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长沙理工大学:《光电子学》课程教学资源(授课教案)第六章 发光器件

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授教案 第六章发光器件 第六章发光器件 §6-1气体激光器 一、概述 [气体激光器 按工作物质分类固体激光器 半导体激光器等 连续工作微光器 激光器{按工作方式分类 脉冲工作激光器 紫外光激光器 按光波长分类可见光激光器 红外光激光器 原7汽体光值整 气体激光器离子气体激光器:利用气体分子或原子的离子能级间跃迁产生激光 分子气体激光器 1.气体激光器 工作物质:气体或金属蒸汽 泵浦方式:通常采用气体放电泵浦,也可采用化学泵浦、热泵浦及核泵浦等 2.固体激光器 工作物质:绝缘晶体或玻璃 系浦方式:光泵浦激励 3.半导体激光器 工作物质:半导体 泵浦方式:电流注入 特点:体积小、寿命长、输出功率大、效率高 应用:激光通信、光存储、光陀螺、激光打印和测距、激光雷达 二、氨氖激光器 1.结构

授课教案 第六章 发光器件 第六章 发光器件 §6-1 气体激光器 一、概述 ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ ⎩ ⎨ ⎧ ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ 红外光激光器 可见光激光器 紫外光激光器 按光波长分类 脉冲工作激光器 连续工作激光器 按工作方式分类 半导体激光器等 固体激光器 气体激光器 按工作物质分类 激光器 ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ ⎩ ⎨ ⎧ 分子气体激光器 离子气体激光器:利用气体分子或原子的离子能级间跃迁产生激光 金属原子蒸汽 惰性气体原子 原子气体激光器 气体激光器 1. 气体激光器 工作物质:气体或金属蒸汽 泵浦方式:通常采用气体放电泵浦,也可采用化学泵浦、热泵浦及核泵浦等 2. 固体激光器 工作物质:绝缘晶体或玻璃 泵浦方式:光泵浦激励 3. 半导体激光器 工作物质:半导体 泵浦方式:电流注入 特点:体积小、寿命长、输出功率大、效率高 应用:激光通信、光存储、光陀螺、激光打印和测距、激光雷达 二、氦氖激光器 1. 结构 1

授课教案 第六章发光器件 全反射镜阳极 阴极 半反射镜 毛细管 套管 贴镜管 图6.1内腔式氨氖激光器结构图 放电管:由套管、毛细管和贴镜管组成,材料常用硬质玻璃或石英玻璃。 电极:由阴极和阳极组成。 反射镜:由全反射镜(反射率>99%)和半反半透镜(反射率≈98%)组成。 2.发光机理 共振能 He e 转移 21s 35 3.39um3 23S, 2S 32.8nm .15m 自发辐射 11So 图6.2He原子和Ne原子的能级示意图 [3S2→2P,=0.6328m 发射波长2S2→2P,2=11524m 3S2→3P,2=3.39m 3.放电参量对输出功率的影响 (1)放电电流 输出功率并不随放电电流增加而单调上升,存在一最佳放电电流1m, 其数值与放电毛细管内径d之比约为一常数

授课教案 第六章 发光器件 图 6.1 内腔式氦氖激光器结构图 放电管:由套管、毛细管和贴镜管组成,材料常用硬质玻璃或石英玻璃。 电极:由阴极和阳极组成。 反射镜:由全反射镜(反射率>99%)和半反半透镜(反射率≈98%)组成。 2. 发光机理 图 6.2 He 原子和 Ne 原子的能级示意图 ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ =→ =→ =→ m39.3,33 m152.1,22 m6328.0,23 2 34 2 24 2 14 μλ μλ λ μ PS PS PS 发射波长 3. 放电参量对输出功率的影响 (1)放电电流 输出功率并不随放电电流增加而单调上升,存在一最佳放电电流Im, 其数值与放电毛细管内径d之比约为一常数。 2

授教案 第六章发光器件 PP-626.66Pa 112P 66.66 功 20 10 200P 1020 放电电流 50 图6.3输出功率与放电电流的关系 (2)总气压 也存在一个最佳总气压,压强值与毛细管内径的乘积为常数。 pd=400-480(Pa:mm) d4mm (3)氢与氖分压比 通常取HeNe=5:1 输↑mM 输mw) 出功 出功 He:Ne-5:1 He-Ne=5:1 总气压 分压比 0.511.52253P×133P 0P市 (a)输出功率与总气压的关系 (b)输出功率与氯氖分压比的关系 图6.4氨氖激光器管内压强对输出功率的影响 4.激光器输出功率 P&=4.77H6x101 (6.1) 最佳透过率:T。=G6-6

授课教案 第六章 发光器件 图 6.3 输出功率与放电电流的关系 (2)总气压 也存在一个最佳总气压,压强值与毛细管内径 d 的乘积为常数。 pd=400~480(Pa·mm) d4mm (3) 氦与氖分压比 通常取 He—Ne=5:1 (a) 输出功率与总气压的关系 (b) 输出功率与氦氖分压比的关系 图 6.4 氦氖激光器管内压强对输出功率的影响 4. 激光器输出功率 ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − + × − 1 2 106 4.7 4 2 Td l TdP δ 总= (6.1) 最佳透过率: m GT −= δδ 3

授课教案 第六章发光器件 最大输出功率:Pm=1G-V时 相1 输出 0% 1.7% 3.5% 5%10%透过率 图6.5氢氖激光器输出功率与透过率关系曲线 三、二氧化碳激光器 特点:输出功率大、能量转换效率高,输出波长10.6m,处于大气窗口 应用:激光加工、医疗、大气通信及军事领域 1.工作原理 001 1.06m 100 020 碰撞 碰撞 010 000 V3 图6.6CO2和N2分子基态电子能级的几个与激光产生有关的振动能级 2.工作特性 (1)量子效率 7=微光辐射能量_加 (6.2) 微动能京 (2)辅助气体对输出功率的影响

授课教案 第六章 发光器件 最大输出功率: [ ]2 max 出 s GIP −= δ 图 6.5 氦氖激光器输出功率与透过率关系曲线 三、二氧化碳激光器 特点:输出功率大、能量转换效率高,输出波长 10.6 μm,处于大气窗口 应用:激光加工、医疗、大气通信及军事领域 1. 工作原理 图 6.6 CO2和N2分子基态电子能级的几个与激光产生有关的振动能级 2. 工作特性 (1)量子效率 E2 hv = 激励能量 激光辐射能量 η = (6.2) (2)辅助气体对输出功率的影响 4

授误教案 第六章发光器件 C02:Ne:He:Xe:H=l:(1.5-2):(6-8):0.5:0.1 总气体与放电管内径关系:pd-266(Pamm) (3)温度的影响 501 P(W) 40 30 20 r(c) -60-40-20020406080100 图6.7C02激光器输出功率与管壁温度的关系曲线 (4)激光器寿命 激光器寿命:输出功率减弱为初始值的1所对应的时间。 四、氩离子激光器 特点:是目前可见光区域输出功率最强的激光光源(连续工作时功率可达 100mW左右)。 应用:全息照相、激光光谱学、非线性光学等领域。 联跃迁 3P44P 亚稳态 3P44S 3P5 A碰撞电离 Ar+基态 图6.8A离子能级图

授课教案 第六章 发光器件 CO2:Ne:He:Xe:H2=1:(1.5~2) :(6~8) :0.5:0.1 总气体与放电管内径关系:pd=266(Pa·mm) (3) 温度的影响 图 6.7 CO2激光器输出功率与管壁温度的关系曲线 (4)激光器寿命 激光器寿命:输出功率减弱为初始值的 1/e 所对应的时间。 四、氩离子激光器 特点:是目前可见光区域输出功率最强的激光光源(连续工作时功率可达 100mW 左右)。 应用:全息照相、激光光谱学、非线性光学等领域。 图 6.8 Ar3+离子能级图 5

授课教案 第六章发光器件 水冷放电管 磁场线圈 反射镜 半反射镜 阴极 回气管 阳极 图6.9氩离子激光器基本结构 §6-2固体激光器 一、概述 >粒子密度:109~1020em3 >激光上能级寿命较长:104一103s >体积小 》采用光泵浦方式,能量转换效率较低 光泵浦激励又分为气体放电灯和半导体激光器激励两种方式。 工作物质 聚光镜 输出激光 全反射镜 半反半透镜 图6.10气体放电灯激励的固体激光器示意图 半导体 工作物质 激光器 图6.11半导体激光器端面系浦的周体激光器示意图

授课教案 第六章 发光器件 图 6.9 氩离子激光器基本结构 §6-2 固体激光器 一、 概述 ¾ 粒子密度:1019~1020/cm3 ¾ 激光上能级寿命较长:10-4~10-3s ¾ 体积小 ¾ 采用光泵浦方式,能量转换效率较低 光泵浦激励又分为气体放电灯和半导体激光器激励两种方式。 图 6.10 气体放电灯激励的固体激光器示意图 图 6.11 半导体激光器端面泵浦的固体激光器示意图 6

授教案 第六章发光器件 反射板工作物质 半导体激光器阵列 图6.12半导体激光器阵列侧面泵浦的固体激光器示意图 二、固体激光器工作物质 1.物理特性的要求 >吸收带宽,吸收系数较大 >高荧光量子效率 >亚稳态寿命长 >掺杂浓度高 ~荧光谱线宽度小 》热导率高 2.光学质量 >吸收系数小于0.005cm >散射损耗 >退偏损耗 三、光源和聚光、冷却系统 1.光源 脉冲激光器:脉冲氙灯 连续激光器:连续氪灯、碘钨灯 2.聚光腔 灯 棒 o● 图6.13圆柱形聚光器 >

授课教案 第六章 发光器件 图 6.12 半导体激光器阵列侧面泵浦的固体激光器示意图 二、固体激光器工作物质 1. 物理特性的要求 ¾ 吸收带宽,吸收系数较大 ¾ 高荧光量子效率 ¾ 亚稳态寿命长 ¾ 掺杂浓度高 ¾ 荧光谱线宽度小 ¾ 热导率高 2. 光学质量 ¾ 吸收系数小于 0.005cm-1 ¾ 散射损耗 ¾ 退偏损耗 三、光源和聚光、冷却系统 1. 光源 脉冲激光器:脉冲氙灯 连续激光器:连续氪灯、碘钨灯 2. 聚光腔 图 6.13 圆柱形聚光器 7

授课教案 第六章发光器件 灯棒 灯棒 F2 图6.14单椭圆柱面聚光器 棒 图6.15双椭圆柱面聚光器 灯棒 图6.,16椭球面聚光器 3.冷却与聚光系统 共同冷却:激光器设计为密封结构,灯、棒和聚光器共同浸泡在滤光冷却液中。 分别冷却:灯和棒分别密封在两个玻璃管中滤光冷却,聚光器另加工通水循环 孔。 红宝石激光器:自来水或硫酸铜水溶液 YAG和钕玻璃激光器:重铬酸钾或亚硝酸钠 四、红宝石激光器 属三能级系统,阀值泵浦能量高。输出可见光,应用于动态全息、医学领域。 调Q红宝石激光器:输出峰值功率10MW-50MW、脉宽10ns-20ns 锁模红宝石激光器:输出峰值功率10W、脉宽10ps 1.工作原理 基质:Al2O 激活粒子:C离子

授课教案 第六章 发光器件 图 6.14 单椭圆柱面聚光器 图 6.15 双椭圆柱面聚光器 图 6.16 椭球面聚光器 3. 冷却与聚光系统 共同冷却:激光器设计为密封结构,灯、棒和聚光器共同浸泡在滤光冷却液中。 分别冷却:灯和棒分别密封在两个玻璃管中滤光冷却,聚光器另加工通水循环 孔。 红宝石激光器:自来水或硫酸铜水溶液 YAG 和钕玻璃激光器:重铬酸钾或亚硝酸钠 四、红宝石激光器 属三能级系统,阈值泵浦能量高。输出可见光,应用于动态全息、医学领域。 调 Q 红宝石激光器:输出峰值功率 10MW~50 MW、脉宽 10ns~20ns 锁模红宝石激光器:输出峰值功率 109 W、脉宽 10ps 1. 工作原理 基质:Al2O3 激活粒子:Cr3+离子 8

授教案 第六章发光器件 聚光镜 红宝石棒 输出激光 全反射镜 半反半透镜 高压直流电清 图6,17红宝石激光器结构图 ,非辐射 _24A 亚稳态 受激辐射 A 基态 图6.18红宝石中C2*的能级图 2.输出特性 ()时间特性 激光脉冲由很多无规则的尖峰脉冲组成,各尖峰脉冲的时间间隔约为几微秒。 (2)光谱特性 谱线宽度0.01nm-0.1nm (3)偏振特性 晶体棒轴方向与光轴方向平行:输出激光无偏振特性 晶体棒轴方向与光轴方向夹角为60或90时:输出线偏振光。 (a) 90 90 图6.19偏振特性 9

授课教案 第六章 发光器件 图 6.17 红宝石激光器结构图 图 6.18 红宝石中Cr3+的能级图 2. 输出特性 (1) 时间特性 激光脉冲由很多无规则的尖峰脉冲组成,各尖峰脉冲的时间间隔约为几微秒。 (2)光谱特性 谱线宽度 0.01nm~0.1nm (3)偏振特性 晶体棒轴方向与光轴方向平行:输出激光无偏振特性 晶体棒轴方向与光轴方向夹角为 600 或 900 时:输出线偏振光。 图 6.19 偏振特性 9

授课教案 第六章发光器件 (4)空间特性 平行平面镜腔基模光束的发散角的理论值为 20-2×1221 (6.3) 3.红宝石激光器的选模 利用在腔内插入可饱和吸收染料盒实现选模,该染料特点:吸收系数随光 强增加而下降 五、参钕钇铝石榴石(Nd3:YAG)激光器 属四能级系统,具有较低的泵浦阀值功率。 11N 4下0 0.81μ 106um 0.87m0.75μnm 412 412 图6.20YAG能级图 表6一1红宝石、Nd:YAG和钕玻璃激光器性能参数比较

授课教案 第六章 发光器件 (4)空间特性 平行平面镜腔基模光束的发散角的理论值为 d λ θ 22.1 22 ×= (6.3) 3. 红宝石激光器的选模 利用在腔内插入可饱和吸收染料盒实现选模,该染料特点:吸收系数随光 强增加而下降。 五、掺钕钇铝石榴石(Nd3+ :YAG)激光器 属四能级系统,具有较低的泵浦阈值功率。 图 6.20 YAG 能级图 表 6-1 红宝石、Nd3+:YAG和钕玻璃激光器性能参数比较 10

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