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1、第第5章章典型激光器典型激光器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光激光器按运转方式分类连续激光器脉冲激光器超短脉冲激光器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5.1.1 5.1.1 固体激光器的基本结构与工作物质固体激光器的基本结构与工作物质一、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 5.1 固体激光器固体激光器二、红宝石激光器二、红宝石激光器 （1）红宝石晶体）红宝石晶体 红宝石的化学表示式为红宝石
2、的化学表示式为Cr3+: Al203,其激活离子是三价铬离子其激活离子是三价铬离子Cr3+,基质是刚玉晶体基质是刚玉晶体(化学成分是化学成分是A12O3)。红宝石属六方晶系。红宝石属六方晶系,是无色透明的负单轴晶体。是无色透明的负单轴晶体。 红宝石是在红宝石是在Al2O3中掺入适量的中掺入适量的Cr3+,使使Cr3+部分地取代部分地取代Al3+而成。掺入而成。掺入Cr2O3的最佳的最佳量一般在量一般在0.05%(重量比重量比)左右左右,相应的相应的Cr3+密度为密度为ntot19cm-3。 红宝石的光谱特性主要取决于红宝石的光谱特性主要取决于Cr3+。原子。原子Cr的外层电子组态为的外层电子组
3、态为3d54s1,掺入掺入Al2O3后失去外层后失去外层三个电子成为三价铬离子三个电子成为三价铬离子Cr3+,Cr3+的最外层电的最外层电子组态为子组态为3d3。红。红宝宝石的光谱特性就是石的光谱特性就是Cr3+的的3d壳层上三个电子发生跃迁的结果。这三个壳层上三个电子发生跃迁的结果。这三个d电子电子完全暴露在最外层完全暴露在最外层,受基质晶格场的影响很大。受基质晶格场的影响很大。Cr3+在很强的晶格场作用下在很强的晶格场作用下,其能级发生很大的其能级发生很大的变化变化,呈现出极为复杂的能级分裂和重新组成的呈现出极为复杂的能级分裂和重新组成的情况。通过实验和理论分析情况。通过实验和理论分析,已
4、确定红宝石中已确定红宝石中Cr3+的工作能级属三能级系统。如图的工作能级属三能级系统。如图5-3所示。所示。4A2是基态又是激光下能级是基态又是激光下能级,其简并度其简并度g1=4,2E是是亚稳态亚稳态,它是由能量差为它是由能量差为29cm的的2A和和E二能级组二能级组成成,其简并度都为其简并度都为2。4F1和和4F2是两个吸收能带。是两个吸收能带。图(5-3) 红宝石中铬离子的能级结构红宝石的吸收红宝石的吸收光谱如图光谱如图5-2所示。由所示。由4A2向向4F1跃迁吸收紫蓝光跃迁吸收紫蓝光,峰值波长在附近峰值波长在附近,称为紫外称为紫外带或带或U带。由带。由4A2向向4F2跃迁吸收黄绿光跃迁
5、吸收黄绿光,峰值波长在附近峰值波长在附近,称为黄绿带或称为黄绿带或Y带。这是两个很强带。这是两个很强很宽的吸收谱带很宽的吸收谱带,吸收带宽均约左右。由于红宝石晶体的各向异性吸收带宽均约左右。由于红宝石晶体的各向异性,它的吸收特性与光的偏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相垂直或平行这两种情况下,其吸收曲线略其吸收曲线略有差别有差别,见图见图5-2。图(5-2) 红宝石中铬离子的吸收光谱图(5-3) 红宝石中铬离子的能级结构 红宝石有两条强荧光谱线红宝石有两条强荧光谱线(R1和和R2线线),分别为分别为E
6、和和2A能态向能态向4A2跃迁产生的跃迁产生的,室温下对应室温下对应的中心波长分别为和。的中心波长分别为和。通常红宝石激光器中只有通常红宝石激光器中只有 R1线才能形成激光输出。线才能形成激光输出。应指出应指出,红宝石激光器通常只产生的受激辐射。这是因为亚稳态能级红宝石激光器通常只产生的受激辐射。这是因为亚稳态能级2E分裂成分裂成2A和和E两能两能级级,跃迁到跃迁到2E上的粒子按波尔兹曼分布规律分布于上的粒子按波尔兹曼分布规律分布于2A和和E上上,2A能级上约占能级上约占47%,E能级上约占能级上约占53%。这就是说。这就是说E能级比能级比2A能级有更多的粒子数。而且能级有更多的粒子数。而且R
7、1线荧光强度线荧光强度比比R2线高线高,使得使得R1线的受激辐射几率比线的受激辐射几率比R2线高。因此线高。因此,R1线容易达到阈值而形成激光振荡。线容易达到阈值而形成激光振荡。同时同时,2A和和E相距很近相距很近,一旦一旦E上的粒子跃迁后上的粒子跃迁后,2A上的粒子便迅速地上的粒子便迅速地(约约10ns)转移到转移到E上去上去,这就加强了这就加强了R1线线,而抑制了而抑制了R2线。在激光脉冲持续时间远大于线。在激光脉冲持续时间远大于10-9s时时,亚稳态上的粒子均亚稳态上的粒子均将通过将通过R1线的受激辐射回到基态线的受激辐射回到基态,因此可把因此可把E,2A合并起来看成一个简并度合并起来看
8、成一个简并度g2=4的能级。的能级。 红宝石突出的缺点是阈值高红宝石突出的缺点是阈值高(因是三能级因是三能级)和性能易随和性能易随温度变化。温度变化。 但具有很多优点但具有很多优点,如如:机械强度高机械强度高,能承受很高的激光功率密度能承受很高的激光功率密度;容易生长成较大容易生长成较大尺寸尺寸;亚稳态寿命长亚稳态寿命长,储能大储能大,可得到大能量输出可得到大能量输出;荧光谱线荧光谱线较宽较宽,容易获得大能量的单模输出容易获得大能量的单模输出;低温性能良好低温性能良好,可得到连可得到连续输出续输出;红宝石激光器输出的红光红宝石激光器输出的红光(0.6943um),不仅能为不仅能为人眼可见人眼可
9、见,而且很容易被探测接收而且很容易被探测接收(目前大多数光电元件和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照相乳胶对红光的感应灵敏度较高)。因此。因此,红宝石仍属一红宝石仍属一种优良的工作物质而得到广泛应用。用红宝石制成的大尺种优良的工作物质而得到广泛应用。用红宝石制成的大尺寸单脉冲器件输出能量已达上千焦耳。单级调寸单脉冲器件输出能量已达上千焦耳。单级调Q器件很容器件很容易得到几十兆瓦的峰值功率输出易得到几十兆瓦的峰值功率输出(用这类器件已成功地对用这类器件已成功地对载有角反射器的人造卫星进行了测距试验载有角反射器的人造卫星进行了测距试验)。多级放大器。多级放大器件的输出峰值功率已达
10、数千兆瓦到一万兆瓦。红宝石在激件的输出峰值功率已达数千兆瓦到一万兆瓦。红宝石在激光发展上是贡献比较大的一种晶体。光发展上是贡献比较大的一种晶体。图(5-3) 红宝石中铬离子的能级结构 Nd3+:YAG的激活离子为的激活离子为Nd3+,基质是基质是YAG晶体晶体(钇铝石榴石钇铝石榴石晶体晶体Y3Al5O12的简称的简称)。Nd3+部分取代部分取代YAG中的中的Y3+便成为便成为Nd3+:YAG。一般含。一般含Nd3+量为量为1%原子比原子比,此时此时Nd3+的密度为的密度为1.381020cm-3,颜色为淡紫色。实际制备时是将一定比例的颜色为淡紫色。实际制备时是将一定比例的A1203、Y2O3和
11、和Nd2O3在单晶炉中熔化结晶而成。在单晶炉中熔化结晶而成。Nd3+:YAG属属立方晶系立方晶系,是各向同性晶体。是各向同性晶体。三、掺钕钇铝石榴石三、掺钕钇铝石榴石(Nd3+:YAG) YAG, an acronym for yttrium aluminum garnet) 掺钕钇铝石榴石激光器掺钕钇铝石榴石激光器的激活粒子是钕离子的激活粒子是钕离子(Nd3)，其吸收光谱如图，其吸收光谱如图( (5- -4) )所示所示图(5-4) Nd3:YAG 晶体的吸收光谱图(5-5) Nd3:YAG 的能级结构YAG中中Nd3与激光产生有关的能级结构如图与激光产生有关的能级结构如图( (5- -5)
12、 )所示。它所示。它属于四能级系统。属于四能级系统。 比的荧光约强四倍的谱线先起振比的荧光约强四倍的谱线先起振,进而抑制谱线起振进而抑制谱线起振,所以所以Nd3+:YAG激光器通常激光器通常只产生激光。只有采取选频措施，才能实现波长的激光振荡。只产生激光。只有采取选频措施，才能实现波长的激光振荡。 四、钕玻璃激光器四、钕玻璃激光器 继继1960年第一台红宝石激光器问世后年第一台红宝石激光器问世后,1961年便出现了钕玻璃激光器。钕玻璃是在某年便出现了钕玻璃激光器。钕玻璃是在某种成分的光学玻璃中掺入适量的种成分的光学玻璃中掺入适量的Nd2O3制成的。最佳掺入制成的。最佳掺入Nd2O3量为量为1%
13、5%重量比。重量比。对应对应3%的掺入量的掺入量,Nd3+的浓度为的浓度为31020/cm3。Nd3+在硅酸盐、棚酸盐和磷酸盐玻璃系在硅酸盐、棚酸盐和磷酸盐玻璃系统用得最多。统用得最多。 玻璃的制备工艺比较成熟玻璃的制备工艺比较成熟,易获得良争好的光学均匀性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塑性。大的钕玻璃棒长可达12m,直径直径30100mm,可用来制成特大能量的激光器。小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。用于集成光路中的光放大或
14、振荡。 钕玻璃最大的缺点是导热率太低钕玻璃最大的缺点是导热率太低,热胀系数太大热胀系数太大,因此不适于作连续器件和高频运转的因此不适于作连续器件和高频运转的器件器件,且在应用时要特别注意防止自身破坏。且在应用时要特别注意防止自身破坏。E4:含三个吸收带含三个吸收带(抽运能带抽运能带) *(吸收特定波长的光而跃迁到吸收特定波长的光而跃迁到这三个吸收带这三个吸收带) (中心波长中心波长5900A)(. 7500A)(. 8000A)E3:三条激光谱线公共的激光三条激光谱线公共的激光上能级上能级 E2: 含二条激光谱线的二个激含二条激光谱线的二个激光下能级光下能级(四能级系统四能级系统), 即即(
15、,对应对应1.4m 谱线谱线)( ,对应对应1.06m谱线谱线) 钕玻璃的能级结构和跃迁光谱钕玻璃的能级结构和跃迁光谱 E1:基态基态, 一条激光谱线的激一条激光谱线的激光下能级光下能级(三能级系统三能级系统): ( 对应0.9m谱线) 跃迁谱线跃迁谱线: m:四能级系统四能级系统, 跃迁跃迁几率大几率大, 通常可观察到通常可观察到; m: 四能级系统四能级系统, 跃迁跃迁几率较小几率较小, 不一定可观不一定可观 察到察到;m:三能级系统三能级系统, 难实难实现粒子数反转现粒子数反转, 一般不一般不 出现出现.5.1.2 5.1.2 固体激光器的泵浦系统固体激光器的泵浦系统 一、固体激光器工作
16、物质是绝缘晶体，一般都采用光泵浦激励。最常用的一、固体激光器工作物质是绝缘晶体，一般都采用光泵浦激励。最常用的泵浦光源有惰性气体放电灯泵浦光源有惰性气体放电灯( (灯内充入氙、氪等惰性气体灯内充入氙、氪等惰性气体) )、金属蒸气灯、金属蒸气灯( (灯内充灯内充入汞、钠、饵等金属蒸气）、卤化物灯入汞、钠、饵等金属蒸气）、卤化物灯( (碘钨灯、镊钨灯等碘钨灯、镊钨灯等) )、半导体激光器、日、半导体激光器、日光泵光泵( (用聚光镜将日光会聚到激光棒中用聚光镜将日光会聚到激光棒中) )等。脉冲氙灯的辐射强度和辐射效率较其等。脉冲氙灯的辐射强度和辐射效率较其他灯都高他灯都高, ,是红宝石钕玻璃和是红宝
17、石钕玻璃和Nd:YAGNd:YAG脉冲激光器中应用最广泛的一种灯脉冲激光器中应用最广泛的一种灯. .氪灯在低氪灯在低电流密度下工作时电流密度下工作时, ,其辐射光谱与其辐射光谱与Nd:YAGNd:YAG泵浦吸收带相匹配泵浦吸收带相匹配, ,故在连续和小能量脉故在连续和小能量脉冲冲Nd:YAGNd:YAG器件中得到比较多的采用。碘钨灯用器件中得到比较多的采用。碘钨灯用220V220V电压即可电压即可, ,使用简单、方便使用简单、方便, ,在在功率小于功率小于1OW1OW的连续的连续Nd:YAGNd:YAG器件中可以应用。红宝石连续激光器多用高压汞蒸气器件中可以应用。红宝石连续激光器多用高压汞蒸气
18、灯灯, ,它的辐射谱与红宝石吸收谱能很好的匹配。砷化镓半导体激光器体积小它的辐射谱与红宝石吸收谱能很好的匹配。砷化镓半导体激光器体积小, ,产生产生的激光又与掺钕工作物质吸收谱相匹配的激光又与掺钕工作物质吸收谱相匹配, ,可用于小型掺铁激光器。日光泵适用于可用于小型掺铁激光器。日光泵适用于空间技术中的激光器。空间技术中的激光器。 在各种泵浦光源中在各种泵浦光源中, ,以惰性气体放电灯应用最普遍。灯泵浦系统包括泵灯和以惰性气体放电灯应用最普遍。灯泵浦系统包括泵灯和聚光器。聚光器。 二、泵浦光源应当满足两个基本条件。二、泵浦光源应当满足两个基本条件。有很高的发光效率有很高的发光效率辐射的光辐射的光
19、谱特性应与激光各种物质的吸收光谱相匹配谱特性应与激光各种物质的吸收光谱相匹配. . 1 1 惰性气体放电灯的结构一般都是由电惰性气体放电灯的结构一般都是由电极、灯管和充入的气体组成。极、灯管和充入的气体组成。见图见图 (a)。 电极是用高熔点、高电子发射率电极是用高熔点、高电子发射率, ,又不易又不易溅射的金属材料制成。常用的电极材料有溅射的金属材料制成。常用的电极材料有钨，钍钨，钡钨和铈钨钨，钍钨，钡钨和铈钨, ,高功率灯的电极要高功率灯的电极要设计成水冷结构设计成水冷结构, ,见图见图(b),(b),灯管用机械强度灯管用机械强度高、耐高温、透光性能好的石英玻璃制成。高、耐高温、透光性能好的
20、石英玻璃制成。灯管内充入氙灯管内充入氙(Xe)(Xe)、氪、氪(kr)(kr)气体。气体。 2 2 氙灯在低电流密度放电氙灯在低电流密度放电( (如连续灯放电和小能量脉冲灯放电如连续灯放电和小能量脉冲灯放电) )时时, ,辐射的特征辐射的特征谱线的峰值波伏在、和谱线的峰值波伏在、和1 1um附近。氪灯在低电流密度放电时附近。氪灯在低电流密度放电时, ,辐射的特征谱线的峰辐射的特征谱线的峰值波长在、和值波长在、和um附近。可见附近。可见, ,氪灯的特征谱线与氪灯的特征谱线与Nd:YAG的主要泵浦吸收带相匹的主要泵浦吸收带相匹配配, ,因此连续和小能量因此连续和小能量(10J)(Eg，而PN 结两
21、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图(5-28) GaAs激光器的结构5.4.3 5.4.3 半导体激光器的工作原理和阈值条件半导体激光器的工作原理和阈值条件 一、 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。 图(5-28b)是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(5-28a) 的管芯形状是长方形， PN 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PN 结。 激光器的谐振腔一般是直接利用垂直于PN 结的两个端
22、面，由于GaAs的折射率n，所以对于垂直于端面的光的反射率为32%。为了提高输出功率和降低工作电流，一般使其中一个反射面镀金反膜。二、 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 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 三、半导体激光器的阈值电流 三、半导体激光器的阈值
23、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 当正向电流密度J达到阈值J阈后形成激光。 数值例： GaAs PN 结激光器5.4.4 5.4.4 同质结和异质结半导体激光器同质结和异质结半导体激光器 1.伏安特性: 与二极管相同，也具有单向导电性，如图(529)所示。 一、 同质结砷化镓(GaAs)激光器的特性 图(5-29) GaAs激光器的伏安特性2.阈值电流密度: 影响阈值的因素很多 显然，降低J阈的值是提高半导体水平的关键，经研究人们发现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）
24、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 =。当腔长转短时，若12L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阈的降低就不很明显了。3.方向性: 图(5-30)给出了半导体激光束的空间分布示意图。 图(5-30) 激光束的空间分布示意图 4.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。 因为半导体激光器的谐振腔短小,所
25、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。 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
26、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。 外微分量子效率D : 功率效率P :功率效率定义为激光器的输出功率与输入电功率之比 5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。二、 异质结半导体激光器 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
27、激光器,从而大大提高了半导体激光器的实际应用价值。 1.异质结及其特点 如图（5-32）所示,对于GaAs类半导体激光器,由同种材料GaAs构成的p-n结即为同质结。若一侧为GaAs,而另一侧为GaAlAs所构成的结为异质结, 若个半导体激光器仅有一个异质结则称为单异质结(SH)激光器,两个异质结构为双异质结(DH)激光器。图(5-32) 同质结、异质结结构示意图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。
