激光的原理特性和應用.doc

第二章 激光與半導體光源 激光的原理、特性和應用 發(fā)光二極管與半導體激光器 2-1 激光的工作原理一、光的發(fā)射與光的吸收 當原子從高能級向低能級躍遷時，將兩能級之差部分以光子形式發(fā)射出去，稱光的發(fā)射； 當原子從低能級向高能級躍遷時，將吸收兩能級之差部分的光子能量，稱光的吸收。 光的發(fā)射和吸收過程滿足相同的規(guī)律：兩能級之差決定發(fā)射和吸收光子的頻率光發(fā)射的三種躍遷過程1 自發(fā)輻射：處在高能級的原子以一定的幾率自發(fā)的向低 能級躍遷，同時發(fā)出一個光子的過程，a）圖；2 受激輻射過程：在滿足兩能級之差的外來光子的激勵下，處在高能級的原子以一定的幾率自發(fā)向低能級躍遷，同時發(fā)出另一個與外來光子頻率相同的光子，b）圖； 兩種輻射過程特點的比較： 自發(fā)輻射過程是隨機的，發(fā)出一串串光波的相位、傳播方向、偏振態(tài)都彼此無關，輻射的光波為非相干光； 受激輻射的光波，其頻率、相位、偏振狀態(tài)、傳播方向均與外來的光波相同，輻射的光波是相干光。3 受激吸收過程：在滿足兩能級之差的外來光子的激勵下，處在低能級的原子向高能級躍遷，c）圖 受激輻射與受激吸收過程同時存在：實際物質(zhì)原子數(shù)很多，處在各個能級上的原子都有，在滿足兩能級能量之差的外來光子激勵時，兩能級間的受激輻射和受激吸收過程同時存在。當吸收過程占優(yōu)勢時，光強減弱；當受激輻射占優(yōu)勢時，光強增強。二、粒子數(shù)反轉與光放大當一束頻率為 的光通過具有能級E1和E2（假定E2E1)的介質(zhì)時，將同時發(fā)生受激輻射和受激吸收過程，在dt時間內(nèi)，單位體積內(nèi)受激吸收的光子數(shù)為dN12，受激輻射的光子數(shù)為dN21 ，設兩能級上的原子數(shù)為N1、 N2（正常情況下N2 N1），有 dN21/ dN12 =B N2/ N1， 比例系數(shù)B與能級有關。 1、 N2/ N11時，高能級E2上原子數(shù)少于低能級E1 上原子數(shù)（稱正常分布），有dN21 1時，高能級E2上原子數(shù)大于低能級E1上原子數(shù)，稱粒子數(shù)反轉分布，有dN21 dN12，表明光經(jīng)介質(zhì)傳播的過程中受激輻射的光子數(shù)大于受激吸收的光子數(shù)，宏觀效果表現(xiàn)為光被放大，或稱光增益。能引起粒子數(shù)反轉分布的介質(zhì)稱為激活介質(zhì)或增益介質(zhì)。實現(xiàn)粒子數(shù)反轉分布是產(chǎn)生激光的必要條件。 設增益介質(zhì)的增益系數(shù)為G，在此介質(zhì)z處的光強為I(z),經(jīng)dz距離后光強改變dI，則dI=GIdz ，積分得 I0為z=0處的光強三、激光的工作原理1、光學諧振腔 作用：對入射光的頻率、方向選擇，產(chǎn)生極好的 方向性和單色性、高亮度的激光束。 光學諧振腔是產(chǎn)生激光的必要裝置之一。 結構：由兩個反射鏡和增益介質(zhì)組成，這兩個反 射鏡可以是凸面鏡、凹面鏡或平面鏡,下圖 穩(wěn)定腔：近軸光線在諧振腔內(nèi)部多次來回反射 時，光線離軸的高度不會無限增大，稱此 腔為穩(wěn)定腔。 問題：什么結構的諧振腔才是穩(wěn)定腔？ 穩(wěn)定條件：兩鏡的距離（稱腔長）為L，曲率半徑 為R1、R2，光學諧振腔的穩(wěn)定條件為 不滿足上條件的腔稱非穩(wěn)定腔。非穩(wěn)定腔 光線逸出的多，又稱高損耗諧振腔。 R1=R2的穩(wěn)定腔稱對稱腔。2、激光產(chǎn)生的閾值條件 光在諧振腔中的工作物質(zhì)里傳播時，會存在各種損耗，只有當光在腔內(nèi)來回一次所得到的增益大于或等于各種損耗之和時，才可能形成激光輸出。 如圖，設AB反射鏡的反射系數(shù)為r1、r2，在A鏡面處光強為I0，在增益介質(zhì)中傳播L距離到達B鏡面，光強為G為增益系數(shù)。經(jīng)B鏡反射后，光強減小為 ，此光強的光又經(jīng)過L距離返回到A鏡，光強變?yōu)?，經(jīng)A鏡反射后光強變?yōu)?。這樣經(jīng)過一個來回，光線能繼續(xù)增強傳播必須滿足 ，稱 為形成激光必須滿足的閾值條件 3、激光的損耗 激光的損耗包括兩方面：在工作物質(zhì)內(nèi)部的損耗和在反射面上的損耗。 在物質(zhì)內(nèi)部的損耗包括：a介質(zhì)的不均勻性造成光線的折射或散射，使得光線偏離軸線方向飛出腔外。氣體激光器中這類損耗較小，固體激光器中這類損耗較大。b介質(zhì)中存在某些能級差正好與激光頻率對應，引起光能吸收。 在諧振腔兩鏡面上的損耗主要包括：光線從鏡透出去和兩鏡面對光的吸收。 令總損耗系數(shù)為 ，等于單位距離內(nèi)光強的損耗率，則在傳播過程中光強的變化為： 考慮損耗時，閾值條件改寫為 激光的工作原理：在介質(zhì)中存在粒子數(shù)反轉的情況下，當增益一旦超過損耗時，光強將以指數(shù)形式增加，隨著光在兩反射面之間的來回反射，放大過程不斷重復，就可得到激光。這束光的一部分由激光諧振腔的前端鏡射出。 產(chǎn)生激光必須具備下列條件： 穩(wěn)定的光學諧振腔； 光在諧振腔內(nèi)傳播滿足閾值條件 ； 外部能量泵浦使粒子數(shù)反轉分布 問題1 光在介質(zhì)中的放大一直持續(xù)下去？ 問題2 怎樣實現(xiàn)粒子數(shù)反轉？ 問題3 一個激光器只發(fā)射出一個波長的激光？ 答1 不會。因為每經(jīng)過一次受激躍遷，粒子數(shù)反轉程度都要降低，當增益不再超過損耗時，放大就停止。 答2 用外界光子去激發(fā)處在低能級的原子，使原子處在高能級上，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉分布。這種用來激發(fā)低能級原子向高能級躍遷的作用稱泵浦。四、激光的特性 激光與普通光源發(fā)射的光相比，具有方向性好，相干性好，亮度高，單色性好的特性。 1）方向性好：普通點光源發(fā)射光為4 立體角，面光源發(fā)射光的立體角為2 ，而激光發(fā)射光的立體為角 。 2）高亮度：由于激光發(fā)射的立體角很小，所以它的亮度高，比普通光源亮20個數(shù)量級。 3 ）單色性好：激光的譜線寬度可小于而單色性最好的普通光源的譜線寬度在 以上。單色性要考慮譜線寬度 及其相對比值 4）相干性好 時間相干性：在空間同一點上，兩不同時刻的光波之間的相干性。相干時間越長 ，相干性越好，相干圖象越明顯。時間相干性取決于光的單色性，相干時間等于光譜寬度的倒數(shù)。 空間相干性：同一時刻，兩不同位置點上的光波的相干性?？臻g相干性取決于光的方向性，相干長度與光束的發(fā)散角成反比。 激光的相干長度 在100m以上，比普通光源的大1000倍，相干時間比普通光源的至少大10000倍。五、激光器的種類與結構 種類分固體激光器、氣體激光器、染料激光器。 固體激光器：以絕緣晶體或玻璃為工作物質(zhì)。少量的過渡金屬離子或稀土離子摻入晶體或玻璃，經(jīng)光泵激勵后產(chǎn)生受激輻射作用。主要有紅寶石激光器、鈦寶石激光器、半導體激光器。 氣體激光器：如He-Ne激光器、氬離子激光器、CO2激光器、N2分子激光器等。 染料激光器：采用在適當?shù)娜軇┲腥苋胗袡C染料作為激光器的工作物質(zhì)。 三種激光器的典型結構 1、固體激光器 以紅寶石激光器為例， 結構右圖。在工作物質(zhì)紅寶石(Al203)中摻入少量鉻離子，紅寶石棒一端磨平并鍍銀成為全反射面，另一端面半鍍銀成為能透射的部分反射面。螺旋形閃光氙燈作為激勵光源(泵浦源)，上下反射器起聚光作用。激活離子鉻離子替代晶體中部分Al離子位置，氙燈發(fā)出激勵光時，被處于基態(tài)的鉻離子吸收躍遷到高能級，向低能級躍遷發(fā)射光子經(jīng)紅寶石放大產(chǎn)生激光。受激發(fā)射的光波長單一？如何實現(xiàn)單色出射光？2、氣體激光器 以氦氖激光器為例。工作物質(zhì)為8:1混合氣體密封在放電管A內(nèi)，激勵源是3kV以上的直流電源經(jīng)C、C接入采用反射峰在 的反射面，可抑制其他波長光波的諧振 ，得到單色出射激光。 其中 由什么決定？反射面如何實現(xiàn)反射峰在 處？ 3、染料激光器平面光柵的作用：改變光柵的傾斜角度，用來調(diào)節(jié)光柵衍射角，使某一波長的光能在諧振腔縱軸方向產(chǎn)生衍射極大而形成光振蕩，出射單一波長的激光。 若連續(xù)改變光柵的傾斜角，可實現(xiàn)連續(xù)可調(diào)的激光輸出。 總之，受激發(fā)射產(chǎn)生的光子含有不同波長成分，可采用反射面的確定反射峰或光柵衍射極大來實現(xiàn)單一波長的激光輸出。 六、激光的應用 世界上第一臺激光器誕生于1960年，我國于1961年研制出第一臺激光器。激光技術已與多個學科相結合形成多個應用技術領域，比如光電技術，激光醫(yī)療與光子生物學，激光加工技術，激光檢測與計量技術，激光全息技術，激光光譜分析技術，非線性光學，超快激光學，激光化學，量子光學，激光雷達，激光制導，激光分離同位素，激光可控核聚變，激光武器等等。激光的應用主要包括 ： 激光加工系統(tǒng):包括激光器、導光系統(tǒng)、加工機床、控制系統(tǒng)及檢測系統(tǒng)。激光加工工藝包括切割、焊接、表面處理、打孔、打標、劃線、微調(diào)等各種加工工藝。激光焊接：汽車車身厚薄板、汽車零件、鋰電池、心臟起搏器、密封繼電器等密封器件以及各種不允許焊接污染和變形的器件。激光切割：汽車行業(yè)、計算機、電氣機殼、電子機件用銅板、一些金屬網(wǎng)板、鋼管、鍍錫鐵板、鍍亞鉛鋼板、薄鋁合金、石英玻璃、硅橡膠、陶瓷片、航天工業(yè)使用的鈦合金等等。 激光打孔：激光打孔主要應用在航空航天、汽車制造、電子儀表、化工等行業(yè)。國內(nèi)目前比較成熟的激光打孔的應用是在人造金剛石和天然金剛石拉絲模的生產(chǎn)及鐘表和儀表的寶石軸承、飛機葉片、多層印刷線路板等行業(yè)的生產(chǎn)中。 在未來推動光電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的進程中，激光技術與其他技術應用領域的結合有以下方面：激光化學：激光攜帶著高度集中而均勻的能量，可精確地打在分子的鍵上，改變兩激光束的相位差，則控制了該分子的斷裂過程。也可利用改變激光脈沖波形的方法，十分精確和有效地把能量打在分子身上， 觸發(fā)某種預期的反應。 激光醫(yī)療：激光在醫(yī)學上的應用分為兩大類：激光診斷與激光治療。當前激光醫(yī)學的出色應用研究主要表現(xiàn)在以下方面：光動力療法治癌；激光治療心血管疾病；準分子激光角膜成形術；激光治療前列腺良性增生；激光美容術；激光纖維內(nèi)窺鏡手術；激光腹腔鏡手術；激光胸腔鏡手術；激光關節(jié)鏡手術；激光碎石術；激光外科手術；激光在吻合術上的應用；激光在口腔、頜面外科及牙科方面的應用；弱激光療法等。 新型激光武器研究：激光測距儀是激光在軍事上應用的起點，將其應用到火炮系統(tǒng)，大大提高了火炮射擊精度。激光雷達相比于無線電雷達，激光制導導彈，以及模擬戰(zhàn)場上使用的激光武器技術運用。激光武器的優(yōu)點；無需進行彈道計算；無后坐力；操作簡便，機動靈活，使用范圍廣；無放射性污染，效費比高。 2-2 半導體光源 一、能級的基本概念 能級：電子在原子的各層軌道上運動，在每個軌道上都具有一定的能量，稱能級。固體和氣體介質(zhì)的能級是分立的。 能帶：原子很多時，所有電子能級分裂，形成一組密集的、有一定寬度的帶狀結構，稱能級帶，簡稱能帶。半導體材料的能級是能帶。 能帶分為價帶、導帶和禁帶（帶隙）。下圖導帶：自由電子能帶，沒有自由電子時導帶是空的價帶：共價鍵束縛電子所占據(jù)的能帶。價帶被電子填滿，是不導電的。禁帶：導帶與價帶之間的能帶，又稱帶隙，電子不存在的區(qū)域。價電子獲得足夠的能量就成為自由電子，從價帶躍遷到導帶，此時在價帶上留下空穴位置。半導體的禁帶 比絕緣體小，導帶上有少量電子；導體無禁帶。如下圖。 二、半導體中的能帶結構 半導體光源的核心是PN結，將P型半導體和N型半導體相接觸就能形成PN結。 在本征半導體中摻入微量雜質(zhì)可使半導體的導電性能發(fā)生顯著變化。若摻入的雜質(zhì)能給導帶提供電子，稱N型半導體，如摻入的雜質(zhì)是錫、碲等；若摻入的雜質(zhì)能給價帶提供空穴，稱P型半導體，如摻入的雜質(zhì)是鍺等。 電子占據(jù)各個能級的幾率是不同的，在熱平衡狀態(tài)下，能量為E的能級被一個電子占據(jù)的幾率為其中 EF稱費米能級，是絕對零度時電子具有的最大能量。溫度T越高，f（E）越大，表明溫度越高電子占據(jù)在能級E上的幾率越高。 一般認為，在溫度不很高時，能量小于EF的能態(tài)基本上為電子所占據(jù)，能量大于EF的能態(tài)基本上沒有被電子占據(jù)；電子占據(jù)費米能級的幾率均為1/2 當P型半導體與N型半導體結合后，在它們之間出現(xiàn)了電子和空穴的濃度差，電子和空穴都要從高濃度的地方向低濃度的地方擴散，導致P區(qū)失去空穴而留下帶負電的離子，N區(qū)失去電子而留下帶正電的離子。由于物質(zhì)不能移動，在接觸面附近就形成一個很薄的空間電荷區(qū)，稱P-N結。P-N結內(nèi)電場由N指向P，內(nèi)電場的方向與多數(shù)載流子擴散方向相反，起阻擋擴散的作用，稱為勢壘。 在P區(qū)接電源正極，N區(qū)接負極，外加電場與內(nèi)電場反向，外電場使N區(qū)電子向P區(qū)移動，即電子從低能級向高能級移動（勢壘就是帶隙），實現(xiàn)粒子數(shù)反轉分布。P區(qū)可看作導帶區(qū)，N區(qū)可看作價帶區(qū)。 P-N結又稱有源層。 三、發(fā)光二極管（LED ) 發(fā)光二極管直接把電能轉換成光能，是電致發(fā)光，越過帶隙的電子與空穴直接復合而發(fā)射出光子。是一種冷光源，沒有熱轉換過程。 不同的P、N材料制作的發(fā)光二極管，發(fā)出的光波長不同。在光纖系統(tǒng)中采用的發(fā)光二極管的波長要求在光纖低損耗區(qū)，還要求亮度高，工作穩(wěn)定，調(diào)制效率高。為了光纖通信和傳感系統(tǒng)應用方便，生產(chǎn)出帶有尾纖的發(fā)光二極管。 由于LED沒有光學諧振腔選擇波長，它的光譜是以自發(fā)發(fā)射為主的。發(fā)射光譜曲線上光強最大對應的波長為發(fā)光峰值波長 ，光譜曲線上兩個半光強點 和 對應的光強差稱為譜線寬度 發(fā)射波長不同，目前LED分為三個波段：可見光LED(400-700nm)、近紅外短波LED (800-900nm)近紅外長波長LED (1000-1700nm) ，可見光LED主要用作指示燈、數(shù)字和字母顯示等，后兩個波段的LED主要用于光纖通信。 光纖通信用的LED一般為高功率LED，通常采用以GaAs為襯底其結構形式有面發(fā)光型和邊(又稱側面 )發(fā)光型，分別表示從平行于結平面的表面和從結區(qū)的邊緣發(fā)光。 當在規(guī)定的正向直流工作電流下，對LED施加數(shù)字脈沖或模擬信號驅動電流，便可實現(xiàn)對輸出光功率的調(diào)制。LED有兩種調(diào)制方式，即數(shù)字調(diào)制和模擬調(diào)制，見下圖。四、半導體激光二極管(LD) 半導體激光二極管，簡稱半導體激光器，是通過受激輻射發(fā)光的一種閾值器件，適合用作高速、大容量、長距離光纖通信系統(tǒng)的光源。1 粒子數(shù)反轉與光增益：在LD中通過向N、