1、4 1 1激光的相干性 coherenceoflaser 时间相干性和空间相干性 Temporalandspatialcoherence 第四章第一节激光器 相干性 空间任意两点光振动之间相互关 联的程度 4 1 1激光的相干性 coherenceoflaser 第四章第一节激光器 1 时间相干性和空间相干性 仪 中 讨论两束光的时间相干性 论两束光的空间相干性 4 1 1激光的相干性 coherenceoflaser 第四章第一节激光器 普通光源的相干性 Coherenceofcommonlightsource 干性好的光 4 1 1激光的相干性 coherenceoflaser 第四章第一
2、节激光器 普通光源的相干性 表面 只有一个极小的开孔使光通过 可得到 空间相干性好的光 但是 这样的光 光强已减弱到实际上不 能应用的程度 4 1 1激光的相干性 coherenceoflaser 第四章第一节激光器 3 激光中的衍射损耗 Diffractionloss 1 反射 2 边缘起光阑 作用 引起衍射 4 1 1激光的相干性 coherenceoflaser 第四章第一节激光器 3 激光中的衍射损耗 Diffractionloss 1 光波不断来回衍射后 边缘处光强减 弱 使光强分布不断改变 振幅和相位分布逐 次发生畸变 并最后趋向一定的稳定分布 4 1 1激光的相干性 cohere
3、nceoflaser 第四章第一节激光器 3 激光中的衍射损耗 Diffractionloss 2 模式光斑图 取激光器的轴向为直角坐标系的z轴 谐 振腔的中心点为原点 在与z轴垂直的平面上 取x轴和y轴 用TEMmn来表示各种横向模式 m n均为非负整数 分别表示在x轴和y轴上光 强为零的零点序数 称为模式序 4 1 1激光的相干性 coherenceoflaser 第八章现代光学 ModernOptics 3 激光中的衍射损耗 Diffractionloss 基模 光斑中没有光强为零的 称为TEM00 TEM10模 x轴方向有一个光强为零 mn越 模 为低次模式 大 光斑图形上光强为零的数
4、目越多 为高次 模式 4 1 1激光的相干性 coherenceoflaser 第八章现代光学 ModernOptics 3 激光中的衍射损耗 Diffractionloss 3 激光的相干性 时间相干性 非常小 故很大 空间相干性 光的衍射扩散使光束截面上 各点射出的光互相混合 相互关联 建立了空 间相干性 4 1 1激光的相干性 coherenceoflaser 第四章第一节激光器 3 激光中的衍射损耗 Diffractionloss 3 激光的相干性 空间相干性 Fresnel 菲涅耳 数 半径 N数与衍射损 耗成反比 a为小孔 4 1 2气体激光器 第四章第一节激光器 气体激光器是以气
5、体作为工作物质的激光器 利用气体原子 离子或分子的能级跃迁产生激光 通常包括原子 离子和分子气体激光器三类 4 1 2气体激光器 第四章第一节激光器 原子气体激光器 产生激光作用的是没有电离的气体原子 其典型代表是氦氖激光器 分子激光器 产生激光作用的是没有电离的气体分子 分子激光器的典型代表是CO2激光器 氮分子 N2 激光器和准分子激光器 离子激光器 离子激光器的典型代表是氩离子 Ar 和氦镉 He Cd 离子激光器 4 1 2气体激光器 第四章第一节激光器 气体激光器的特点 在单色性和光束稳定性方面都比固体激光器 半导体激光器和液体 染料 激光器优越 由于气态物质的光学均匀性一般都比较好
6、 气体激光器产生的激光谱线极为丰富 达数千种 分布在从真空紫外到远红外波段范围内 多数气体激光器都有瞬时功率不高的特点 在气体激光器中采用气体放电或电子束激励的方法以实现泵浦 4 1 2气体激光器 第四章第一节激光器 激光器的工作气体中 除能产生激光发射的气体之外 一般还含有一些辅助气体 如各种惰性气体及氮 氧等 它们在激光器中有的作为缓冲气体 有的作为能量转移气体 分子气体激光器和准分子激光器可以作为可调谐激光器 4 1 2气体激光器 第四章第一节激光器 1 氦 氖激光器 氦 氖 He Ne 激光器属于原子激光器类 它是于1961年首先实现激光输出的气体激光器 能产生许多可见光与红外光的激光
7、谱线 多采用连续工作方式 输出几毫瓦到几十毫瓦 4 1 2气体激光器 第四章第一节激光器 特点 输出激光的方向性好 发散角1mrad以下 单色性好 线宽可小于20Hz 输出功率和波长可控制的很稳定 结构简单 寿命长 体积小 重量轻 成本低 使用方便 红光 黄光 绿光 偏振输出等 4 1 2气体激光器 第四章第一节激光器 精密计量 检测 准直 导向 全息照相 信息处理 以及医疗 光学实验 日本手持测距仪 奥地利激光测距仪 日本OPTEC测距头 4 1 2气体激光器 第四章第一节激光器 He Ne激光器的结构 He Ne激光器的结构形式很多 但都是由激光管和激光电源组成 激光管由放电管 电极和光学
8、谐振腔组成 图1内腔式He Ne激光器的结构 4 1 2气体激光器 第四章第一节激光器 2 Ar 离子激光器 如果激光跃迁发生在气体原子或分子的离子能级之间 这种激光器就称为离子激光器 一般分为气体离子激光器 它包括惰性气体离子激光器和分子气体离子激光器 和金属蒸气离子激光器 离子气体激光器输出的波长范围很宽 从紫外2358 一直到近红外1 355 m 已观察到400多条谱线 大多数落在可见光范围 离子激光器是目前可见光区最强的相干光源 4 1 2气体激光器 第四章第一节激光器 4 1 2气体激光器 第四章第一节激光器 氩离子激光器是一种惰性气体离子激光器 它输出的激光波长主要是0 4880
9、m和0 5145 m的蓝绿光 连续输出功率一般为几瓦到几十瓦 高者可达一百多瓦 是目前在可见区连续输出功率最高的激光器 氩离子激光器的阈值电流密度较高 在100A cm2以上 氩离子激光器的能量转换效率较低 一般在10 4 10 5范围 效率低的原因是在气体放电过程中电离度不高 形成激发态的离子密度小 而且它的工作能级离基态较高 量子效率比较低 4 1 2气体激光器 第四章第一节激光器 氩离子激光器的结构 氩离子激光器的结构包括放电管 电极 回气管 谐振腔 轴向磁场等部分 如图6所示 4 1 3固体激光器 第四章第一节激光器 固体激光器用固体激光材料作为工作物质的激光器 1960年 T H 梅
10、曼发明的红宝石激光器就是固体激光器 也是世界上第一台激光器 固体激光器一般由激光工作物质 激励源 聚光腔 谐振腔反射镜和电源等部分构成 固体激光器的工作物质 由光学透明的晶体或玻璃作为基质材料 掺以激活离子或其他激活物质构成 这种工作物质一般应具有良好的物理 化学性质 窄的荧光谱线 强而宽的吸收带和高的荧光量子效率 4 1 3固体激光器 第四章第一节激光器 常见的几种固体激光器 1 红宝石激光器2 LD泵浦的固体激光器3 可调谐固体激光器 下面我们着重讲解红宝石激光器 4 1 3固体激光器 第四章第一节激光器 工作元件是一根淡红色的红宝石棒 AL O3晶体 其中掺0 05 的铬离子 Gr3 这
11、些铬离作为激活离均匀地分布在基质 即AL O3晶体 中 浓度大约为1 62 10的19次方cm 3 它们替代了晶格中一部分铝离子 AL3 的位置 红宝石激光器有关有能级和光谱性质都来源于Gr3 红宝石激光器 4 1 3固体激光器 第四章第一节激光器 红宝石激光器 三能级系统 在Xe 氙 灯照射下 红宝石晶体中原来处于基态E1的粒子 吸收了Xe灯发射的光子而被激发到E3能级 粒子在E3能级的平均寿命很短 约10 9秒 大部分粒子通过无辐射跃迁到达激光上能级E2 粒子在E2能级的寿命很长 可达3 10 3秒 所以在E2能级上积累起大量粒子 形成E2和E1之间的粒子数反转 此时晶体对频率 满足hV
12、E2 E1的成分就被放大 4 1 3固体激光器 第四章第一节激光器 红宝石激光器属于三能级系统 相应于右图的简化能级模型 4 1 3固体激光器 第四章第一节激光器 红宝石激光器的工作过程 红宝石棒两个端面精磨抛光 平行度在1 弧分 以内 其中一个端面镀银 成为全反射面 另一个端面平镀银 成为透射率10 的部分反射面 激励能源是光源 螺旋形脉冲氙灯 现经常采用直管氙灯 氙灯在绿色和蓝色的光谱段有较强有光输出 这正好同红宝石的吸收光谱对应起来 由氙闪光灯发出的光照射到红宝石的侧面 外有聚光器加强照射效果 闪光灯通常一次工作几毫秒 输入能量1000 2000J 闪光灯的大部分输入能量耗散为热 只有一
13、部分变成光能为红宝石所吸收 并转移到其中Cr3 的相应能级上 当由氙灯输入的能量超过激光器的阈值时 则每激励一次 就有一束相干光从红宝石的半镀银面射出 其波长为6943A 红光 谱线宽度小于0 1A 4 1 3固体激光器 第四章第一节激光器 红宝石激光器特点 大多数为脉冲激光器 脉冲频率为1 2赫兹或单个脉冲 产生的激光脉冲是一系列的尖峰 宽度约为几个微米 输出694 3nm波长的可见激光 光谱线宽0 01 0 1nm 光斑直径为3 6mm 易于接收和检测 三能级结构 产生激光所要求的阈值激励功率较高 晶体升温时 大于50 时 荧光量子效率显著下降 谱线宽度增大 使激光输出水平下降甚至停振 故
14、一般应采取冷却措施 4 1 3固体激光器 第四章第一节激光器 红宝石激光器优点 从应用观点看 红宝石激光器输出可见光极具吸引力 一 是因为光电探测器件的响应波长大多位于可见光区 而大多数稀土元素四能级系统固体激光器工作波长则位于近红外区域二 是对于全息照相等应用 需要使用可见光作为光源 4 1 3固体激光器 第四章第一节激光器 红宝石激光器缺点 能级结构属三能级系统 器件阈值高 晶体性能随温度变化明显 室温下不适于做连续高重频器件 激发效率较低 不适合连续工作输出发散角较大 一般约为3 10mrad 4 1 3固体激光器 第四章第一节激光器 中国第一台激光器 小球照明红宝石 激光器在当时激发方
15、式上 比国外激光器具有更好的激发效率 4 1 3固体激光器 第四章第一节激光器 红宝石激光器的应用 眼科 用于视网膜的焊接 治疗青光眼 虹膜的切除等 激光的首次在医学上的成功应用是进行眼内手术 无需要切开眼球 早在1962年 一台红宝石激光器将病人脱落的视网膜与眼球重新连接 使他恢复了视力 4 1 4半导体激光器 第四章第一节激光器 1 半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的激光器 由于物质结构上的差异 不同种类产生激光的具体过程比较特殊 常用工作物质有砷化镓 GaAs 硫化镉 CdS 磷化铟 InP 硫化锌 ZnS 等 激励方式有电注入 电子束激励和光泵浦三种形式 半导体激光器件 可分为同
16、质结 单异质结 双异质结等几种 同质结激光器和单异质结激光器室温时多为脉冲器件 而双异质结激光器室温时可实现连续工作 4 1 4半导体激光器 第四章第一节激光器 半导体激光器工作原理 简单的半导体激光器由带隙能量较高的P型和N型半导体材料和一层很薄的有源层构成 在PN结加上正向偏置电压后 电子从N区向P区流动 空穴从P区向N区流动 在作用区内 电子和空穴复合产生光子 当注入电流较小时 注入结区的电子和空穴数目较少 此时只能自发辐射荧光 光向四面八方传播当注入电流大到一定程度时 便向外输出激光 4 1 4半导体激光器 第四章第一节激光器 激光工作原理图 4 1 4半导体激光器 第四章第一节激光器
17、 半导体激光器特点 半导体激光器激光器优点是体积小 重量轻 运转可靠 耗电少 效率高等特点 半导体激光器激光器优点是体积小 重量轻 运转可靠 耗电少 效率高等特点 半导体激光器激光器优点是体积小 重量轻 运转可靠 耗电少 效率高等点 4 1 4半导体激光器 第四章第一节激光器 可调谐半导体激光器 可调谐半导体激光器是新一代密集波分复用系统以及全光网络中光子交换的关键光电子器件 它的运用使得光纤传输系统容量大大增加 灵活性和可扩展性大大增强 目前已经实现了宽波长范围的连续或准连续调谐 并有相应的产品投放市场 4 1 4半导体激光器 第四章第一节激光器 4 1 4半导体激光器 第四章第一节激光器 全息术中常用的激光器 第四章第一节激光器 第一小组成员信息 组长 杨桃 讲解 成员 龚启航 PPT制作 胡志军 第一节 激光器的相干性资料收集整理 张意波 第二节 气体激光器资料收集整理 杨旭东 第三节 固体激光器资料收集整理 向晓敏 第四节 半导体激光器资料收集整理 谢谢欣赏
