注入 此时结区的统一费米能级不复存在 形成结区的两个费米能级EF 和EF 称为准费米能级 它们分别描述空穴和电子的分布 在结区的一个很薄的作用区 形成了双简并能带结构 图3 23正向电压V时形成的双简并能带结构 PN结和粒子数反转 3 4半导体激光器 粒子数反转 产生受激辐射的条件是在结区的导带底部和价带顶部形成粒子数反转分布 激光器在连续发光的动平衡状态 导带底电子的占据几率为 价带顶空穴的占据几率可以用P区的准费米能级来计算 价带顶电子占据几率则为 在结区导带底和价带顶实现粒子 电子 数反转的条件是 PN结和粒子数反转 3 4半导体激光器 粒子数反转 产生受激辐射的条件是在结区的导带底部和价带顶部形成粒子数反转分布 PN结和粒子数反转 3 4半导体激光器 粒子数就是载流子数 正常情况下 电子总是从低能态的价带填充起 填满价带后才填充导带 如果我们能利用光或电注入的办法 便在P N附近够成大量的非平衡载流子 在此其复合寿命更短的时间内 电子在导带 空穴在价带分别达到暂时的平衡 则在这一段时间内简并化分布的导带电子和价带空穴就处于相对反转分布的状态 对于重掺杂的GaAsP N结 在P N结的附近 导带中有电子而价带中有空穴 这一小段区域称为 作用区 如果电子从导带中向价带中跃迁 则将释放光子 并在谐振腔的反馈作用下 产生受激辐射 当然 价带中的电子也可能在光子的激发下跃迁到导带中 即所谓受激吸收 而要产生激光输出自然要求受激发射光子的速率大于受激吸收光子的速率 PN结和粒子数反转 3 4半导体激光器 3 4半导体激光器 价带顶空穴的占据几率可以用P区的准费米能级来计算 价带顶电子占据几率则为 在结区导带底和价带顶实现粒子 电子 数反转的条件是 考虑激光器工作在连续发光的动平衡状态 导带底电子的占据几率可以用N区的费米能级来计算 PN结和粒子数反转 3 4半导体激光器 此式便是同质结半导体激光器的载流子反转分布条件 其物理意义是 1 工作区中导带能级的电子占有几率大于价带能级中的电子占有几率 2 因为发射的光子能量基本等于禁带宽度Eg 因而要求 E F E F Eg 而P N结两边的PP型和NN型半导体都必须高掺杂 从而使电子和空穴的准费米能级分别进入导带和价带 3 所加的正向偏压必须满足 PN结和粒子数反转 3 4半导体激光器 半导体激光器的基本结构和工作原理 图3 24GaAs激光器的结构 半导体激光器的工作原理和阈值条件 图3 24b示出台面形管芯激光器的外形结构 管芯的形状有长方形 台面形 电极条形等多种 图3 24a的管芯形状是长方形 P N结的厚度仅几十微米 一般是在N型GaAs衬底上生长一薄层P型GaAs而形成P N结 3 4半导体激光器 半导体激光器工作的阈值条件 激光器产生激光的前提条件除了粒子数发生反转还需要满足阈值条件 增益系数和粒子数反转的关系也取决于谐振腔内的工作物质 半导体激光器的工作原理和阈值条件 3 4半导体激光器 工作物质实现了粒子数反转后 光在谐振腔内传播时便有增益 但能否有效地形成激光振荡 还与腔内损耗有关 只有在增益恰等于损耗时才能满足振荡的阈值要求 这说明半导体激光器的增益不仅要大于零 还必须达到某一数值才能形成激光 t复合 结区电子寿命t复合 1 A21 n 粒子数反转值 半导体激光器的阈值电流 在一定的时间间隔内 注入激光器的电子总数与同样时间内发生的电子与空穴复合数相等而达到平衡 半导体激光器的工作原理和阈值条件 3 4半导体激光器 当正向电流密度J达到阈值J阈后形成激光 数值例 GaAsP N结激光器 半导体激光器的工作原理和阈值条件 3 4半导体激光器 同质结和异质结半导体激光器 同质结砷化镓 GaAs 激光器的特性 伏安特性 与二极管相同 也具有单向导电性 如图 3 25 所示 阈值电流密度 影响阈值的因素很多 3 4半导体激光器 显然 降低J阈的值是提高半导体水平的关键 经研究发现J阈与以下因素有关 1 与激光器的具体结构及制备工艺有密切关系 不同器件a总值差异很大 2 J阈 1 L 即阈值电流密度与腔长L成反比 3 J阈与工作温度的关系十分密切 4 J阈与反射率r1r2有关 通常两个反射面都是天然解理面 故r1 r2 0 32 当腔长转短时 若1 2L比a总小或接近 一个端面镀金反膜会使J阈明显降低 但当腔长L较长时 J阈的降低就不明显了 图3 25GaAs激光器的伏安特性 方向性 图3 26给出了半导体激光束的空间分布示意图 图3 26激光束的空间分布示意图 因为半导体激光器的谐振腔短小 所以激光束的方向性较之其他典型的激光器要差很多 而且由于有源区厚度很薄 有源区的条宽比厚度大很多倍 所以在垂直于结的方向和平行于结均方向的光束发散角是不对称的 前者要大数倍 同质结和异质结半导体激光器 3 4半导体激光器 光谱特性 图 3 27 是GaAs激光器的发射光谱 其中图 a 是低于阈值时的荧光光谱 谱宽一般为几百埃 图 b 是注入电流达到或大于阈值时的激光光谱 谱宽达几十埃 图3 27GaAs激光器的发射光谱 同质结和异质结半导体激光器 3 4半导体激光器 GaAs的激射光谱线宽比固体和气体激光器要宽 这是因为半导体产生激光时 粒子反转分布并不是在两个分立的能级之间 而是在导带和价带之内 每个能带都包含了许多级 这就使复合发光的光子能量有一个较宽的能量范围 由于增益谱线宽 其发射光谱的单色性就要差一些 实际的激光器发射光谱的结构是很复杂的 光谱宽度随注入电流增加而变宽 一般可从零点几纳米到几纳米范围内变化 同时 半导体激光器的光谱随温度而变化 当温度升高时 激光的峰值波长向长波方向移动 对GaAs同质结器件 峰值波长在77K时为0 84um 300K时为0 902um 同质结和异质结半导体激光器 3 4半导体激光器 同质结和异质结半导体激光器 3 4半导体激光器 同质结和异质结半导体激光器 3 4半导体激光器 转换效率半导体激光器所用的转换效率常用 功率效率 和 量子效率 来度量 P 输出功率Pth 阈值发射光功率hv 发射光子能量i 正向电流ith 正向阈值电流e 电子电量V 正向偏压RS 激光器串联内阻 一般同质结激光器在室温下的功率效率仅有百分之几 为了提高功率效率应尽可能减小内阻 外微分量子效率 功率效率 功率效率定义为激光器的输出功率与输入电功率之比 同质结和异质结半导体激光器 3 4半导体激光器 异质结半导体激光器 单异质结半导体激光器 单异质结器件结构如图 3 28 b 所示 双异质结半导体激光器 双异质结半导体激光器结构如图 3 28 c 所示 图3 28同质结 异质结结构示意图 同质结和异质结半导体激光器 3 4半导体激光器 理论分析及实验研究表明 同质结激光器难以得到低阈值电流和实现室温连续工作 为此 在同质结的基础上发展了异质结半导体激光器 从而大大提高了半导体激光器的实际应用价值 异质结特点 从提高半导体激光器的性能要求出发 对异质结两侧的材料有如下技术要求 1 要求两种材料的晶格常数尽可能相等 若在结合的界面处有缺陷 载流子将在界面处复合掉 不能起到有效的注入 放大和发光的作用 2 为了获得较高的发光效率 要求GaAlAs材料是竖直跃迁型的 3 为了获得高势垒 要求两种材料的禁带宽度有较大的差值 同质结和异质结半导体激光器 3 4半导体激光器