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光电子技术与应用2024/3/24 周日1第第3 3章章 激光原理与技术激光原理与技术光电子技术与应用2024/3/24 周日2第第3 3章章 激光原理与技术（激光制导）激光原理与技术（激光制导）光电子技术与应用2024/3/24 周日3第第3 3章章 激光原理与技术（激光制导）激光原理与技术（激光制导）光电子技术与应用2024/3/24 周日4第第3 3章章 激光原理与技术（激光制导）激光原理与技术（激光制导）光电子技术与应用2024/3/24 周日53.1 3.1 相干光源、非相干光源与激光相干光源、非相干光源与激光o光源器件主要是指电光变换器件。3.1.1 光源的分类o 相干光源：在时间、空间上相位同步的光波形成。o 非相干光源：来源于原子或分子体系的自发辐射。光电子技术与应用2024/3/24 周日6光电子技术与应用2024/3/24 周日7照明光源照明光源 气体放电灯、荧光灯；白炽灯；本征场致发光灯（固气体放电灯、荧光灯；白炽灯；本征场致发光灯（固体灯）。体灯）。显示光源显示光源 着重显示图像的清晰度、对比度、色彩饱和度来区分，着重显示图像的清晰度、对比度、色彩饱和度来区分，如液晶显示器、阴极射线管（如液晶显示器、阴极射线管（CRT)CRT)、发光二极管、发光二极管（LEDLED）。）。信息处理光源信息处理光源 着重光的单色性和高速脉冲性，如高速高亮度的发光着重光的单色性和高速脉冲性，如高速高亮度的发光二极管、分光分度计光源。二极管、分光分度计光源。非相干光源包括非相干光源包括：光电子技术与应用2024/3/24 周日8激光激光 气体激光器、固体激光器、染料激光器、气体激光器、固体激光器、染料激光器、半导体激光器、等离子激光器。半导体激光器、等离子激光器。非线性光学器件非线性光学器件 主要是激光与非线性光学材料相互作用主要是激光与非线性光学材料相互作用而产生的各种新的相干光源，如光参量振荡而产生的各种新的相干光源，如光参量振荡器、高次谐波激光器、和频与差频发生器、器、高次谐波激光器、和频与差频发生器、受激拉曼散射。受激拉曼散射。相干光源包括相干光源包括：光电子技术与应用2024/3/24 周日9 一般通称为激光的四性:单色性、相干性、方向性和高亮度。实际上，这四性质上可归结为一性，即激光具有很高的光子简并度。也就是说，激光可以在很大的相干积内有很高的相干光强。3.1.2 3.1.2 激光的特性激光的特性光电子技术与应用2024/3/24 周日10o1 1、方向性、方向性 激光发散角小，可达激光发散角小，可达mradmrad量级，接近于衍射极限。量级，接近于衍射极限。o2 2、单色性、单色性 激光的谱线宽度很窄，单色性很好。激光的谱线宽度很窄，单色性很好。o3 3、高亮度、高亮度 激光的发光面小，发散角小，线宽窄，所以有很高的激光的发光面小，发散角小，线宽窄，所以有很高的光谱辐亮度。光谱辐亮度。o4 4、相干性、相干性 激光的发散角小，线宽窄，所以空间和时间相干性都激光的发散角小，线宽窄，所以空间和时间相干性都很好。例如，稳频的很好。例如，稳频的He-NeHe-Ne激光器线宽可达激光器线宽可达v v10kHz10kHz，相干长度达相干长度达LcLc=c c/v v=30km=30km。3.1.2 3.1.2 激光的特性激光的特性光电子技术与应用2024/3/24 周日111.光与物质相互作用的经典模型 介质的极化强度为:用宏观物理量-极化率或介电常数来描述介质对光波场的响应,则:3.2.1 3.2.1 光与物质相互作用的经典理论分析光与物质相互作用的经典理论分析3.2 3.2 激光产生与传播的基础激光产生与传播的基础光电子技术与应用2024/3/24 周日12 经典的电子理论是把原子内部电子运动看成称为简谐振子。简谐振子模型认为，原子中的电子被与位移成正比的弹性恢复力束缚在某一平衡位置：xo(原子中的正电中心)附近振动(假设一维运动情况)，当电子偏离平衡位置而具有位移x时，就受到一个恢复力f=-kx的作用。假定没有其他力作用在电子上则电子运动方程为:其中k是弹性系数,m为电子质量,是电子的固有频率.光电子技术与应用2024/3/24 周日13 电子在原子内部以固有频率做简谐振动,就会向外辐射电磁波,辐射场又对电子产生反作用-与电子速度成正比的阻尼力.此时如果有光波入射,则光波电磁场又会对电子施加一个电磁力,于是方程变为:考虑入射光场为简谐电场的情况,则:将其代入运动方程,可以求得解为:光电子技术与应用2024/3/24 周日14 由方程的解可见:在简谐振子的模型下,电子受迫振动的频率与驱动光波频率相同,但存在相位差,且这个相位对介质中的所有原子都是一样的.(1)当 时,称为光和物质的非共振相互作用过程.(2)当 时,称为光和物质的共振相互作用过程.光电子技术与应用2024/3/24 周日153.2.23.2.2 光辐射的量子理论基础光辐射的量子理论基础1.1.三种跃迁三种跃迁 (1)受激吸收 受激吸收概率：受激吸收概率：为爱因斯坦吸收系数为爱因斯坦吸收系数光电子技术与应用2024/3/24 周日16(2)(2)自发辐射自发辐射 光子能量：光子能量：自发跃迁概率：自发跃迁概率：单位时间、单位体积内，单位时间、单位体积内，上粒子的减少为：上粒子的减少为：于是有：于是有：光电子技术与应用2024/3/24 周日17(3)(3)受激辐射受激辐射受激辐射的概率：受激辐射的概率：称为爱因斯坦受激发射系数。称为爱因斯坦受激发射系数。光电子技术与应用2024/3/24 周日182.2.爱因斯坦关系爱因斯坦关系 设一个原子系统有特定两个能级 ,其简并为 ,在温度T下处于热平衡状态,能级的原子占有数密度分别为 ,则原子系统从辐射场中吸收能量 后,单位时间内从 跃迁到能级的原子数为：单位时间内，的原子数数为：由于系统处于热平衡状态，则应有：即：光电子技术与应用2024/3/24 周日19 热平衡状态下，按波尔兹曼分布：即：所以有：2.2.爱因斯坦关系爱因斯坦关系光电子技术与应用2024/3/24 周日20热平衡条件下，光辐射的能量密度的普朗克公式为：比较两式有：上述两式即著名的爱因斯坦关系式。若两能级的简并度相同，则有：2.2.爱因斯坦关系爱因斯坦关系光电子技术与应用2024/3/24 周日21 三个爱因斯坦系数是相互关联的。u对一定的原子体系而言，自发发射系数 A 与受激发射系数 B 之比正比于 的三次方，因而 两能级相差越大，就越高，A,B 的比值就越大，也就是 越高，自发辐射越容易，受激辐射越困难。一般在热平衡下，主要是自发辐射。结论：结论：光电子技术与应用2024/3/24 周日223.3.光谱线展宽光谱线展宽 单位体积内粒子自发跃迁所辐射的功率为：以上推理都是认为能级是理想的无宽度的、从而粒子辐射是单色的，也就是能量集中在单一频率上。实际上，自发辐射并非单色的，而是分布在中心频率附近的一个有限范围内，这一现象称为。光电子技术与应用2024/3/24 周日23 考虑谱线展宽的情况，自发辐射的功率应是频率的函数，则总的自发辐射的功率为：光谱线的线性函数：满足归一化条件：于是：3.3.光谱线展宽光谱线展宽光电子技术与应用2024/3/24 周日24由爱因斯坦系数可得：设外来光辐射能量密度也是一个与频率有关的参量，于是：考虑谱线展宽后，对于自发辐射：可见：对自发辐射没有影响，即自发辐射不受影响。光电子技术与应用2024/3/24 周日25 对于受激辐射：可见受激跃迁粒子数改变与粒子体系的及辐射场的有关。光电子技术与应用2024/3/24 周日264.4.受激辐射下光谱线展宽的类型受激辐射下光谱线展宽的类型 （1 1）均匀展宽）均匀展宽 均匀展宽的特点是：引起展宽的机制对于每一粒子而言都是相同的。任何一个粒子对谱线展宽的贡献都是一样的，不可能把线性函数某一特定频率与某些特定粒子联系起来，每一个发光粒子都以洛沦兹线型发射。（2 2）非均匀展宽）非均匀展宽 非均匀展宽的特点是：粒子体系中粒子发光只对谱线内与其中心频率相对应的部分有贡献，这种展宽主要有多普勒展宽与残余应力展宽，光电子技术与应用2024/3/24 周日27均匀展宽包括：均匀展宽包括：1 1）自然展宽）自然展宽 由于粒子存在固有的自发跃迁，从而导致它在受激能级上的寿命有限形成的。由傅立叶变换得其频谱分布为：光电子技术与应用2024/3/24 周日281 1）自然展宽）自然展宽于是自发辐射得功率为：总功率为：所以：当有：光电子技术与应用2024/3/24 周日291 1）自然展宽）自然展宽因此有：得：于是有也可写成：光电子技术与应用2024/3/24 周日302 2）碰撞展宽）碰撞展宽由于大气中大量粒子无规则运动碰撞产生的，包括两种情况：激化态的粒子与其他粒子发生非弹性碰撞将自己的能量传递出去而回到基态或者是粒子发射的波列发生无规则的相位突变。自然展宽与碰撞展宽共同作用产生的线型函数合称为均匀展宽的线型函数，表示为：线宽为：光电子技术与应用2024/3/24 周日313 3）热振动展宽）热振动展宽 由于晶格振动引起的，晶格原子的热震动使发光粒子处于随时间周期性变化的晶格场中，引起能级振动。这种展宽与温度有关，但其线型函数解析式很难求，只能由实验测出。光电子技术与应用2024/3/24 周日32非均匀展宽包括：非均匀展宽包括：1 1）多普勒展宽）多普勒展宽 由于气体物质中的粒子作热运动所产生的辐射的多普勒频移引起的。以一维运动为例：考虑气体分子热运动的速率统计分布：光电子技术与应用2024/3/24 周日33得：于是有：从而有称为多普勒的线型函数，具有高斯函数形式，相应的线宽为光电子技术与应用2024/3/24 周日34当时（最大值）也可表示为：多普勒展宽实际上是一种统计结果。光电子技术与应用2024/3/24 周日352)2)残余应力展宽残余应力展宽 由固体激光物质内部残余应力引起的，其中一由固体激光物质内部残余应力引起的，其中一种是晶格缺陷所致，非均匀分布的缺陷引起不种是晶格缺陷所致，非均匀分布的缺陷引起不同位置的粒子同位置的粒子 不同，物质本身原子的无规则不同，物质本身原子的无规则排列也会引起。排列也会引起。光电子技术与应用2024/3/24 周日363.2.3 3.2.3 光与物质相互作用经典结果的量子修正光与物质相互作用经典结果的量子修正解释光放大、吸收系数等问题只能从辐射的量子化出发。电磁辐射在物质传播时，每单位体积内的电磁场被电偶极子吸收的功率为：由受激跃迁得：于是有光电子技术与应用2024/3/24 周日37 均匀展宽时：而经典得表达式为：相比发现：经典理论中，恒大于0，即热平衡条件下光通过物质传播时总有一定程度的吸收，而量子修正后取决于光电子技术与应用2024/3/24 周日383.2.4 3.2.4 光与物质体系相互作用的量子解释光与物质体系相互作用的量子解释1.两种情况下光与粒子体系的相互作用 1）单色辐射场与粒子体系相互作用）单色辐射场与粒子体系相互作用 单色辐射场的能量密度为：光电子技术与应用2024/3/24 周日39 上式表明由于谱线展宽，和粒子体系产生相互作用的单色光场的频率并不一定精确于 的中心频率 才能产生受激辐射，而是在 附近的一定范围内。2 2）连续辐射光场与粒子体系相互作用）连续辐射光场与粒子体系相互作用 可见，连续辐射场中只有频率等于粒子体系中心频率的那部分辐射场才能引起粒子体系受激辐射，其他部分被粒子所散射。光电子技术与应用2024/3/24 周日402.2.受激发射与光放大受激发射与光放大 激活介质的增益系数为：所以有又：所以有：光电子技术与应用2024/3/24 周日41 考虑谱线展宽，有结论：光电子技术与应用2024/3/24 周日42习题o1、设一光子的波长为5*10-1微米，单色性 试求光子的不确定量 。若光子的波长为5*10-4微米（x射线）和5*10-8微米（射线），则相应的 又是多少？o2、激光波长为0.6328微米，激光输出的上能级粒子寿命为2*10-8s，激光下能级粒子寿命2*10-8 p=266Pa,M=20,a=0.53MHz/Pa,计算T=300K时，均匀加宽与非均匀加宽的比值。o3、光子的性质o4、光波模式和光子态 的等价性光电子技术与应用2024/3/24 周日43先进战术激光系统先进战术激光系统 20090613在在2009年完成摧毁助推阶段导弹的演示试验年完成摧毁助推阶段导弹的演示试验 光电子技术与应用2024/3/24 周日44光电子技术与应用2024/3/24 周日45 3.3.1 3.3.1 激光产生的必要条件激光产生的必要条件 1.1.粒子数反转粒子数反转 光束通过原子与分子系统时，总是同时存在受激发光束通过原子与分子系统时，总是同时存在受激发射与受激吸收的过程。从爱因斯坦关系可知，一般受激射与受激吸收的过程。从爱因斯坦关系可知，一般受激吸收远大于受激发射，粒子处于基态；如果激发态的电吸收远大于受激发射，粒子处于基态；如果激发态的电子数远远多于基态电子数，就会使激光工作物质中受激子数远远多于基态电子数，就会使激光工作物质中受激发射占主导地位，这种状态即。发射占主导地位，这种状态即。3.3 3.3 激光产生的条件激光产生的条件必要条件：粒子数反转分布和减少振荡模式必要条件：粒子数反转分布和减少振荡模式充分条件：起振和稳定振荡（形成稳定激光）充分条件：起振和稳定振荡（形成稳定激光）光电子技术与应用2024/3/24 周日46考虑一个二能级（）系统的粒子数的分布情况。设有一光束通过此系统，频率为：由于受激吸收和发射的存在，光束的能量要发生变化。经dt时间后有：单位体积因吸收减少：单位体积因发射增加：能量总的变化为：由爱因斯坦关系得：光电子技术与应用2024/3/24 周日47 由上式可知，光束在传播过程中能量密度的增减由括号中运算的值决定。据此可以把工作物质状态分为两类：（1）粒子数正常分布 满足：当物质处于热平衡时有由于于是粒子数分布总有工作物质中具有较低能量的一个能级上的粒子数大于较高能量的一个能级上的粒子数即。光电子技术与应用2024/3/24 周日48 （2 2）粒子数反转）粒子数反转 满足：光束在此工作物质中传播光能密度不断增加。正常分布光电子技术与应用2024/3/24 周日49 在激活介质中，粒子数是反转分布的，粒子在能级上的分布情况与波尔兹曼分布情况相反，是“上多下少”。而要达到粒子数反转分布，需要一个机构将低能级粒子抽到高能级，这种机构称为泵浦源泵浦源。2.2.减少振荡模式数减少振荡模式数 基于方向性、单色性的考虑。右图表示了谐振腔中光的振荡，（R11，R21）光电子技术与应用2024/3/24 周日503.3.2 3.3.2 激光产生的充分条件激光产生的充分条件 1.1.起振条件阈值条件起振条件阈值条件 由于R21，光在镜面上总有透射损失，镜面和腔内激活介质还存在吸收、散射等损失。因此光的增益超过损失时，光波才能被放大，进而振荡，即有阈值。设激活介质的增益系数为 ，谐振腔长为L，则光束通过单程L后，强度变化关系为：（为单程增益）谐振腔两面分别有反射率，透射率，损耗，则：光束在腔内往返一次强度的变化情况为：光电子技术与应用2024/3/24 周日51于是 可见，形成激光振荡条件为激光振荡必须满足的最起码条件为激光振荡必须满足的最起码条件为又因为于是反转粒子数阈值公式为于是反转粒子数阈值公式为光电子技术与应用2024/3/24 周日522.2.稳定振荡条件增益饱和效应稳定振荡条件增益饱和效应 激光强度将随传播距离的增加而呈指数关系上升，但是激光强度不会无限制的增大。当入射光强度足够弱时，增益系数与光强无关，是一个常量；而当入射光强增加到一定时，增益系数将减小，即 应写成 这种现象称为增益饱和现象。设想工作物质在泵浦作用下实现了粒子数反转，即 光电子技术与应用2024/3/24 周日53 当外加光强出现时，感应了 的受激发射和 的受激吸收，两种跃迁的过程概率相等，由于 ，因此 粒子数大于 粒子数，其结果使新平衡反转粒子数 ，变小；由于 越强，造成反转粒子数的减少越严重，因而随着往返振荡，不断增大，使得 不断减小，直到光所获得的增益恰好等于激光腔内的损耗，就建立了稳态的振荡，形成稳定的输出。光电子技术与应用2024/3/24 周日54作业o受激辐射与自发辐射的区别.o证明A21与B12的关系,以及受激辐射和受激吸收系数的关系.o课后习题:1-11 1-12.光电子技术与应用2024/3/24 周日553.4 3.4 激光器的基本结构及输出激光器的基本结构及输出3.4.1 3.4.1 激光器的基本结构激光器的基本结构激光工作物质、泵浦源、光学谐振腔光电子技术与应用2024/3/24 周日56三能级系统 1.1.激光工作物质激光工作物质二能级系统不能充当激光工作物质。激光物质是三能级或四能级结构。光电子技术与应用2024/3/24 周日57四能级系统光电子技术与应用2024/3/24 周日582.2.泵浦源泵浦源 必须用外界能量来激励工作物质，建立粒子数反转分布状态。将粒子从低能级抽运到高能级态的装置，称为。它是形成激光的外因。激光器是一个能量转换器件，它将泵浦源输入的能量转变为激光能量。从直接完成粒子数反转的方式来分，泵浦方式可分为：（1）光激励方式 （2）气体辉光放电或高频放电方式 （3）直接注入电子方式 （4）化学反应方式 还有：热激励、冲击波、电子束、核能等方式。光电子技术与应用2024/3/24 周日593.3.谐振腔谐振腔 限制输出模式，同时还对激光频率、功率、光束发散角及相干性都有影响。设激光器腔长L，反射镜曲率半径分别为 (凸面镜 ，凹面镜 )，谐振腔可分为稳定腔（低损耗腔）和非稳定腔（高损耗腔）两类。（1）稳定腔 满足：（2）非稳定腔 满足：或光电子技术与应用2024/3/24 周日603.4.2 3.4.2 激光器的输出激光器的输出 1.输出功率 实际激光器工作在阈值以上。设小信号增益系数为 ，腔长L,单程损耗为 ，I在腔内往返一次后变为 ，则有：开始时某一振荡频率的小信号增益系数 大于阈值系数 ，则有腔内光强将逐渐增加，由于 受饱和效应的影响，若大信号增益系数 仍然大于 ，则这一过程便继续下去，随着光强的增加，逐渐减少，直到：激光器建立起稳定的工作状态，有了恒定的输出功率。稳定工作时激光器的信号增益总是稳定在 光电子技术与应用2024/3/24 周日61 2.2.输出模式输出模式 激光器输出的独立频率分量称为。激光器的稳定含义包括：（1）确定频率 （2）振幅在空间的相对分布确定，不随时间改变 （3）相位在空间的相对分布确定，不随时间改变光电子技术与应用2024/3/24 周日623.5 3.5 激光器的种类激光器的种类可按功率、输出激光连续性状况、泵浦、激光工作物质来分。可按功率、输出激光连续性状况、泵浦、激光工作物质来分。3.5.1 3.5.1 气体激光器气体激光器 以气体为工作物质，大多数气体激光器能连续工作，以气体为工作物质，大多数气体激光器能连续工作，其激励过程涉及的能级比较固定利用气体放电中的电子其激励过程涉及的能级比较固定利用气体放电中的电子碰撞来激发。碰撞来激发。1.1.原子气体激光器原子气体激光器 2.2.离子气体激光器离子气体激光器 3.3.分子气体激光器分子气体激光器 4.4.准分子激光器准分子激光器光电子技术与应用2024/3/24 周日63准分子激光器准分子激光器o准分子激光是由气态氟化氩（准分子激光是由气态氟化氩（ArFArF）在激发状态）在激发状态下激发的下激发的“冷激光冷激光”。之所以称为准分子，是。之所以称为准分子，是因为它不是稳定的分子，是在激光混合气体受因为它不是稳定的分子，是在激光混合气体受到外来能量的激发所引起的一系列物理及化学到外来能量的激发所引起的一系列物理及化学反应中曾经形成但转瞬即逝的分子，其寿命仅反应中曾经形成但转瞬即逝的分子，其寿命仅为几十毫微秒，准分子激光是一种脉冲激光，为几十毫微秒，准分子激光是一种脉冲激光，因谐振腔内充入不同的稀有气体和卤素气体的因谐振腔内充入不同的稀有气体和卤素气体的混合物而有不同波长的激光产生。波长范围为混合物而有不同波长的激光产生。波长范围为157157353nm353nm。光电子技术与应用2024/3/24 周日64例如：气体激光器例如：气体激光器o（1）He-Ne激光器 He、Ne气体充入放电管中构成，He为辅助气体，Ne产生受激辐射发光。主要输出波长632.8nm、1.15m、3.39m。o（2）氩离子激光器 放电管中充入低气压氩气，电离的氩离子产生受激辐射发光。输出蓝绿光，有很多波长，488.0nm、514.5nm二谱线最强。o（3）CO2激光器 放电管中充入CO2气体和少量的N2和He。CO2分子发光，输出波长911m，典型波长10.6m。光电子技术与应用2024/3/24 周日65o原理图光电子技术与应用2024/3/24 周日66光电子技术与应用2024/3/24 周日67He-NeHe-Ne激光器概述激光器概述o诞生于诞生于19601960年，年，o可见光及红外区：有可见光及红外区：有632.8nm632.8nm红光、和红光、和1.15m1.15m及及3.39m3.39mo632.8nm632.8nm氦氖激光器最大连续输出功率可达到一氦氖激光器最大连续输出功率可达到一W W，寿命，寿命也达到一万小时以上。借助调节放大电流大小，使功率稳也达到一万小时以上。借助调节放大电流大小，使功率稳定性达到定性达到3030秒内的误差为秒内的误差为0.0050.005，十分钟内的误差为，十分钟内的误差为0.0150.015的功率稳定度；的功率稳定度；o发散角仅为发散角仅为0.50.5毫弧度。毫弧度。o氦氖激光器除了具有一般的气体激光器所固有的方向性好，氦氖激光器除了具有一般的气体激光器所固有的方向性好，单色性好，相干性强诸优点外，还具有结构简单、寿命长、单色性好，相干性强诸优点外，还具有结构简单、寿命长、价廉、频率稳定等特点。氦氖激光在精确指示，激光测量，价廉、频率稳定等特点。氦氖激光在精确指示，激光测量，医疗卫生方面有很广泛的用途。医疗卫生方面有很广泛的用途。光电子技术与应用2024/3/24 周日68氦氖激光器的工作原理 o氦氖激光器的激光放电管内的气体有一定的电压及电流（在电场作用下气体放电），放电管中的电子就会由负极以高速向正极运动。在运动中与工作物质内的氦原子进行碰撞，电子的能量传给原子，促使原子的能量提高，基态原子跃迁到高能级的激发态。这时如有基态氖原子与两能级上的氦原子相碰，氦原子的能量传递给氖原子，并从基态跃迁到激发的能级状态，而氦原子回到了基态上。光电子技术与应用2024/3/24 周日69氦氖激光器的工作原理o因为放电管上所加的电压，电流连续不断供给，原子不断地发生碰撞。这就产生了激光必须具备的基本条件。在发生受激辐射时，分别发出波长3.39m，632.8nm，1.53m三种激光，而这三种激光中除632.8nm为可见光中的红外光外，另二种是红外区的辐射光。因反射镜的反射率不同，只输出一种较长的光波632.8nm的激光。光电子技术与应用2024/3/24 周日70如何输出一种波长的光波？3.39um0.6328um1.15umHeNe能量转移能量转移能级结构能级结构光电子技术与应用2024/3/24 周日71采用的方法o主要取决于谐振腔介质膜反射镜的波长选择n借助腔内棱镜色散使某种波长激光不能起振；借助腔内棱镜色散使某种波长激光不能起振；n在腔内插入对某种波长的光吸收元件；在腔内插入对某种波长的光吸收元件；n借助轴向非均匀磁场使某种谱线展宽，从而使借助轴向非均匀磁场使某种谱线展宽，从而使其增益下降其增益下降光电子技术与应用2024/3/24 周日72He-Ne激光器结构 o此类激光器的结构大体可分为三部分，即放电管、此类激光器的结构大体可分为三部分，即放电管、谐振腔和激发的电源。谐振腔和激发的电源。oHe-NeHe-Ne激光的放电管，最外层是用硬质玻璃制成。激光的放电管，最外层是用硬质玻璃制成。放电的内管直径约放电的内管直径约2 23mm3mm，管长几厘米到十几厘米，管长几厘米到十几厘米，放电管越长功率越大，相应的放电电压就高。管内放电管越长功率越大，相应的放电电压就高。管内主要按主要按5 5：1 11010：1 1的比例充入氦氖混合气体达到的比例充入氦氖混合气体达到总气压约总气压约2.662.663.99Pa3.99Pa。管的一端装有铝圆筒作阴。管的一端装有铝圆筒作阴极（其圆管状结构主要是为了减少放电测射），另极（其圆管状结构主要是为了减少放电测射），另一端装有钨针作阳极，放电管两端装有反射镜（即一端装有钨针作阳极，放电管两端装有反射镜（即一头为全反射镜，出光一端为半反射镜）。这就构一头为全反射镜，出光一端为半反射镜）。这就构成了激光放电管。成了激光放电管。光电子技术与应用2024/3/24 周日73He-Ne激光器结构o在氦氖激光器中，采用的谐振腔有球面腔或平凹腔。一般腔镜内侧镀有高反射率的介质。在其中一端反射率为100，另一端反射率由激光器的增益而定。放电毛细管长度约1520cm，He-Ne激光器的半反射镜的半反射镜的反射率98.599.5。谐振腔的轴线和放电毛细管轴偏离不超过0.1mm。光电子技术与应用2024/3/24 周日74He-Ne激光器结构oHe-Ne激光器的外界激励能源与固体激光器不相同，不能使用光泵激励，而采用电激励的方法。把工作物质封入放电管中，供以直流、交流及射频等方式激励气体放电。通过放电过程把能量传给工作物质，促使气体中的离子、原子被激发。医疗中使用的激励方法主要是以直流电激发出光。大体结构主要有高压变压器、整流与滤波回路、限流与稳流回路组成。光电子技术与应用2024/3/24 周日75型号腔长(mm)模式(TEM)功率(mW)工作电流(mA)50500007101001000002514-181501500004018-20功率稳定性%发散角50.7550.7550.75长X宽X高(mm)580X100X1001180X105X1401690X140X170光电子技术与应用2024/3/24 周日76光电子技术与应用2024/3/24 周日773.5.2 3.5.2 固体激光器固体激光器o最有代表性的是红宝石激光器和钕钇铝石榴石（Nd3+:YAG）激光器。我们具体分析一下红宝石激光器。o 红宝石激光器的结构如下图所示。棒状红宝石（Al2O3）单晶体中掺入0.05%的铬离子（Cr3+），Cr3+为激活粒子，产生受激辐射发光。脉冲氙灯为泵浦源，它位于椭圆柱形聚光镜的一个焦点上，发出的强光经聚光镜反射后，被位于另一个焦点的红宝石棒吸收，形成Cr3+的粒子数反转，发出受激辐射。红宝石棒的两个端面研磨抛光再镀以多重介质膜，形成两个反射镜构成谐振腔，对受激辐射进行放大，最后输出激光。红宝石激光器输出694.3nm的红色激光。光电子技术与应用2024/3/24 周日78红宝石激光器结构红宝石激光器结构 红宝石激光器结构原理光电子技术与应用2024/3/24 周日79红宝石激光器红宝石激光器1960年梅曼研制成功世界上第一台可实际应用的红宝石激光器。它标志着激光技术的诞生光电子技术与应用2024/3/24 周日80红宝石激光器原理红宝石激光器原理o红宝石晶体中发射荧光并由此形成激光的是铬离子Cr3+，称为激活离子。其参与激光作用的能级结构。4A2是基态（对应三能级系统的e1），2E能级是亚稳态（对应于三能级系统的e2），4F1和4F2是两个吸收带能级（对应三能级系统的激发态e3）。从4A2向4F1、4F2的跃迁，对应两个强吸收带，中心波长分别约为410nm和560nm，吸收带宽约为100nm。光电子技术与应用2024/3/24 周日81红宝石激光器原理红宝石激光器原理o红宝石晶体中Cr3+的亚稳态2e能级，实际由2A和E两能级组成。在强光照射下有两条荧光谱线r1和r2。r1和r2分别对应于E4A2，2A4A2的跃迁。r1和r2对应的谱线波长为694.3nm和692.9nm；相对强度7：5，线宽都为11cm-1。光电子技术与应用2024/3/24 周日82红宝石激光器原理红宝石激光器原理e1e2e32AEr1r2光电子技术与应用2024/3/24 周日83红宝石激光器原理红宝石激光器原理o红宝石晶体在光泵激励下，处于其态4A2的Cr3+，吸收能量后跃迁到激发态4F1和4F2上，粒子在4F1和4F2上的寿命很短，约为10-9s。由于晶体内部晶格振动，大部分粒子通过无辐射跃迁，到达亚稳态能级2e上，因其能级寿命较长，约为310-3s。因此2e上积累大量粒子，在2e与4A2（基态）间形成粒子数反转分布，受激辐射将产生694.3nm和692.nm的谱线输出。由于r1线（=694.3nm）比r2线（=692.9nm）的荧光强度大，r1线先达阈值输出激光。因此，通常红宝石激光器的输出波长为694.3nm。光电子技术与应用2024/3/24 周日843.5.3 3.5.3 半导体激光器半导体激光器o与发光二极管类似。半导体p-n结为激活介质，加电（电注入）实现导带价带之间的粒子数反转，发出受激辐射，再由晶体解理面构成谐振腔对光进行放大，输出激光。不同材料的半导体激光器输出波长不同，一般在0.33m44m之间。常见的GaAs输出波长为0.83m0.91m。光电子技术与应用2024/3/24 周日85半导体激光器半导体激光器光电子技术与应用2024/3/24 周日86半导体激光器半导体激光器o光电子学的飞速发展主要是建立在量子力学和材料科学的发展上的，其中尤其瞩目的就是光电子半导体的发展。led，ld这些神气的电子器件便是这一发展的结果，尤其是近期有机光电材料的发展，更加是极大的推动着光电材料的进步。o首先半导体为什么会发光？光电子技术与应用2024/3/24 周日87半导体激光器半导体激光器o半导体激光器是以直接带隙半导体材料构成的pn结或pin结为工作物质的一种小型化激光器.半导体激光工作物质有几十种，目前已制成激光器的半导体材料有砷化稼(GaAs)、砷化锢(InAs)、氮化镓（GaN)、锑化锢(InSb)、硫化镉(Cds)、蹄化镉(CdTe)、硒化铅(PbSe)、蹄化铅(PbTe)、铝镓砷(A1xGa1-xAs)等.光电子技术与应用2024/3/24 周日88半导体激光器半导体激光器o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0.3-34um之间 光电子技术与应用2024/3/24 周日89半导体激光器半导体激光器o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)，以及它们的各种结合型等多种工艺.光电子技术与应用2024/3/24 周日903.6 3.6 激光脉冲技术激光脉冲技术 普通激光器输出的光脉冲只是一群宽度只有微秒量级、强度不同的小尖峰脉冲序列。激光短脉冲技术包括：激光调Q技术和激光锁模技术。3.6.1 3.6.1 脉冲激光器的尖峰效应脉冲激光器的尖峰效应 不加任何特殊装置的固体脉冲激光器，在一次输出中，激光 脉冲的宽度大约是ms的数量级。而且这个脉冲并不是平滑的，包含着很多宽度更窄的短脉冲序列，其中每一个短脉冲宽度只在微秒量级，而且随着激励的增强短脉冲的时间间隔越小。这种现象被人称做弛豫振荡效应或尖峰振荡效应 光电子技术与应用2024/3/24 周日91 一个短脉冲的形成和消失,可以由激光系统反转粒子数密度的增减变化来解释.造成系统反转粒子数密度增加的因素是光泵的激励，其增加速率在一个短脉冲的长消过程中可以看成是不变的。使反转粒子数密度减少的因素是受激辐射，其减少速率则因腔内光子数密度的多少而变化。一个短脉冲的生成过程可以分成四个阶段。如图所示:光电子技术与应用2024/3/24 周日92光电子技术与应用2024/3/24 周日93 由上述的尖峰结构可见，脉冲激光输出具有如下几个特点：(1)总在 附近振荡变化，的总水平不高，因此，增益也就达不到较高的值总输出水平不会太高。(2)在光泵灯闪光的整个时间宽度中，激光出现的时间 较早，结束较晚，也就是指整个激光脉冲宽度很宽。(3)激光脉冲不够平滑。光电子技术与应用2024/3/24 周日94 3.6.2 3.6.2 激光调激光调Q Q技术技术 调Q原理：泵浦开始时，增大损耗，使振荡难以形成，从而使上能级的反转粒子数密度增大，当积累达到最大值时，突然使谐振腔损耗变小，于是Q值突增，在腔内以极快的速度建立极强的振荡，输出极强的激光脉冲，称为激光巨脉冲或调Q脉冲。谐振腔损耗包括：反射损耗、吸收、衍射、散射、透射损耗，不同的方法、控制不同类型的损耗，就形成不同的调Q方法。光电子技术与应用2024/3/24 周日951.1.转镜调转镜调Q Q技术技术 通过转镜来控制谐振腔的两个反射镜的平行度，从而控制损耗。如图：光电子技术与应用2024/3/24 周日96 利用染料对光的吸收系数随光强度变化的特性来调Q的方法的技术，这种Q开关的延迟时间由材料本身的特性决定，不受人为控制，属被动调Q技术。2.2.染料调染料调Q Q技术技术光电子技术与应用2024/3/24 周日97 3.3.电光调电光调Q Q技术技术 晶体经过特殊方向切割后，在某个方向上加电压，就可以使通过它的线偏振光改变振动方向，且外加电压的数值与振动方向的改变有一定的函数关系，辅一光学器件就构成一个快速光开关，达到调Q目的。光电子技术与应用2024/3/24 周日984.4.声光调声光调Q Q技术技术 声光器件在腔内按布拉格条件放置，外加高频振荡的超声信号时，光束沿布拉格偏折，偏离了轴向，此时腔内损耗严重，Q值很低，不能形成振荡，但这一阶段使粒子在亚稳态上大量积累，一段时间后，撤销外加声场，光无偏折通过晶体，Q值突然增大，从而输出强的脉冲。光电子技术与应用2024/3/24 周日993.6.3 3.6.3 激光锁模技术激光锁模技术 激光器有多个振荡模式，它们是非相干的，各自独立的。把激光中所有的模耦合在一起并把各个模的彼此相位关系锁定的方法成为锁模。调Q技术是压缩激光脉冲宽度，提高峰值功率的一种办法，其脉宽下限决定于光子平均驻腔寿命，约为纳秒量级，称为短脉冲。锁模技术可以获得更窄的脉冲，称为超短脉冲。光电子技术与应用2024/3/24 周日100 锁模方法有以下几种：锁模方法有以下几种：1.主动锁模 2.被动锁模 3.自锁模光电子技术与应用2024/3/24 周日101 3.7 3.7 激光选模技术激光选模技术 限制参与振荡的模式的相关技术称为激光选模技术，一般分四类：激光谱线选择、激光偏振选择、压缩振荡激光束的发散角（横模选择技术）、限制激光振荡频谱数目的纵模选择技术。1 激光谱线选择 在腔内放置棱镜，通过调整棱镜位置只让需要的波长到达高反射棱镜，完成反馈过程。光电子技术与应用2024/3/24 周日1022 偏振选择 在气体激光器两端放置布儒斯特窗，可使腔镜上反射回来进入工作物质的光束中，TM无损通过，形成振荡。而TE受高反射损耗，难以形成振荡。3 横模选择 通过控制光腔横向尺寸，从而只让基横模TEM00振荡，其他高阶模都不满足振荡条件。横模选择的原则：（1）增大