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常用气体激光器讲解

发布时间:2019-07-07 04:56 来源:未知 编辑:admin

  二氧化碳激光器 属分子气体激光器 一、工作原理 1、CO2分子运动 CO2分子有三种不同的运动形式: 1.对称振动(b) 2.形变振动(c) 方向相反 3.非对称振动(d) 2、工作物质气体是工作物质,辅助气体有N2、He、Xe和H2等; 2.N2在气体中起能量转移作用。N2分子受电子碰撞的概率很 大,放电中使大量N2处于亚稳态。通过近共振碰撞把内能转 移给CO2分子,实现粒子数反分布 ; 3.He对CO2分子有冷却作用,也可加速下能级粒子数抽空; 4.Xe的电离电位低,激光器内的气体易电离,使CO2分子能量 转换效率提高 10%~15%。同时在维持放电电流相同的情况 下,加入Xe后可使放电电压下降20%~30%。 5.H2或(H2O蒸汽)可促使低能粒子抽空,H2O蒸汽有利于CO2分 子的还原,可延长寿命。 3、CO2分子激发机理 N2分子受到电子碰撞 后被激发并和CO2分子发 生碰撞, N2分子把获得 的能量传递给CO2分子, 使大量的CO2分子被激发 到 001能级时,能级001 和能级 100之间形成粒子 数的反分布。 100能级和020能级的 分子迅速跃迁到亚稳态010 能级上。因此必须把跃迁 到010能级上的CO2分子立 即抽空,否则不利于粒子 数的反转。 He原子质量小,运 动速度快,频繁地碰撞 CO2分子,高效地抽运 010能级上的CO2分子, 大大提高了粒子数反转 程度。 二、基本结构 所谓封离型是指 工作气体被密封在放 电管内(由放电管、 水冷管和储气管三层 结构组成 )。 它的优点是结构 简单、紧凑。但它的 单位放电长度可输出 的功率比其他结构的 (如流动型和气动型) CO2激光器要低。 纵向电激励水冷内腔式封离型 CO2激光器的典型结构 折叠式CO2激光器(水冷套未画出) 横向循环流动CO2激光器 纵向流动CO2激光器 三 、输出特性 1、能量转换效率高 : 20~25% (氦氖激光器的能量转换 效率仅为千分之几) ; 2、常用的CO2激光器输出波长为10.6 ? m ,属于中红外区, 对人眼损害小; 3、连续输出功率可达万瓦级,常用电激励 ; 4、温度效应 转换效率最高也不会超过40%,这就是说 有60%以上的能量转换为气体的热能,气体温度的升高,将 引起CO2分子的分解,降低放电管内的CO2分子浓度。使激光 器的输出功率下降,因此,冷却问题是CO2激光器正常运转 的重要技术问题。 氩离子激光器 原子或分子因某种原因失去电子或获得电子 的过程称为电离。若原子失去电子,称为正离子, 反之则称为负离子。 利用离子的能级跃迁所获得的激光器件称为 离子激光器。氖、 氩、氪、氙、镉蒸气、硒蒸气 等均能作离子激光器的工作物质。它们的激光输 出功率比原子气体激光器要高,达几十瓦,可连 续或脉冲输出。 一、工作原理 激发过程一般分两步: 气体放电后,放电管中的 高速电子与中性氩离子碰 撞,从氩离子中打出一个 电子,使之电离,形成处 在基态上的氩离子;该基 态Ar+再与高速电子碰撞, 被激发到高能态,当激光 上下能级间产生粒子数反 转时,即可产生氩离子激 光。 因此,氩离子激光器 的激活粒子是Ar+。 采取两次电子碰撞 将氩原子激发到 3p44P 态要比直接碰撞、一次 将氩原子激发到3p44P态 的电子能量要小,后者 只能在低气压放电中才 有如此大的能量 (35.5eV)。 由于3p44P 和 3p44S能级上有许多不 同的电子态,所以氩 离子激光输出由丰富 的谱线nm。 二、基本结构 氩离子激光器包括: 放电管、电极、回气管、谐振腔、轴向磁场等。 氩离子激光器分段石墨放电管 国产的氩离子激光管 三、输出特点 1、是一种惰性气体离子激光器 ,在离子激光器中输出效率 最高; 2、其输出波长较多,主要有 514.5nm和488.0nm两个蓝绿色 的谱线,是可见光区域中最强的激光器。 ; 3、一般连续输出几瓦到十几瓦,甚至上百瓦。 4、输出波长易 被血红蛋白吸收,所以氩离子激光器对生物 止血效果最好。 在临床上主要用于外科手术,用它作“光 刀” ,尤其是上、下消化道出血时,氩离子激光器可以利用 光纤导人内镜进行止血等非手术治疗。目前它广泛用于眼科 凝固、皮肤科、内科等综合治疗领域。 表 氩离子激光的可见光光谱线.9 或率(W) 0.35 4P2D03/2——4S2P3/2 4P2P03/2——4S2P1/2 4P2D05/2——4S2P3/2 4P2D03/2——4S2P1/2 472.7 476.5 488.0 496.5 0.30 0.75 1.50 0.70 4P4D05/2——4S2P3/2 4P4D03/2——4S2P3/2 514.5 528.7 2.00 0.34 准分子激光器 一、工作物质 “准分子” :不是稳定分子。它是混合气体受到外来 能量激发所引起的一系列物理和化学的反应中曾经形成但转 瞬即逝的分子,其寿命仅为几十毫秒。 这类激光器的工作物质是受激的气体原子(如Ar、Kr、 Xe,用Rg表示)和卤元素(例如F、Cl,用X表示)结合而成的 准分子,如氟化氩(ArF)、氯化氪(KrCl)、氟化氙(XeF)等; 二、工作原理 通常情况下,基态的稀有气体原子化学性质稳定,因此 呈两种气体混合状态(Rg+X) 。但当它们受到激发时,如电 子束的轰击或高压激励等,稀有气体原子就可能从基态跃迁 到激发态,甚至被电离,这时很容易和另一个原子形成一个 寿命极短的分子(RgX) ,这种处于激发态的分子称受激二聚 物,简称准分子。 RgX基态分子寿命极短, 为10-13s量级,它沿着自己的势 能曲线想核间距增大的方向移 动,直至最终离解成独立的原 子Rg+X。激发态RgX*能级寿命 为10-8s量级,比基态稳定,因 此很容易形成粒子数反转。 三、基本结构 准分子激光器的结构 1.功率特性:准分子基态的电子迅速排空造成激光下能级总 是空的,这样有利于离子数反转的形成,即使 在超短脉冲下运转,从而可以获得较高的输出 功率(10瓦量级)。 从真空紫外到可见光区域 。 2. 输出波长: 3.脉冲特性: 由于基态寿命短,即使是超短脉冲情况下, 基态也可被认为是空的,因此准分子激光对 产生巨脉冲特别有利。 4. 能够精确聚焦和控制,其切 削精度非常高,每个光脉冲切削深 度为0.2微米,能够在人的头发丝 上刻出各种花样来。 准分子激光治疗近视眼的原理 近视眼由于眼球的前后径 太长,眼角膜前表面太凸,外 界光线不能准确会聚在眼底所 致。 准分子激光矫正近视是用 电脑精确控制的准分子激光, 根据近视度数和有无散光在瞳 孔区的角膜基质层进行刻蚀, 使眼角膜前表面稍稍变平。从 而使外界光线能够准确地在眼 底视网膜上会聚成像,达到矫 正近视的目的。 什么是LASIK手术? LASIK手术即准分子激光原位角膜磨镶术(Laser in Situ Keratomileusis):医生用角膜刀掀开一个角膜瓣,在瓣下角 膜基质层上用准分子激光根据近视、远视、散光度数进行精确切 削。患者术前检查的数据卡输入计算机,由计算机控制切削的范 围和深度,削出一个光滑的曲面,相当于在角膜上切削出一个眼 镜片,使视力变得清晰。 它采用自动微型角膜板层节削仅进行手术,在角膜表面切削一直 径8毫米,厚0.16毫米的带蒂板层角膜瓣,翻转角膜瓣后,应用 准分子激光电脑控制多步分区角膜基质内切削,最后将角膜瓣复 位。 制做角膜瓣 准分子激光切削 角膜瓣复位 LASIK手术示意图 角膜微切器切割角膜 角膜瓣形成并翻转 角膜中间基质切削区准备 准分子激光切削角膜基质 角膜瓣复位 准分子激光角膜原位磨镶术完成 智慧型大小光斑技术: 根据不同的个人数据, 系统自动调整光斑大小: 光斑直径可在0.656.5mm范围内变化。可 使复杂的角膜切削变得 极为轻松。 三维主动眼球跟踪技术: ? 除对眼球在XY轴运动进行追踪 外,还可以追踪眼球在Z轴的立体 位移,可随眼球运动自动将激光调 整到切削点,极大的加强了手术的 安全性和精确性。 高精度200Hz飞点扫描、193nm 氟化氩(ArF)准分子激光和最优 光传输系统的完美结合形成光斑 直径0.8mm优化高斯光束 染料激光器 固体或其它激光所输出的波长已几乎覆盖了真空紫外至 红外波段,还出现了X射线波激光器。但是,一般激光器输 出的波长都是固定单一的,至多也只是有几个波长,这在应 用上有一定的局限性。为此人们研究了可调谐激光。 染料激光器是液体激光器的一种,以染料为工作物质, 如若丹明6G等,溶剂有乙醇、苯类、水及其他物质。染料的 能量转换效率很高,可达数百毫瓦。染料激光器的最大特点 是其输出波长在一定范围内连续可调,所以称为可调谐激光 器。医学上常用的可调谐染料激光器有:N2激光泵浦可调谐 染料激光器和Nd:YAG激光泵浦可调谐染料激光器等。 工作原理 一、染料分子能级 S0是基态,S1、S2是激发态。 S0、S1、S2本身是由许多密集的 振动转动能级组成的。 在原子光谱里,不同电子态之 间的跃迁产生一条锐的谱线;在 分子光谱里,不同电子态(例如 S1与 S0)之间的跃迁将产生由一 簇密集的谱线组成的谱带。染料 分子的这种能级结构是染料激光 器的输出波长在一定范围内可调 的根本原因。 染料分子能级图 二、染料分子的光辐射过程 吸收了外来光子后,分子 就从基态能级跃迁到S1态的较 高的振动转动能上(图中 A→b)。由于频繁的热交换, 大多数被激发的分子无辐射地 衰变到S1态的最低的振动转动 能级上(图中b→B)。这样, 在B与基态S0的较高的振动转动 能级(图中a)之间就实现了粒 子数反转。当反转达到阈值时, 就可以产生激光。 可见染料激光形成过程,经 历了两次无辐射跃迁。 染料分子能级图 三、染料分子的三重态“陷阱” 能级图中的T1和T2是三重态。 由于三重态T1较单态S1低,所以处 在S1中的分子很容易无辐射地跃迁 到T1上,又因为T1与S0之间不产生 辐射跃迁,而且T1的寿命较长,约 为10-4~10-3s,所以T1态对于激发 分子来说,相当于一个“陷阱”。 当T1态上积累了足够的分子后, T1→T2的吸收将很快使激光器的增 益下降,以致激光淬灭。通常采用 的方法是在染料中加入三重态淬灭 剂,缩短Tl的寿命。 直管闪光灯泵浦的染料激光器示意图 一般由激光工作物质、激励光源、聚光系统和谐振腔 及波长选择装臵组成 输出特性 ? 1.输出激光波长可调谐 某些染料激光波长的可调宽度达 上百纳米,所以称为可调谐激光器。 ? 2.由于染料分子能级的准连续宽带结构,其荧光谱范围也 是准连续宽带,这既使得染料激光器在大范围内可调谐,目 前由染料激光器产生的超短脉冲宽度可压缩至飞秒(10-15秒) 量。 ? 3.染料激光器的输出功率大,达数百毫瓦,可与固体激光 器比拟,并且价格便宜。 ? 4.染料分子是一种四能级级系统,由于S0的较高振动能级 在室温时粒子数几乎为0,所以很容易实现粒子数反转,使 得染料分子激光器的阈值很低。 输出特性 一、光栅调谐 图示为一种光栅—反射镜调谐腔。光束与谐振腔轴成一 个小角度θ(θ≈3°)。谐振腔由反射光栅G与一个镀有介 质膜的反射镜M组成。光栅G具有扩束和色散作用,转动光栅 就可以改变输出激光的频率。 腔内插入一个法布里—珀罗标准具,摆动标准具可以进 一步选择输出激光的频率。不插入标准具时,输出激光的线nm,插入标准具后,可获得线nm的单 模激光。 二、棱镜调谐 图示为一种折叠式纵向泵浦染料激光器原理图, 腔内放臵的棱镜是一种色散元件。由于棱镜的色散 作用,一束来自M3、M2的不同波长的光,将有不同 的折射方向。当旋转平面反射镜M1使其与某一波长 的光垂直时,该波长光便能返回谐振腔,形成振荡。 因此,旋转M1便可实现调谐作用。 Tunable Lasers Dye Lasers 很多有机染料可以被用作激光介质。其中最常见的是若丹明6G (Rhodamine 6G),溶于甲醇或者乙二醇。 跃迁上下能级由于和溶剂 的相互作用而分裂为连续 的能带。分子被激发到上 能带后迅速无辐射弛豫到上能带的最低 能级,并由此向基态各能级跃迁,产生 荧光辐射。辐射荧光曲线不随激发光源 的改变而改变。 如果将充有染料溶液的小室放置于激光腔内,并提供足够的泵浦能 量,则可以放出激光。如果使用宽带激光反射镜,受激辐射在荧光发射 曲线顶点的周围几十个?附近发生。可以把反射镜用光栅代替。 激发辐射带宽降低到0.5 ?。 通过转动光栅,可以让激光在整个 荧光发射带范围内调节。 泵浦可以用闪光灯来实现,得到的 激光脉宽1ms,峰值功率大概几kW ,重复频率1Hz。 也可以用固定波长激光器,例如氮 分子激光器,准分子激光器,铜蒸气 激光器或倍频后的Nd: YAG激光器。 几种典型装置 通过使用各种染料,脉冲染料激光器工作范围可以从320到1000nm。 对准分子激光泵浦的染料激光器,能量转换效率可以到10~20%。而对 于倍频后的Nd: YAG激光器,则可以达到40%。 染料激光器脉冲运转较容易,而连续运转比较困难。主要问题是三重态 布居数的增加造成的吸收损耗会使激光无法起振。 脉冲泵浦时,可以在三重态集聚足够的粒子数之前产生激光。 要想达到连续泵浦,则必须去掉三重态分子。可以在溶液中加入某种三 重态猝灭剂,可以有效地使三重态分子无辐射跃迁到基态。 连续的染料激光器往往使用氩离子或者氪离子激光器泵浦。目前可以覆 盖的光谱范围为375~950nm。 使用染料射流来让染料高速通过激活区。 Tunable Solid-State Lasers 某些固体激光器的增益曲线范围较宽,因此可以在某个范围内调谐。 例如钕玻璃激光器可以在1.0~1.1?m范围调谐。 钛宝石(Ti: Al2O3)激光器可调谐范围为660到1100nm。 不使用激光泵浦的可调谐固体激光器引起人们广泛的兴趣。 倍频以及受激拉曼散射等可以用来进一步扩展调谐波长。 Tunable CO2 Lasers 二氧化碳激光器是最有效地气体激光器,功率转换率达到20%。工作波 长位于10?m附近,很多工作用的是固定波长的二氧化碳激光器。 因为与加入的N2分子的碰撞,(001)模式 充分布居。由放电使得氮分子布居于第 一振动能级。由此形成与低能级(100), (020)之间的粒子数反转。 激光发射可能在子转动能级间发生,并 形成位于10.2~10.8?m和9.2~9.7?m的 几个光谱带。 其中最强的谱线?m。 可以使用光栅来选择其一为输出波长。 如果使用同位素分子13CO2,则可以增加可选的波长。 二氧化碳激光器也可以工作于高气压(1个大气压到10个大气压)。 在较高气压下,谱线加宽,不同的振转谱线溶和在一起,从而可以在该 波段范围内连续调谐激光。 工业上使用的二氧化碳激光器输出功率最高可以达到几十千瓦的量级。 光纤激光器 光纤激光器是以掺杂光纤本身为工作物质, 而该光纤本身又起到导波作用的固体激光器。由 工作物质、谐振腔、泵浦源三个基本部分组成。 优点: 1. 散热性能好、转换效率高、激光阈值低; 2. 谐振腔可以是直接镀在端面的腔镜、或光纤耦合 器、光纤圈等。 3. 可获得宽带的可调谐激光输出,并调节激光输出。 4. 光纤激光器的某些波长适用于光纤通信的低损耗 窗口。 §1 掺杂光纤 §2 光纤激光器的谐振腔 §3 掺稀土元素的光纤激光器 §4 超荧光光纤激光器(SFS) §1 掺杂光纤 一、掺杂元素 掺稀土元素——镧系[Xe6S2],外层都为为 5S25P66S2 镧系元素电子结构的差别只在4f壳层的电子占 有数。 1、掺杂浓度 最佳在100ppm量级。 太低:掺杂离子的总有效数小于入射光子数, 激发态可能被耗尽。 太高:稀土离子之间出现非辐射的浓度抑制, 跃迁产生激光的能级上有效粒子数减少;导致 玻璃基质产生结晶效应,不利于产生激光。 2、掺杂光纤的基质 (1)石英玻璃 石英玻璃对稀土元素离子的光谱能级的影响:产 生斯塔克分裂,使得能级加宽,光谱变宽。 (2)重金属氟化物玻璃 优点: ? ? ? 通光窗口宽,在300-8000 nm范围透过率很高。 易于成纤。 易于激活,因为氟化物玻璃是稀土元素的理想宿主。 二、石英光纤中掺稀土元素离子的光谱特性 1、Er 3+、Nd 3+的电子能级 4I 13/2 能级分裂 4I 15/2 Er 3+ Nd 3+ 4F 4F 5/2 5/2 4F 3/2 2、掺稀土光纤的光谱特性 掺钕光纤: 使用800nm、900nm、 530nm 波长的泵浦光源,将在900nm、 1060nm 、 1350nm波长处得到 激光。 Nd3+ 掺铒光纤: 使用800nm、900nm、 1480nm、 530nm波长的泵浦光源,将在 900nm、1060nm、 1536nm波 长处得到激光。 掺铒光纤存在最佳光纤长 度(约10m)。 Er3+ 3、掺杂光纤的激光特性 ? 掺铒的三能级系统:基态E1、亚稳态 E2、 高能级E3。 从E3 ——E1 ,泵浦几率为WP,跃迁几率为WP 。 ? E3 非辐射——E2 ,几率为S32; E3 自发辐射和非自发 辐射——E2 、 E1 ,几率为A32、A31、 S31。 ?选择工作物质要求: A32、A31和S31 ?? S32 以及 S32 ?? WP(3-1) , ? N2 ? N1。 一般选择A21较小的工作物质。 A32 §2 光纤激光器的谐振腔 一、F——P腔 1,结构 M1: 对泵浦光高透;对激光高反 M2: 对激光高反(低增益系统??95%;高增益系统? ? 75%) 2,光传输特性 理论——波动光学。假设:谐振腔内的光纤伸 直;为阶跃折射率弱波导光纤。 增益系数 光在腔内传输来回一次后的光强为: I ? r1 r 2 I 0 exp[ 2 (G ? ? i n ) L ] 要保证激光在腔内振荡,要求: 平均损耗系数 1 G ? ? in ? l n ( r1 r2 ) 2L 反射光与入射光发生干涉,为了在腔内形成稳定振 荡,要求干涉加强。则腔长与波长满足(驻波条件): L?q ? 2 n1 纵模和横模—— 在腔内,轴向驻波场为腔的本征模式光场。特 点:与轴线垂直的横截面光场稳定均匀分布;轴线方 向形成驻波, 称为纵模。节数为q,为纵模序数。 与轴线垂直的横截面内光场稳定分布,称为横模, 用LPml表示,为线性偏振模。m为方位数,表示垂直 光纤的横截面内沿圆周方向方位角 ? 从 0 到 2? 光场的 变化数(节线数)。 l 为径向模数,表示纤芯区域光 场的半径方向变化数(节线表示基模,它的角向径向节线数没有变化, 为圆形光斑。 二、基于定向耦合器的谐振腔和反射器 1、光纤环行谐振腔 泵浦光由 1 端进入,经耦合器进入环行腔。激 励的激光与泵光无关。产生的激光由 4 端到 3端。经 耦合器分为2束:一束从2端输出;另一束由4端返回 并被谐振放大;如此反复。其中储存了能量。 掺杂光纤 耦合器: 4 端出射 光比1端入射光停滞 后?/2。 2、光纤圈反射器 普通单模光纤制成的耦合器的重要特性:只要在工 作波长下单模运行,在两个输出端与输入端之间存在固 定相位差,交叉耦合的光波比输入光波滞后相位? /2。 光纤圈的功率反射率R、透射率T为: R ? R 11 ? R 22 ? (1 ? r ) 2 e ? 2 a l 4 k (1 ? k ) T ? T 12 ? T 21 ? (1 ? r ) 2 e ?2 al (1 ? 2k ) 2 从2端的透射功率总和为0: 1?3?4? 2 的的顺时针光 场相位差为0,与从1? 4 ? 3 ? 2的逆时针光场的相位差为π。 两光场因为振幅相同、相位相反 而抵消,总和为0 。光从1返回。 SMF 3、光纤圈谐振腔 光纤圈为非谐振的干涉仪结构。注意分束器的取 向。其中没有能量储存。 反射功率与透射功率为 : Pt ? (1 ? 2k ) 2 Pin Pr ? 4k (1 ? k ) Pin 光波既可以 通过另一端输出; 又可以再从输入 端反射。 透射 反射 反射 透射 4、全光纤激光器 两个光纤圈反射器串联起来组成的谐振腔,通 过一条掺杂光纤熔锥而成的全光纤激光器。 激光器要实现振荡,要求光纤圈提供正反馈。 由此得到谐振腔的有效腔长为: L1 L 2 ? L?L? ? ? ( 2 m ? 1) , m为整数。 2 2 4 L1 掺杂光纤 L2 L 三、可调谐光纤激光器 光纤激光器有较宽的波长调节范围,比染料激光器的 化学性质更稳定,不需低温运行,潜在应用价值显著。 1,反射镜+光栅形式可调谐输出谐振腔 使用闪耀光栅,若对激光中心的闪耀级次为 M 级,闪 耀角为?,光栅常数为d,则光栅方程为: 2 d sin ? ? M ? 2d d? ? cos? d ? M 只要转动衍射光栅, 使光束相对于光栅法线的 入射角在 ? 附近变化,就 能实现调节波长?。 ? 可调谐激光器 采用这种结构, 利用氩离子激光器的 514nm 的光作为泵浦 光,分别激励掺铒光 纤及掺钕光纤,可调 谐的波长范围分别为 25nm和80nm。 14 nm 由于分束器与光 学元器件带来了腔内 损耗,导致阈值功率 提高。 11 nm 四、(反射镜+光纤圈反射器形式) 可调谐输出激光器 光纤圈的功率反射率为: R ? R (?, T ) ? sin 2 [2P? ? 2? (T )](1 ? ? 2 ) e ? 2? L ? (T ) ? ? T 通过改变温度来调节光纤圈的反 射率,使掺杂光纤达到激光谐振放大。 泵浦光反 射率为5% 激光反射率 大于95% 五、窄带输出的光纤激光器 ? B ? 2 n e d 达到窄带 通过光纤光栅的选模作用: 输出。?B是布拉格波长, d是光栅周期,ne是有效折 射率。 激光线 nm 六、光纤Fox-Smith谐振腔 一般地,1——4段及1——3段的谐振频率不同。 复合腔的纵模频率间隔为: ?f ? 2 2 n (l 3 ? l 4 ) 选择适当的l3、l4以致于在 整个荧光线宽内只有一个 纵模在振荡。则可以实现 单纵模运转。 掺稀土元素的光纤激光器 一、掺Er 3+光纤激光器的示例 1、Er 3+的三能级系统 1. 以 980 nm 的 半导体光源作 为泵浦源; 能级分裂 2. 掺Er 3+光纤中 Er 3+的受激辐 射 产 生 Laser 。 由合适长度的掺Er 3+光纤、980nm大功率半导体 激光器泵浦源和谐振腔构成。 世界上第一台掺Er 3+光纤激光器由英国南安谱敦 大学的L. Reekie教授于1987年实现。 斜率效率 =输出功率/吸收功率% =3.3% 输入镜 输出镜 吸收功率 mW 二、掺Nd3+光纤激光器的示例 由合适长度的掺Nd 3+光纤、800nm大功率半导 体激光器泵浦源和谐振腔构成。 世界上第一台掺Nd 3+光纤激光器由英国南安谱 敦大学的R.J. Mears教授于1985年实现。 泵浦功率与光纤激光器的输出功率 优点: 光 纤 激 光 器 输 出 功 率 1. 不需要水 冷即可工 作; 2. 不容易饱 和。 /mW GaAs激光二极管的输出功率 mW §5.4 超荧光光纤激光器 (Superfluorescent Fiber source) 分类: 根据泵浦 光与超荧 光传播方 向的异同, 以及光纤 两端是否 存在反射 分类。 单程反 向 双程前 向 单程前 向 双程反 向 SFS的原理、特点 原理: 由于泵浦光的激励,粒子数反转。如果亚稳态 的粒子自发辐射,产生光子的传输在光纤接收角内, 就能够在光纤内传输,诱发许多亚稳态的粒子受激 辐射跃迁,并产生完全相同的光子而放大。 如果光纤的增益足够,就称之为放大的自发辐 射(Amplified Spontaneous Emitting, ASE) 。 特点:与普通光纤激光器相比,没有谐振腔。 双程前向及双程后向掺铒光纤激光器 超过最佳长度 将被再吸收 Fig.2 输出功率与掺 铒光纤长度的关系 Fig.3 不同长度光纤的 泵浦功率与波长的关系 光纤端镜的反射率与光谱宽度的关系 DPF: 因为1535nm处的ASE信号比1550nm处的ASE信号 增长快,所以小的反射率也有大的带宽. DPB: 反射率达到50%时,1535nm处的ASE信号饱和,而 1550nm处的ASE信号继续增强,所以带宽增加。 半导体激光器 ? 价带:是价电子能级分裂出来的价电子能带, 当晶体处于绝对零度和无外界激发时,价电子 完全被共价健束缚住,是不导电的。 ? 导带:导带是自由电子能带,在没有自由电子 的情况下,这个能级是空着的。当有自由电子 时,它们在外电场作用下就能参与导电 。 ? 禁带(带隙):在价带和导带之间存在一段空 隙,称为禁带或带隙。 E 外 E 场 导带 外 场 E ?E g ? 10eV 导带 ?E g ? 1eV 禁带 禁带 满带 (1)半导体 满带 (2) 绝缘体 导带 满带 (3)金属 (1)半导体的禁带很窄,满带中的电子较易进入导带。导 带中的电子在外场作用下运动而参与导电。 (2)绝缘体的禁带很宽,满带中的电子很难进入导带, 导电性很差。 (3)金属导体没有禁带,可显示很强的导电性。 半导体中的能带 本征半导体: 完全纯净、结构完整没有杂质的半导体。 掺杂半导体: 在本征半导体中掺入微量杂质可使半导体性质发生显 著变化,称为掺杂半导体。 N 型半导体:若掺入的杂质提供电子给导带,称为 N 型杂质 或施主杂质,如掺入锡和碲。掺入N型杂质的材料称为N型 半导体 。 P 型半导体:若掺入的杂质提供空穴给价带,称为受主杂质 或 P 型杂质 ,如掺入锗。掺入 P 型杂质的材料称为 P 型 半导体。 半导体的分类 (1)本征半导体 纯净的半导体,如硅、锗等。 半导体禁带宽度窄、在外场的作用下 , 导带中的电子、满带中的空穴都可参与导电。 (本征导电性。见下图) 外 场 导带 满带 E (2)杂质半导体 * n 型半导体 当四价的元素中 掺入少量 五价元素时形成 n 型半导体。 如:硅中掺入杂质磷后,磷原 子在硅中形成局部能级位于导 带底附近(称为施主能级)。 一般温度下,杂质的价电 子很容易 被激发跃迁至导带, 成为导电电子,使导带中的电 子浓度大大增加。 n 型半导体 以电子导电为主。 E 导带 外场 施主能级 满带 n 型半导体 * P 型半导体 外场 导带 四 价 的 元 素 中 掺 入 受主能级 少量三价元素时形成 P 型半导 体,如:在硅中掺入三价的杂质 硼,杂质原子的局部能级位于价 满带 带顶附近(称为受主能级)。 一般温度下,满带中的电子 E P 型半导体 很容易被激发跃迁至杂质能级上, 满带中留下的空穴也将因此而大 附:几个3、4、5价的元素 大增加,而成为多数载流子。 P In 3 Al 3 B 3 Ga 3 型半导体以空穴导电为主。 4 4 Si Ge 5 5 P 5 As Sb P-N结: (1)形成:P与N密切接触 P型材料中的空穴将向N型材料扩散;N型材 料中的电子将向P型材料扩散。 结果:交界处出现正、负电偶层,阻挡继续扩散达到 平衡,形成P-N结。 P (2)作用: PN 结具有单向导电作 用 , 是制造整流器和集成电 路的基本结构。 ?P?N ? 正向连接 ?P ? N ? 反向连接 ? ? ? ? ? ?N ? ? ? ? 正向连接时,P中的空穴和N中的电子都易于通过PN 结, 形成P ? N的正向宏观电流。 反向连接时,P中的空穴和N中的电子都难以通过P-N 结。故 P-N结具有单向导电的性能。 PN结的能带图 P型区 N型区 (EF)N (EF)P (EF)P qVD=(EF)N-(EF)P (EF)N PN结的特性 PN结的特性:当P型半导体和 N型半导体结合后,在它 们之间就出现了电子和空穴的浓度差别,电子和空穴都 要从浓度高的地方向浓度底的地方扩散,扩散的结果破 坏了原来P区和N区的电中性,P区失去空穴留下带负电的 杂质离子,N区失去电子留下带正电的杂质离子,由于物 质结构的原因,它们不能任意移动,形成一个很薄的空 间电荷区,称为 PN 结。其电场的方向由 N 指向 P ,称为内 电场。该电场的方向与多数载流子( P 区的空穴和 N 区的 电子)扩散的方向相反,因而它对多数载流子的扩散有 阻挡作用,称为势垒。 半导体器件的发光机理 ? 如果在PN结上加正向电压,外电场与内电 场的方向相反,扩散与漂移运动的平衡被破坏。 外电场驱使 P 区的空穴进入空间电荷区抵消一 部分负空间电荷,同时 N 区的自由电子进入空 间电荷区抵消一部分正空间电荷,于是空间电 荷区变窄,内电场被削弱,多数载流子的扩散 运动增强,形成较大的扩散电流(由P区流向N 区的正向电流)。在一定范围内,外电场愈强, 正向电流愈大,这时PN结呈现的电阻很低,即 PN结处于导通状态。 半导体器件的发光机理 当外加电场正端接P区负端接N区与内电场方向相反时,电子被迫从N 区向 P区方向集结,当足够数量的电子能级上升到导带能级,它们的电子 能级就超过了势垒能级,电子流过P-N结进入P 区。 ? 此时价带中有许多空穴存在而导带中有许多电子存在,这种状态称为 粒子数反转。 ? 来自导带的电子失去它的一些能量并下降到价带时,它们和空穴复合 并产生出光子。这种过程称为复合。 在理想情况下,能量完全以光子的形式释放出来。如果这一过程自发 地发生,则所发生出的光子能量近似地等于带隙的能量 Eg,所产生的光子 在许多随机的方向上进行。另一方面,若在复合区有足够密度的光子存在, 则自发发射(或复合)及受激复合两者都会发生, 所产生的受激光子的行进 方向和原始光子相同。为了使发光半导体 (LED)和二极管激光器 (LD)能分 别正常工作,自发发射和受激发射都是必要的。 半导体器件的发光机理 直接复合中一个光子产生一个电子和一个空穴,它们碰撞 后又放出一个光子;间接复合中载流子被 trap T 捕捉到,在 trap site中发生复合,并放出热。 半导体激光器(LD) ? 世界上第一只半导体激光器是1962年问世的,经过几十年来的研究,半导体 激光器得到了惊人的发展,它的波长从红外、红光到蓝绿光,被盖范围逐渐扩 大,各项性能参数也有了很大的提高;其制作技术经历了由扩散法到液相外延 法(LPE),气相外延法(VPE) ,分子束外延法(MBE),MOCVD方法(金属 有机化合物汽相淀积),化学束外延(CBE)以及它们的各种结合型等多种工艺; 其激射闭值电流由几百 mA降到几十mA,直到亚mA,其寿命由几百到几万 小时,乃至百万小时;输出功率由几毫瓦提高到千瓦级(阵列器件)。 ? 它具有效率高、体积小、重量轻、结构简单、能将电能直接转换为激光能、功 率转换效率高 (已达 10%以上、最大可达50%) 。便于直接调制、省电等优 点,因此应用领域日益扩大。目前,固定波长半导体激光器的使用数量居所有 激光器之首,某些重要的应用领域过去常用的其他激光器,已逐渐为半导体激 光器所取代. 半导体激光器(LD) ? 半导体激光器的激励方式主要有三种,即电注人式、光泵式和高 能电子束激励式。 ? 绝大多数半导体激光器的激励方式是电注人,即给 PN结加正向 电压,以使在结平面区域产生受激发射,也就是说是个正向偏置 的二极管,因此半导体激光器又称为半导体激光二极管。 ? 对半导体来说,由于电子是在各能带之间进行跃迁,而不是在分 立的能级之间跃迁,所以跃迁能量不是个确定值,这使得半导体 激光器的输出波长展布在一个很宽的范围上 . 它们所发出的波长 在0.3 -34pm之间.其波长范围决定于所用材料的能带间隙,最 常 见 的 是 AlGaA: 双 异 质 结 激 光 器 , 其 输 出 波 长 为 750 890nm。 5.4.2 PN结和粒子数反转 1. 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,P区和N区的费米能级必然达到同一水平,如图(5-26)。 图(5-26) PN能带 ? ? ?在P-N结上加以正向电压V时,形成结区的两个费米能级E F 和E F ,称为准费米能 级,如图(5-27)。 图(5-27) 正向电压V时形成的双简并能带结构 5.4.2 PN结和粒子数反转 2. 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 1 f N ( E2 ) ? E ? E ? e ?1 ?价带顶空穴的占据几率可以用P区的准费米能级来计算 f P ( E1 ) ? kT 2 F 1 e ? EF ? E1 kT ?价带顶电子占据几率则为 f N ( E1 ) ? 1 ? f P ( E1 ) ? 1 ? E1 ? EF kT ?1 e ?1 ?在结区导带底和价带顶实现粒子(电子)数反转的条件是 ? ? f N (E2 ) ? f N (E1) ? EF ? EF ? E2 ? E1 ? Eg 半导体激光器的结构 ? 最简单的半导体激光器由一个 薄有源层 (厚度约 0.1μm )、 P 型和 N型限制层构成,如图示。有 源层夹在 P 型和 N 型限制层中间, 由此产生的 PN 异质结通过欧姆接 触正向偏置,电流在覆盖整个激光 器芯片的较大面积注入。这样的激 光器面积大,称为大面积激光器。 由于在平行于结平面的侧向无光限 制结构,沿激光器的整个宽度上都 存在光辐射,损耗太大,阈值电流 较高,这是大面积激光器的主要特 点。为解决侧向辐射和光限制问题, 实际的激光器采用了增益导引型和 折射率导引型结构。 金属接触 电流 100?m P型 有源层 N型 300?m 200?m 解理面 半导体激光器的工作原理和阈值条件 1. 半导体激光器的基本结构和工作原理 ?图(5-28)示出了GaAs激光器的结构。 2. 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 1 G ? a内 ? ln?r1 r2 ? 2L ?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 图(5-28) GaAs激光器的结构 ?n ? c2 A21 ?n ? c2 G?ν ? ? f ?ν ? ? f ?ν ? 2 2 2 2 8?? ν 8?? ν t复合 光学谐振腔与激光器的阈值条件 ? 激光器稳定工作的必要条件 : (1) 粒子数反转产生增益 (2) 提供光的反馈 : 其中最简单的是法布 里——珀罗腔 注入电流 解理面 有源区 L 解理面 R1 z=0 增益介质 z=L 第二章 电光信息转换 激光二极管的谐振腔 R2 98 半导体激光器的结构 §2.2.2 半导体激光器的结构 最简单的半导体激光器由一个薄有源层 (厚度约0.1μm)、P型和N型限制层构成, 如图2.2.2-1所示。 电流 金属接触 100μ m P型 N型 有源层 300μ m 200μ m 解理面 图2.2.2-1 大面积半导体激光器 同质结和异质结半导体激光器 1. 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(5-29)所示。 ?阈值电流密度: 影响阈值的因素很多 ?方向性: 图(5-30)给出了半导体激光束的空间 分布示意图。 图(5-29) GaAs激光器的伏安特性 图(5-30) 激光束的空间分布示意图 同质结和异质结半导体激光器 1. 同质结砷化镓(GaAs)激光器的特性 ?光谱特性:图(5-31)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(5-31) GaAs激光器的发射光谱 同质结和异质结半导体激光器 1. 同质结砷化镓(GaAs)激光器的特性 ( P ? Pth ) hν P hν P ? ?D ? ? ?外微分量子效率: ?D ? (i ? ith ) e (i ? ith ) e (i ? ith )V ?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 P ?P ? iV ? i 2 RS 2. 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(5-32)(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(5-32)(c)所示。 图(5-32) 同质结、异质结结构示意图 半导体激光器的的主要特性 ? 半导体激光器是半导体二极管,它具有 半导体二极管的一般特性,还具有激光器所 具有的光频特性 。 正向电流 (mA) ? 1、伏安特性 ? 半导体激光的伏安特性与一 般半导体二极管相同,具有单向导 电性。其伏安特性曲线如图所示。 由于工作时加正向偏压,所以其结 电阻很小。其正向电阻值主要由材 料的体积电阻和引线的接触电阻来 决定。这些电阻虽然很小,但由于 工作电流很大,其作用不能忽略。 800 400 200 正向电压/ V 0 1 2 3 半导体激光器的的主要特性 ? 2.量子效率与阈值电流 在复合区内,有两种复合。一种叫辐射复合,一种叫无辐射复合。 前者发出光子,后者不发出光子,而是将多余的能量以热的形式散失掉。 因而注入的电子只有一部分对发光是有效的。通常用内量子效率η i表示 辐射复合所占的比例。 激活区每秒产生的光子 数 ?i ? 激活区每秒注入的电子— 空穴对数 由于各种损耗的存在,激光器输出的光子数会减少,因而又定义了 外量子效率 η ex. 激活区每秒发射的光子 数 ? ex ? 激活区每秒注入的电子— 空穴对数 半导体激光器的的主要特性 ? 3.方向特性 普通气体激光器和固体激光器方向性很好,光束 的发散角只有 ? ?10?6 (球面度)。而半导体激光器的 方向性要差得多。半导体激光器的作用区矩形光学谐 振腔,其长、宽、高分别为 l、 w 和 d。其端面可近似 看做面积为 A=wd的相干光源。其辐射图样近似一个 矩形狭缝的衍射图形。它的方向性用光束发散角表示。 光束在与 P-N结垂直方向的半功率点的张角叫垂直发 散角,以θ d表示,光束在平行P-N结方向半功率点的 张角叫水平发散角,以 θ w 表示。 一般 θ d 为 40 度, θ w为10度。 半导体激光器的的主要特性 ? 在光纤通讯与光纤传感技术中,激光器方向 性的好坏影响到它与光纤耦合的效率。单模光纤 芯径小,数值孔径小,此项指标更为重要。 半导体激光器的的主要特性 ? 4.光谱特性 由于半导体的导带,价带都有一定的宽度, 所以复合发光的光子有较宽的能量范围,因 而产导体激光器的发射光谱比固体激光器和 气体激光器要宽。 半导体激光器的光谱随激励电流而变化, 当激励电流低于域值电流时,发出的光是荧 光。这时的光谱很宽,其宽度常达百分之几 微米。如图 (a) 所示。当电流增大到阈值时, 发出的光谱突然变窄,谱线中心强度急剧增 加。这表明出现了 激光。其光谱为分布如 图 (b)所示。由此可见知光谱变窄,单色 性增强是半导体激光器达到阈值时的一个特 征,因而可通过激光器光谱的测量来确定阈 值电流。 半导体激光器的的主要特性 ? 半导体激光器发射的光 谱随温度而变化,GaAs激光 器在77K下,其光谱宽度为 百分之几微米,室温下宽度为 千分之几微米,目前分布反馈 型激光器的谱宽只有10-4 μm左右。另一方面,温度升 高时,激光峰值向长波方向移 动,这是由于禁带宽度随温度 升高而变小,因而发射光子的 频率变小的原故(Eg=hv)。 右图表示激光峰值位置随温度 变化的情况,纵坐标分别是禁 带宽度的能量值和对应的波长 值。 LD的应用 ? 半导体激光器是成熟较早、进展较快的一类激光器,由于它的波 长范围宽,制作简单、成本低、易于大量生产,并且由于体积小、 重量轻、寿命长,因此,品种发展快,应用范围广,目前已超过 300 种 , 半 导 体 激 光 器 的 最 主 要 应 用 领 域 是 Gb 局 域 网 , 850mn波长的半导体激光器适用于)1Gb局域网,1300mn 1550nm波长的半导体激光器适用于 1OGb局域网系统。 ? 半导体激光器的应用范围覆盖了整个光电子学领域,已成为当今 光电子科学的核心技术。 ? 半导体激光器在激光测距、激光雷达、激光通信、激光模拟武器、 激光警戒、激光制导跟踪、引燃引爆、自动控制、检测仪器等方 面获得了广泛的应用,形成了广阔的市场。 LD的应用——光纤通信系统的光源 ? 1978年,半导体激光器开始应用于光纤通信系统,半导体激光器可以作 为光纤通信的光源和指示器以及通过大规模集成电路平面工艺组成光电子 系统.由于半导体激光器有着超小型、高效率和高速工作的优异特点,所以 这类器件的发展,一开始就和光通信技术紧密结合在一起,它在光通信、 光变换、光互连、并行光波系统、光信息处理和光存贮、光计算机外部设 备的光祸合等方面有重要用途。 ? 半导体激光器的问世极大地推动了信息光电子技术的发展,到如今,它是 当前光通信领域中发展最快、最为重要的激光光纤通信的重要光源。半导 体激光器再加上低损耗光纤,对光纤通信产生了重大影响,并加速了它的 发展。因此可以说,没有半导体激光器的出现,就没有当今的光通信。 ? GaAs/GaAlA双异质结激光器是光纤通信和大气通信的重要光源,如今, 凡是长距离、大容量的光信息传输系统无不都采用分布反馈式半导体激光 器(DFB一LD)。 LD的应用——印刷业领域 ? 长波长激光器(1976 年,人们用GaInAsP/InP 实现了长波长激光器 ) 用于光通信,短波长激光器用于光盘读出。 ? 自从 NaKamuxa 实现了 GaInN/GaN 蓝光激光器,可见光半导体激光器 在光盘系统中得到了广泛应用,如 CD 播放器, DVD 系统和高密度光 存储器可见光面发射激光器在光盘、打印机、显示器中都有着很重 要的应用,特别是红光、绿光和蓝光面发射激光器的应用更广泛。 蓝绿光半导体激光器用于水下通信、激光打印、高密度信息读写、 深水探测及应用于大屏幕彩色显示和高清晰度彩色电视机中。 ? 总之,可见光半导体激光器在用作彩色显示器光源、光存贮的读出 和写人,激光打印、激光印刷、高密度光盘存储系统、条码读出器 以及固体激光器的泵浦源等方面有着广泛的用途。 LD的应用——其他领域 ? 量子级联激光的新型激光器应用于环境检测和医 检领域。另外,由于半导体激光器可以通过改变磁场 或调节电流实现波长调谐,且已经可以获得线宽很窄 的激光输出,因此利用半导体激光器可以进行高分辨 光谱研究。可调谐激光器是深人研究物质结构而迅速 发展的激光光谱学的重要工具。大功率中红外 (3.5lm)LD 在红外对抗、红外照明、激光雷达、大 气窗口、自由空间通信、大气监视和化学光谱学等方 面有广泛的应用。 LD与LED的比较 ? 半导体发光二极管( LED )与半导 体激光二极管(LD)在结构上的根本区 别就是它没有光学谐振腔,形不成激光。 它的发光限于自发辐射。它发出的是荧 光,而不是激光。 LD的优点 ? 1)LD的响应速度较快,可用于较高的调制速率。 ? 2)LD的光谱较窄,应用于单模光纤时,光在光纤中 传播引起的色散小,可用于大容量通信。而 LED中由 于没有选择波长的谐振腔,所以它的光谱是自发辐射 的光谱。其谱宽度一般为0.03~0.04μm。 ? 3)由于LD辐射光束的发散角较小,因而耦合的光纤 中的功率较高,传播距离较远,而LED的发散角一般 在 40°~ 20°范围内,耦合到光纤中的效率较低, 通常只有3%左右。 ? 4)LD的输出光强及效率较高,LED的输出光强及效 率较低。 LD的缺点 ? 1)温度特性较差。由于激光管的阈值电流依赖于温度T, 故其输出功率也依赖于T。发光二极管没有阈值电流,故 其温度特性较好。 ? 2)易损坏,寿命短。半导体光源的损坏一般由三种原因 引起,即内部损坏(如P-N结损坏),接触损坏(如引线 断掉)和光学谐振端面的损坏(如光纤碰角或端面污染引 起)。前两种为发光二极管和激光二极管所共有,而后一 种损坏却是激光二极管所独有的,由于这一因素而大大降 低了激光二极管使用寿命。 ? 3)半导体激光器价格昂贵,发光二极管比较便宜。 ? 4)半导体激光器的P-I曲线不如发二极管的P-I曲线线 性范围大,调制时的动态范围相对较小。

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