《光电子技术》课件：§１.5 典型激光器.ppt

1、第第章章 光辐射与发光源光辐射与发光源本本 章章 概概 述述 电磁波谱与光辐射电磁波谱与光辐射 （1-11-1）掌握）掌握电磁波的性质电磁波的性质和和光辐射的特点光辐射的特点 辐射度学与光度学基本知识辐射度学与光度学基本知识 （1-21-2）理解）理解七个辐射量和光度量七个辐射量和光度量的概念的概念 热辐射基本定律热辐射基本定律 （1-31-3） 掌握掌握三个定律三个定律和和三个公式三个公式 激光原理激光原理 （1-1-4 4）掌握）掌握激光激光产生的物理机制产生的物理机制 典型激光器典型激光器 （1-1-5 5）了解几种）了解几种常见激光器常见激光器Planck公式公式0 维恩维恩公式公式

2、瑞利瑞利-琼斯琼斯公式公式Planck公式公式维恩维恩位移定律位移定律斯忒藩斯忒藩玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律0dd热辐射基本定律热辐射基本定律上节主要内容回顾上节主要内容回顾基尔霍夫辐射基尔霍夫辐射定律定律上节主要内容回顾上节主要内容回顾激光原理激光原理激光及其特性激光及其特性单色性好，方向性好，亮度高，相干性好单色性好，方向性好，亮度高，相干性好激光器的发展历史激光器的发展历史光辐射量子理论光辐射量子理论三种原子跃迁过程，爱因斯坦关系式三种原子跃迁过程，爱因斯坦关系式激光产生的必要条件激光产生的必要条件粒子数反转，提高光子简并度粒子数反转，提高光子简并度激光器的基本结构激光器的基本结构激光工作

3、物质，泵浦源，谐振腔激光工作物质，泵浦源，谐振腔第第章章 光辐射与发光源光辐射与发光源本本 章章 概概 述述 电磁波谱与光辐射电磁波谱与光辐射 （1-11-1）掌握）掌握电磁波的性质电磁波的性质和和光辐射的特点光辐射的特点 辐射度学与光度学基本知识辐射度学与光度学基本知识 （1-21-2）理解）理解七个辐射量和光度量七个辐射量和光度量的概念的概念 热辐射基本定律热辐射基本定律 （1-31-3） 掌握掌握三个定律三个定律和和三个公式三个公式 激光原理激光原理 （1-1-4 4）掌握）掌握激光激光产生的物理机制产生的物理机制 典型激光器典型激光器 （1-1-5 5）了解几种）了解几种常见激光器常见

4、激光器本章主要内容本章主要内容n1.5.11.5.1 典型激光器典型激光器n1.5.2 激光的应用 按工作物质可按工作物质可分成四类分成四类:固体激光器固体激光器;气体激光器气体激光器;液体激光器液体激光器;半导体激光器半导体激光器一、固体激光器一、固体激光器1光泵激励光泵激励以以掺杂掺杂的的晶体或玻璃晶体或玻璃为工作物质。受激离子浓度大，为工作物质。受激离子浓度大，亚稳态寿命长，故容易获得大能量输出。连续功率亚稳态寿命长，故容易获得大能量输出。连续功率可达可达KW级、脉冲峰值功率级、脉冲峰值功率TW级。级。 1）采用气体放电灯进）采用气体放电灯进行泵浦，并采用椭圆行泵浦，并采用椭圆聚光腔聚光

5、腔，但效率很低，但效率很低（小于（小于3%）。）。1.5.1 典型激光器典型激光器2）采用半导体激光器（）采用半导体激光器（LD）进行泵浦，）进行泵浦， 效率可达效率可达720%。 1.5.1 典型激光器典型激光器2 2 红宝石激光器红宝石激光器是世界上第一台激光器，是世界上第一台激光器，1960年由美国人梅曼发明。年由美国人梅曼发明。(1)工作原理工作原理工作物质：工作物质：Al2O3+0.05%Cr3+(重量比重量比)能级结构：能级结构：Cr3+的的三能级三能级系统系统E1=4A2 ， E2=2E， E3=4F1，4F2，E2为亚稳能级，寿命约为亚稳能级，寿命约3毫秒毫秒4A24F24F1

6、A2E2E0.42 m0.55 R1R2输出波长：输出波长：R1优先线起振，输出波长优先线起振，输出波长694.3nm(红光）红光）。1.5.1 典型激光器典型激光器(2) 红宝石激光器的泵浦系统和结构红宝石激光器的泵浦系统和结构 光泵浦光泵浦，由于红宝石吸收峰在蓝、绿区，用，由于红宝石吸收峰在蓝、绿区，用脉冲脉冲氙灯氙灯泵浦，光谱匹配较好。若需大功率，多灯泵浦，泵浦，光谱匹配较好。若需大功率，多灯泵浦，可用双椭圆腔。较高重复率使用时，灯和激光棒都需可用双椭圆腔。较高重复率使用时，灯和激光棒都需要水冷。要水冷。1.5.1 典型激光器典型激光器(3)红宝石激光器的红宝石激光器的应用特点应用特点

7、由于红宝石激光器是三能级结构由于红宝石激光器是三能级结构,有较高的泵浦能有较高的泵浦能量阈值量阈值, 所以通常只能以脉冲方式运转所以通常只能以脉冲方式运转. 较高的泵浦能量阈值限制了其应用较高的泵浦能量阈值限制了其应用,但输出的是可但输出的是可见光见光,在动态信息、医学等方面仍有应用价值。在动态信息、医学等方面仍有应用价值。 采用调采用调Q和和锁模技术可获得锁模技术可获得超短超短脉冲脉冲输出输出: 调调Q脉冲脉冲:峰值功率达峰值功率达107W,脉脉宽为宽为10-20ns; 锁模脉冲锁模脉冲: 峰值功率达峰值功率达109W,脉宽为脉宽为10ps.1.5.1 典型激光器典型激光器激活粒子是钕离子激

8、活粒子是钕离子(Nd3)，其吸收光谱见下图，其吸收光谱见下图.3 钕激光器钕激光器典型的有：典型的有：Nd:YAG和钕玻璃激光器和钕玻璃激光器常常用用氪氪灯灯810nm750nm1.5.1 典型激光器典型激光器(1) (1) 掺钕钇铝石榴石激光器（掺钕钇铝石榴石激光器（Nd:YAGNd:YAG）1)工作原理工作原理工作物质：工作物质：Nd:YAG=Y3Al5O12+1.0-1.2%Nd2O3 (原子百原子百分比分比)能级结构：能级结构：Nd3+的的四能级四能级:E1=4I9/2，E2=4I11/2，E3= 4F3/2，E4= 4S3/2，4F7/2 , , 4F5/2，2A9/2输出波长：输出

9、波长：1.064 m (红外红外)氪灯氪灯 4S3/2 4F7/2 4F5/2 2A9/24F3/24I11/24I9/20.750.811.0644I13/21.3190.951.5.1 典型激光器典型激光器2) Nd:YAG激光器的泵浦激光器的泵浦吸收光谱在近红外波段，常用吸收光谱在近红外波段，常用氪灯氪灯泵浦，并用泵浦，并用椭圆椭圆聚光腔聚光腔提高泵浦效率。提高泵浦效率。3) Nd:YAG激光器的脉冲输出激光器的脉冲输出 由于由于Nd:YAG为四能级系统，阈值比红宝石激光为四能级系统，阈值比红宝石激光器低得多，所以激光效率比红宝石激光器高得多，可器低得多，所以激光效率比红宝石激光器高得多

10、，可连续或脉冲以高重复率运转连续或脉冲以高重复率运转. 调调Q峰值功率可达数峰值功率可达数108W；脉宽为；脉宽为ns量级量级 锁模锁模峰值功率可达数峰值功率可达数1010W，脉宽为，脉宽为ps量级量级.1.5.1 典型激光器典型激光器(2)(2)钕玻璃激光器钕玻璃激光器工作物质：工作物质：各向同性玻璃各向同性玻璃+Nd2O3 1-5%重量比重量比能级结构能级结构: Nd3+的的四能级四能级.输出波长输出波长: 最强辐射最强辐射1.060微米微米与与YAG比较比较:1)能级结构基本相同能级结构基本相同(只是能级间隔稍不同只是能级间隔稍不同)2) 容易做成大尺寸，且容易做成大尺寸，且荧光寿命荧光

11、寿命较长（较长（0.6-0.9ms,而而YAG约为约为0.23ms）,故故输出能量大输出能量大。3)钕玻璃的钕玻璃的荧光线宽荧光线宽更宽更宽,锁模脉宽更小锁模脉宽更小(Ec-Ev=Eg，这就要求重掺杂这就要求重掺杂,并加足并加足够的正向电压够的正向电压V. e(VD - V）EFcEcEFvEv1.5.1 典型激光器典型激光器 e(VD- V）EFcEcEFvEv（2）输出特性）输出特性最小注入电流最小注入电流阈值电流阈值电流，是半导体激光器的重要参数是半导体激光器的重要参数之一，与材料、工艺结构等之一，与材料、工艺结构等因素密切相关，且随温度升因素密切相关，且随温度升高而增大。高而增大。 注

12、入电流低于、等注入电流低于、等于、高于阈值电流时，于、高于阈值电流时，p-n结激光器的光输出结激光器的光输出与频率的关系不同与频率的关系不同.输出的波长输出的波长 = Eg/h 1.5.1 典型激光器典型激光器4 半导体激光器的谐振腔半导体激光器的谐振腔 直接利用半导体的解直接利用半导体的解理面组成的平行平面组成理面组成的平行平面组成谐振腔。谐振腔。 反射率通常在反射率通常在30-50%，表明损耗较大，但半导体表明损耗较大，但半导体的转换效率很高，达的转换效率很高，达30%以上，足以维持足够的增以上，足以维持足够的增益。益。 此外，通过镀膜，还可此外，通过镀膜，还可提高端面的反射率，获得提高端

13、面的反射率，获得更高的增益。更高的增益。1.5.1 典型激光器典型激光器5 半导体激光的模与光束发散角半导体激光的模与光束发散角（1）横模：横模较差，形状不圆。）横模：横模较差，形状不圆。 （2）纵模：因腔长较短）纵模：因腔长较短,纵模间隔大纵模间隔大,容易获得单纵模容易获得单纵模.（3）光束发散角：发散角较大，可达）光束发散角：发散角较大，可达203001.5.1 典型激光器典型激光器6 常见半导体激光器常见半导体激光器（1）同质半导体激光器）同质半导体激光器 同质半导体激光器同质半导体激光器以以GaAs激光器为代表，激光器为代表，发射波长为发射波长为0.84um，效，效率为率为30%，发散

14、角约，发散角约5o。缺点：缺点：阈值电流正比于温度的立方，只能在低温（液阈值电流正比于温度的立方，只能在低温（液氮）下连续工作，室温下只能脉冲工作，寿命较短。氮）下连续工作，室温下只能脉冲工作，寿命较短。分为同分为同质结激光器和异质结激光器两种质结激光器和异质结激光器两种。同质结同质结：由同种半导体材料组成的：由同种半导体材料组成的p-n结。结。异质结异质结：由不同半导体材料组成的：由不同半导体材料组成的p-n结。结。1.5.1 典型激光器典型激光器（2）异质）异质p-n结激光器结激光器 三层结构，中间层的折射率最大，形成波导结构，三层结构，中间层的折射率最大，形成波导结构，使激光发射约束在中

15、间层，提高激光转换效率使激光发射约束在中间层，提高激光转换效率。阈值电流大为降低，可在室温下连续工作。阈值电流大为降低，可在室温下连续工作。目前商品化的连续半导体激光器几乎均为双异质结型。目前商品化的连续半导体激光器几乎均为双异质结型。(3)量子阱激光器量子阱激光器: 双异质结的微型化、多层化双异质结的微型化、多层化.1.5.1 典型激光器典型激光器7 半导体激光器的主要应用半导体激光器的主要应用不同材料不同材料,产生的激光波长不同产生的激光波长不同,也就有不同的应用也就有不同的应用.第一类第一类: 以以GaAs(砷化镓砷化镓)和和Ga1-xAlxAs为基础：波为基础：波 长约为长约为0.85

16、 m, 用于用于短距离光通信和固体短距离光通信和固体 激光器泵浦源。激光器泵浦源。第二类：第二类：以以InP(磷化铟磷化铟)和和Ga1-xInxAs1-yPy为基础：为基础： 波长为波长为0.91.65 m,其中其中1.3 m和和 1.55 m则广泛用于则广泛用于光纤通信。光纤通信。1.5.1 典型激光器典型激光器第三类：第三类：以以Ga1-xAlxAsGaAs和和In0.5(Ga1-xAlx)0.5P GaAs为基础：发射可见光（红光）为基础：发射可见光（红光）,作为作为 各种各种信息显示光源。信息显示光源。第四类：第四类：以以Ga(氮化镓氮化镓)为基础：发射可见光（蓝为基础：发射可见光（蓝

17、 绿光），主要用于绿光），主要用于光储存。光储存。1.5.1 典型激光器典型激光器光子晶体激光器光子晶体激光器Photonic crystal laser光子晶体激光器：光子晶体激光器：基于光子晶体微谐振腔结构的激光器。基于光子晶体微谐振腔结构的激光器。五、新型激光器简介五、新型激光器简介通过合适的谐振腔设计，可以获得尺寸十分小的激光器（通过合适的谐振腔设计，可以获得尺寸十分小的激光器（umum甚至甚至nmnm尺寸）和极低阈值（尺寸）和极低阈值（mwmw量级）或无阈值的激光器。量级）或无阈值的激光器。可应用于光纤通信、信息处理以及光谱学分析等方面。可应用于光纤通信、信息处理以及光谱学分析等方面

18、。随机激光器随机激光器 Random laser随机激光器：随机激光器：利用随机介质对光的多重散射而形成受激利用随机介质对光的多重散射而形成受激辐射的激光器。辐射的激光器。随机激光器可用于新型平面光显示器，紫外激光器等制随机激光器可用于新型平面光显示器，紫外激光器等制备。备。 自由电子激光的物理原理是利用通过周期性摆动磁场的高速电子束和光自由电子激光的物理原理是利用通过周期性摆动磁场的高速电子束和光辐射场之间的相互作用，使电子的动能传递给光辐射而使其辐射强度增辐射场之间的相互作用，使电子的动能传递给光辐射而使其辐射强度增大。利用这一基本思想而设计的激光器称为大。利用这一基本思想而设计的激光器称

19、为自由电子激光器自由电子激光器(简称简称FEL)。自自 由由 电电 子子 激激 光光 器器Free Electron Laser自由电子激光器在自由电子激光器在短波长短波长、大功率大功率、高效率高效率和和波长可调节波长可调节这四大主攻方向上，这四大主攻方向上，为激光学科的研究开辟了一条新途径，它可望用于对凝聚态物理学、材料特征、为激光学科的研究开辟了一条新途径，它可望用于对凝聚态物理学、材料特征、激光武器、激光反导弹、雷达、激光聚变、等离子体诊断、表面特性、非线性激光武器、激光反导弹、雷达、激光聚变、等离子体诊断、表面特性、非线性以及瞬态现象的研究，在通讯、激光推进器、光谱学、激光分子化学、光

20、化学、以及瞬态现象的研究，在通讯、激光推进器、光谱学、激光分子化学、光化学、同位素分离、遥感等领域，它应用的前景也很可观。同位素分离、遥感等领域，它应用的前景也很可观。本章主要内容本章主要内容n1.5.1 典型激光器n1.5.21.5.2 激光的应用激光的应用 激光的应用非常广泛，几乎遍及工业、农业、军事、激光的应用非常广泛，几乎遍及工业、农业、军事、医疗、科学研究等每一个领域。根据各种激光器发射光的医疗、科学研究等每一个领域。根据各种激光器发射光的亮度，相干性、准直性、单色性的不同，应用范围也不同亮度，相干性、准直性、单色性的不同，应用范围也不同。例如，激光通迅、激光测距、激光定向、激光准直

21、、激。例如，激光通迅、激光测距、激光定向、激光准直、激光雷达、激光切削、激光手术、激光武器、激光显微分析光雷达、激光切削、激光手术、激光武器、激光显微分析、激光受控热核反应等，主要是利用激光的、激光受控热核反应等，主要是利用激光的方向性好方向性好与与亮亮度高度高；而激光全息、激光测长、激光干涉、激光多谱勒效；而激光全息、激光测长、激光干涉、激光多谱勒效应则主要是利用激光的应则主要是利用激光的单色性好单色性好和和相干性好相干性好。当然，激光。当然，激光的几方面的特性往往不能截然分开，有的应用（如非线性的几方面的特性往往不能截然分开，有的应用（如非线性光学）与激光的几方面的特性都有关。下面就一些方

22、面的光学）与激光的几方面的特性都有关。下面就一些方面的应用举例介绍。应用举例介绍。1.5.2 激光的应用激光的应用讨论日常生活中的激光应用讨论日常生活中的激光应用激光测距激光测距 利用激光的单色性和相干性好、方向性强等特点，以实现利用激光的单色性和相干性好、方向性强等特点，以实现高精度的计量和检测，如测量长度、距离、速度、角度等。高精度的计量和检测，如测量长度、距离、速度、角度等。1.5.2 激光的应用激光的应用 激光焊接激光焊接高能激光（能产生约高能激光（能产生约5500 oC的高温）的高温）把大块硬质材料焊接在一起。把大块硬质材料焊接在一起。1.5.2 激光的应用激光的应用激光快速成型激光

23、快速成型1.5.2 激光的应用激光的应用激光雕刻激光雕刻1.5.2 激光的应用激光的应用激光核聚变激光核聚变这是这是激光核聚变激光核聚变靶室，在靶室内十束激光同时聚向靶室，在靶室内十束激光同时聚向一个产生核聚变反应的小燃料样品上，引发核聚变。一个产生核聚变反应的小燃料样品上，引发核聚变。1.5.2 激光的应用激光的应用激光医疗激光医疗1.5.2 激光的应用激光的应用由于光波的频率由于光波的频率比电波的频率高比电波的频率高好几个数量级，好几个数量级，一根极细的光纤一根极细的光纤能承载的信息量，能承载的信息量，相当于图片中这相当于图片中这么粗的电缆所能么粗的电缆所能承载的承载的信息量。信息量。 激

24、光通讯激光通讯1.5.2 激光的应用激光的应用激光武器激光武器1.5.2 激光的应用激光的应用激光展示激光展示1.5.2 激光的应用激光的应用第四次作业第四次作业n1. 1. 激光器按工作物质分有几类？每类列出激光器按工作物质分有几类？每类列出至少一种典型激光器以它的输出波长和泵浦至少一种典型激光器以它的输出波长和泵浦方式。方式。n2. 2. 气体激光器的工作物质有哪几类？每类气体激光器的工作物质有哪几类？每类举出一个典型激光器及它的输出波长。举出一个典型激光器及它的输出波长。n3. 3. 画出红宝石中铬离子的能级结构，简述画出红宝石中铬离子的能级结构，简述红宝石激光器的发光机理。并解释为什么

25、红红宝石激光器的发光机理。并解释为什么红宝石激光器只能发射宝石激光器只能发射694.3nm694.3nm的红光，却不的红光，却不输出输出693.4nm693.4nm的红光。的红光。n4.4.红宝石激光器、掺钕红宝石激光器、掺钕YAG YAG 、COCO2 2激光器、激光器、染料激光器中，哪个是三能级系统？哪个染料激光器中，哪个是三能级系统？哪个是四能级系统？是四能级系统？n5. 5. 激光输出波长在可见光范围内的激光器激光输出波长在可见光范围内的激光器有哪些？常用波长为多少？有哪些？常用波长为多少？n6.6.红宝石激光器、红宝石激光器、COCO2 2激光器、染料激光器激光器、染料激光器、半导体激光器中，转换效率最高的是哪、半导体激光器中，转换效率最高的是哪个？连续输出功率最大的是哪个？脉冲输个？连续输出功率最大的是哪个？脉冲输出功率较大的哪两个？出功率较大的哪两个？n7. 7. 列举至少五项激光应用。列举至少五项激光应用。