激光原理及应用

1激光原理及应用2普通光源普通光源是光的自发辐射。特点：多波长、任意方向、不相干。普通光源向四面八方辐射,光线分散到4p球面度的立体角内.3激光激光：LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation（Laser）。激光是光的受激辐射。激光的特点：单色性好,方向性好；相干性好；亮度高.基本沿某一条直线传播,通常发散角限制在10-6球面度量级的立体角内.4激光辐射跃迁：受激吸收；自发辐射；受激辐射5激光粒子数反转激光原理就是要研究光的受激辐射是如何在激光器内产生并占主导地位而抑制自发辐射！6激光技术发展简史之一理论基础：爱因斯坦的光子学说(1905)；波粒二象性(1909)辐射理论(1917)：提出了受激辐射的概念，预测到光可以产生受激辐射放大。Einstein7激光技术发展简史之一理论基础：R.C.Tolman指出：具有粒子数反转的介质具有光学增益（产生激光的基本条件之一）（1924）。Tolman8激光技术发展简史之一实验基础：Prokhorov和H.Townes分别独立报导了第一个微波受激辐射放大器(Maser)（1953）TownesProkhorov9激光技术发展简史之一1958年Townes和Schawlow抛弃了尺度必须和波长可比拟的封闭式谐振腔的老思路，提出利用尺度远大于波长的开放式光谐振腔实现Laser的新想。Schawlow10激光技术发展简史之一美国休斯公司实验室一位从事红宝石荧光研究的年轻人梅曼在1960.5.16利用红宝石棒首次观察到激光；梅曼在7月7日正式演示了世界第一台红宝石固态激光器；他在Nature(8月16日)发表了一个简短的通知。Maiman11激光技术发展简史之一Maiman的第一台激光器12中国第一台激光器（1961）13激光技术发展简史之二各种激光器的开发:工作物质：固体，气体，染料，化学，离子，原子，半导体，X射线输出功率：大功率，低功率工作方式：短脉冲，脉冲，超短脉冲，连续输出稳定性：稳频率，稳功率，稳方向14我国激光器研究情况激光器的第一台研制成功时间研制人红宝石激光器（我国第一台)1961年11月邓锡铭、王之江He-Ne激光器1963年7月邓锡铭等掺钕玻璃激光器1963年6月干福熹GaAs同质结半导体激光器1963年12月王守武CO2分子激光器1965年9月王润文等15激光技术发展简史之三激光应用技术信息技术方面的应用：光通讯，光存储，光放大，光计算，光隔离器检测技术方面的应用：测长，测距，测速，测角，测三维形状激光加工：焊接，打孔，切割，热处理，快速成型医学应用：外科手术，激光幅照（皮肤科、妇产科），眼科手术，激光血照仪，视光学测量科学研究方面的应用：激光核聚变，重力场测量，激光光谱，激光对生物组织的作用，激光制冷，激光诱导化学过程等等16光盘存储器原理—激光刻蚀与读出17偏振光显微镜18激光全息防伪人民币（建国50周年纪念币）19激光控制核聚变20天文台（激光导航星）来自纳层的反射光（高度约100km)最大高度约35km来自空气分子的Rayleigh光21激光测距与激光雷达22激光切割23长度测量24生物和医学应用25激光技术涉及的学科物理（光学）精密加工（光学谐振腔的制作）光学加工（光学镀膜、光学装调）电子技术（激光电源、控制电路）应用技术基础（数学方法、误差理论）26LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation表示“受激辐射的光放大”二、激光器的三要素Laser1964年10月，物理学家钱学森建议称之为-----激光工作物质：实现粒子数反转激励源：使原子被激发谐振腔：光放大作用27三、激光的特性方向性好：激光器发出的激光发射角很小，接近于一毫弧度，只有一般探照灯发射角的一百万分之一。即使将其发射到几千米以外，光束的直径也不过增加几厘米。因此输出的能量集中在很小的范围里。单色性好：激光具有很好的单色性，是普通光源完全达不到的。在激光出现之前，以同位素86Kr灯的单色性最好，谱线宽度为10-4nm的量级，而最普通的氦氖激光器所输出的红色激光(632.8纳米)的谱线宽度达到10-8nm的数量级。现代技术的应用可以使谱线宽度缩到更小的范围。相干性好：就氦氖激光而言，其相干长度可达400km。能量密度大：激光的亮度是普通光源的上百万倍。与太阳光比，一支功率仅为1毫瓦的氦氖激光器的亮度要比太阳光强100倍；而一台巨型脉冲固体激光器的亮度可比太阳亮度高100亿倍。28四、激光器的分类固体激光器：把金属离子掺入晶体或玻璃基质中按工作物质分类气体激光器：原子气体、分子气体和离子气体液体激光器：有机染料溶液和无机化合物溶液半导体激光器：半导体材料29红宝石激光器氦氖激光器氩离子激光器染料激光器30半导体激光器又称为半导体激光二极管，或简称激光二极管，英文缩写为LD(LaserDiode)，是实用中最重要的一类激光器。优点：体积小、效率高、寿命长，可采用简单的电流注入方式来泵浦；其工作电压和电流与集成电路兼容，因而有可能与之单片集成；并且还可用高达GHZ的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出，可实行温度调谐和电流调谐。31五、半导体激光器的应用信息存储与处理军事应用半导体激光器的应用32半导体激光器的基本特性泵浦源：通常采用电压很低的直流电源激光工作物质：直接带隙半导体材料------砷化稼(GaAs)、砷化铟(InAs)、铝稼砷(A1xGaAs)、铟磷砷(InPxAs)等等谐振腔：半导体介质的自然解理面构成平行平面腔33三个基本条件建立起激射媒质(有源区)内载流子的反转分布。在半导体中代表电子能量的是由一系列接近于连续的能级所组成的能带，因此在半导体中要实现粒子数反转，必须使处在高能态导带底的电子数比处在低能态价带顶的空穴数大很多，这靠给同质结或异质结加正向偏压，向有源层内注入必要的载流子来实现，将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带中去。当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。要实际获得相干受激辐射，必须使受激辐射在光学谐振腔内得到多次反馈而形成激光振荡。激光器的谐振腔是由半导体的自然解理面作为反射镜形成的，用半导体解理面构成共振腔，能获得的反射率一般只有30％左右，为适应某些应用的要求，腔镜达到高反射率，可以在有源层两侧各交替迭加许多层折射率不同的半导体材料。为了形成稳定振荡，激光媒质必须能提供足够大的增益，以弥补谐振腔引起的光损耗及从腔面的激光输出等引起的损耗，不断增加腔内的光场。这就必须要有足够强的电流注入，即有足够的粒子数反转，粒子数反转程度越高，得到的增益就越大，即要求必须满足一定的电流阈值条件。当激光器达到阈值时，具有特定波长的光就能在腔内谐振并被放大，最后形成激光而连续地输出。34当注入电流IIth时，激光器的增益小于谐振腔的损耗，无法形成激光振荡，激光器输出荧光。当注入电流IIth时，输出光功率随注入电流的增加而迅速增大，产生激光振荡。Ith被称为阈值电流，其大小由激光器的结构决定并与激光器的温度有关——随着温度的降低，Ith减小。当注入电流一定时，输出功率随温度降低而增大。输出特性PIIthP－I曲线输出功率与注入电流的关系阈值电流与激光器温度的关系35③二次微分法：在P－I曲线中，将光功率对电流求二阶导数，二阶导峰所对应的电流值为Ith，这种作法的测量精度较高（如图c所示）。abc利用激光器的P－I曲线找到Ith的作法有三种：②两段直线拟合法：将P－I曲线中两条直线延长线交点所对应的电流作为激光器的阈值电流Ith（如图b所示）；①直线拟合法：输出光功率延长线与电流轴的交点作为激光器的Ith（如图a所示），是一种比较常规的作法；36LD激光器与其它传统激光器相比，LD的输出光功率和频率受温度和注入电流的影响显著。因此LD的波长调谐可采用温度调谐和注入电流调谐。波长调谐特性2()(0)ggATETETB在半导体中，温度和禁带宽度之间存在着依赖关系Eg(0)为绝对零度时的禁带宽度A和B为经验参量禁带宽度的变化又引起波长的变化：()gcET37禁带宽度随温度升高变窄，半导体激光器的波长发生红移。典型的温度调谐曲线如图所示，随着温度的升高，半导体激光器的发射波长以阶梯形式跳跃变化，跳跃是由增益曲线移动引起的纵模之间的跳变引起的。38半导体激光器的注入电流的变化导致的载流子浓度的变化不但会引起材料折射率的改变，而且也会改变增益系数。因此半导体激光器的波长会随着注入电流的改变而改变。典型的电流调谐曲线与温度调谐曲线很相似，也是以阶梯形式变化的。12g2nknpΔβ为传输常数的变化量Δn为折射率的变化量Δg为增益系数的变化量α为线宽增加因子半导体激光器的发射波长既与增益系数有依赖关系，又受折射率变化的影响