光电子技术(激光与激光器).ppt

第六章 激光与激光器6.1 激光的形成和基本特征 图6.1 自发发射光与激光的差别 图6.1显示了自发发射的非相干光与受激发射等的相干光的两种不同的情况。非相干光通常其光谱的宽度较宽、其光束发散角也较大。这是由于各个原子发出的光，其相位断断续续，并向四面八方发射之故。若要使非相干光形成相互干涉时，除非采用一种特殊的透光的狭缝，否则不能发生干涉。在前面我们已经介绍了受激发光，用前述方法产生的激光由于是受激发射光，因而是相位整齐的相干光波。相干光的激光增益带宽由激光共振腔的Q值和长度以及激光工作物质决定，因此受到限制，光谱宽度极为狭窄。 激光的相干光是整齐的正弦波，容易发生干涉。这是因为相干光从时间上说，相位一致，光谱宽度窄，这种现象被称为单色性好。激光的谱宽可以在几十兆赫以下，经过调整可压缩至几千赫以下。与此相对照的发光二极管等非相干光的光谱宽度在104GHz以上，白色灯光可达到数亿兆赫。非相干光发散角在2π ~ 4π弧度（全立体角）的立体角内。激光在空间内也是相位一致，波长短，所以指向性特别好，激光发散角很小，只有毫弧度。所以，即使采用简单的光学系统也可以把激光聚焦成波长量级的光斑，形成极高的光能密度，而普通光绝对不能达到的。 激光与非激光差别，源于产生的方式不同。我们已知了受激发光的原理，激光的产生基础就是受激发光和粒子数反转。引发激光产生的受激发光和粒子数反转如图6.2所示。 受激发光和粒子数反转是激光产生的一个基本条件，另外还须是获得的受激发光得到成倍的加强或放大。为了让粒子的受激发射的几率随入射的电磁波的强度成比例地增加，采用适当的共振腔使其作正反馈，连续引发受激发射，产生自激振荡，这就是激光产生的原理。 实现通过自激振荡使受激发射光的强度成比例地增加,按照电子电路里面，真空管和晶体管都是在放大电路中加上正反馈（取出输出信号的一部分，与输入信号同相位而再次加进输入信号中去）而引起自激振荡的思路，在激光器中也采用完全相同的办法使激光自激振荡。 用高品质因数（Q）的发布里—帕罗共振腔提供正反馈和自激振荡，所谓的“发布里—帕罗共振腔”是由相向（即面对面）排列的两块全反射镜子组成，如图6.3所示。 在负温度状态，进行强烈的抽运，并降低共振腔内Q值,使激光不振荡，到达粒子数反转充分时，急速升高Q值。此Q开关法可获得的巨脉冲.采用锁模技术可产生皮秒（10-12s）光脉冲和亚皮秒光脉冲，这些也都是激光的特征。 图6.2造成粒子数反转的方法和粒子受激发光成一片 图6.3 提供正反馈的激光共振腔 6.2 不同工作物质的激光器 激光器是光电子技术领域的最主要的器件之一，自1960年第一台红宝石激光器问世以来，激光器的种类日益增多、水平迅速提高。迄今为止，已发现的激光工作物质约有千余种，获得的相应的激光特征谱线达到上万条，可覆盖从毫米波直到X射线的整个光学频段。激光器的分类方法很多，按工作物质可分为固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器和自由电子激光器等；按激励方式可分为光激励激光器、电激励激光器、热激励激光器、化学激励激光器和核激励激光器等：按工作方式可分为连续激光器和脉冲激光器；按激光波长可分为红外光激光器、可见光激光器、紫外光激光器、毫米波激光器,X射线激光器和γ射线激光器等。 本节将按工作物质的分类，分别介绍一些常见的、有代表性的固体激光器、气体激光器、液体激光器包括有机染料激光器和半导体激光器。 6.2.1 固体激光器 固体激光器可分成晶体和玻璃激光器两类，以晶体或玻璃为工作物质。 活性离子（过渡金属离子或稀土离子）被掺入晶体或玻璃中，经光泵激励后产生受激辐射作用。活性离子密度一般为1025~26/m3，较普通的气体激光工作物质高三个量级以上，上能级的寿命也比较长，可达10 -4~-3 S。 此类激光器储能能力强，易于获得大能量输出。典型的固体激光器有红宝石激光器、掺钕钇铝石榴石激光器和钛宝石激光器等。 固体激光器普遍采用光激励方式把基态的粒子抽运到激发态，以形成粒子数反转。光激励又可分为气体放电灯激励和半导体激光器激励两种方式。 以非相干的气体放电光为激励光源(如图6.4所示)是广泛采用的一种激励方式.脉冲激光器采用脉冲氙灯激励;连续激光器采用氢灯或碘钨灯激励。 放电灯光的发射光谱由连续谱和线状谱组成，尽管覆盖的波长范围很宽，但只有与激光工作物质吸收波长相匹配的光才可有效激励粒子，形成粒子数反转。其它光被转化为热能，仅能使腔内温度升高.因此，这类激励的效率较低。 为了使气体放电灯发出的非相干光有效地照射到激光工作物质，必须采用合适的聚光装置。 图6.4 气体放电灯激励固体激光器示意图 固体激光器还可用半导体激光器作激励源。由于激光二极管的发射波长可以与激光工作物质