激光的原理特性和應(yīng)用.doc

第二章 激光與半導(dǎo)體光源 激光的原理、特性和應(yīng)用 發(fā)光二極管與半導(dǎo)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(dāng)原子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)，將兩能級(jí)之差部分以光子形式發(fā)射出去，稱光的發(fā)射； 當(dāng)原子從低能級(jí)向高能級(jí)躍遷時(shí)，將吸收兩能級(jí)之差部分的光子能量，稱光的吸收。 光的發(fā)射和吸收過(guò)程滿足相同的規(guī)律：兩能級(jí)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(guò)程1 自發(fā)輻射：處在高能級(jí)的原子以一定的幾率自發(fā)的向低 能級(jí)躍遷，同時(shí)發(fā)出一個(gè)光子的過(guò)程，a）圖；2 受激輻射過(guò)程：在滿足兩能級(jí)之差的外來(lái)光子的激勵(lì)下，處在高能級(jí)的原子以一定的幾率自發(fā)向低能級(jí)躍遷，同時(shí)發(fā)出另一個(gè)與外來(lái)光子頻率相同的光子，b）圖； 兩種輻射過(guò)程特點(diǎn)的比較： 自發(fā)輻射過(guò)程是隨機(jī)的，發(fā)出一串串光波的相位、傳播方向、偏振態(tài)都彼此無(wú)關(guān)，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(lái)的光波相同，輻射的光波是相干光。3 受激吸收過(guò)程：在滿足兩能級(jí)之差的外來(lái)光子的激勵(lì)下，處在低能級(jí)的原子向高能級(jí)躍遷，c）圖 受激輻射與受激吸收過(guò)程同時(shí)存在：實(shí)際物質(zhì)原子數(shù)很多，處在各個(gè)能級(jí)上的原子都有，在滿足兩能級(jí)能量之差的外來(lái)光子激勵(lì)時(shí)，兩能級(jí)間的受激輻射和受激吸收過(guò)程同時(shí)存在。當(dāng)吸收過(guò)程占優(yōu)勢(shì)時(shí)，光強(qiáng)減弱；當(dāng)受激輻射占優(yōu)勢(shì)時(shí)，光強(qiáng)增強(qiáng)。二、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)與光放大當(dāng)一束頻率為 的光通過(guò)具有能級(jí)E1和E2（假定E2E1)的介質(zhì)時(shí)，將同時(shí)發(fā)生受激輻射和受激吸收過(guò)程，在dt時(shí)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(shè)兩能級(jí)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(jí)有關(guān)。 1、 N2/ N11時(shí)，高能級(jí)E2上原子數(shù)少于低能級(jí)E1 上原子數(shù)（稱正常分布），有dN21 1時(shí)，高能級(jí)E2上原子數(shù)大于低能級(jí)E1上原子數(shù)，稱粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，有dN21 dN12，表明光經(jīng)介質(zhì)傳播的過(guò)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(zhuǎn)分布的介質(zhì)稱為激活介質(zhì)或增益介質(zhì)。實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布是產(chǎn)生激光的必要條件。 設(shè)增益介質(zhì)的增益系數(shù)為G，在此介質(zhì)z處的光強(qiáng)為I(z),經(jīng)dz距離后光強(qiáng)改變dI，則dI=GIdz ，積分得 I0為z=0處的光強(qiáng)三、激光的工作原理1、光學(xué)諧振腔 作用：對(duì)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(xué)諧振腔是產(chǎn)生激光的必要裝置之一。 結(jié)構(gòu)：由兩個(gè)反射鏡和增益介質(zhì)組成，這兩個(gè)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(lái)回反射 時(shí)，光線離軸的高度不會(huì)無(wú)限增大，稱此 腔為穩(wěn)定腔。 問(wèn)題：什么結(jié)構(gòu)的諧振腔才是穩(wěn)定腔？ 穩(wěn)定條件：兩鏡的距離（稱腔長(zhǎng)）為L(zhǎng)，曲率半徑 為R1、R2，光學(xué)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(duì)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(shí)，會(huì)存在各種損耗，只有當(dāng)光在腔內(nèi)來(lái)回一次所得到的增益大于或等于各種損耗之和時(shí)，才可能形成激光輸出。 如圖，設(shè)AB反射鏡的反射系數(shù)為r1、r2，在A鏡面處光強(qiáng)為I0，在增益介質(zhì)中傳播L距離到達(dá)B鏡面，光強(qiáng)為G為增益系數(shù)。經(jīng)B鏡反射后，光強(qiáng)減小為 ，此光強(qiáng)的光又經(jīng)過(guò)L距離返回到A鏡，光強(qiáng)變?yōu)?，經(jīng)A鏡反射后光強(qiáng)變?yōu)?。這樣經(jīng)過(guò)一個(gè)來(lái)回，光線能繼續(xù)增強(qiáng)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(jí)差正好與激光頻率對(duì)應(yīng)，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(duì)光的吸收。 令總損耗系數(shù)為 ，等于單位距離內(nèi)光強(qiáng)的損耗率，則在傳播過(guò)程中光強(qiáng)的變化為： 考慮損耗時(shí)，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(zhuǎn)的情況下，當(dāng)增益一旦超過(guò)損耗時(shí)，光強(qiáng)將以指數(shù)形式增加，隨著光在兩反射面之間的來(lái)回反射，放大過(guò)程不斷重復(fù)，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(xué)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(zhuǎn)分布 問(wèn)題1 光在介質(zhì)中的放大一直持續(xù)下去？ 問(wèn)題2 怎樣實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)？ 問(wèn)題3 一個(gè)激光器只發(fā)射出一個(gè)波長(zhǎng)的激光？ 答1 不會(huì)。因?yàn)槊拷?jīng)過(guò)一次受激躍遷，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度都要降低，當(dāng)增益不再超過(guò)損耗時(shí)，放大就停止。 答2 用外界光子去激發(fā)處在低能級(jí)的原子，使原子處在高能級(jí)上，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。這種用來(lái)激發(fā)低能級(jí)原子向高能級(jí)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(diǎn)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(gè)數(shù)量級(jí)。 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(duì)比值 4）相干性好 時(shí)間相干性：在空間同一點(diǎn)上，兩不同時(shí)刻的光波之間的相干性。相干時(shí)間越長(zhǎng) ，相干性越好，相干圖象越明顯。時(shí)間相干性取決于光的單色性，相干時(shí)間等于光譜寬度的倒數(shù)。 空間相干性：同一時(shí)刻，兩不同位置點(diǎn)上的光波的相干性。空間相干性取決于光的方向性，相干長(zhǎng)度與光束的發(fā)散角成反比。 激光的相干長(zhǎng)度 在100m以上，比普通光源的大1000倍，相干時(shí)間比普通光源的至少大10000倍。五、激光器的種類與結(jié)構(gòu) 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(guò)渡金屬離子或稀土離子摻入晶體或玻璃，經(jīng)光泵激勵(lì)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(dǎo)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(dāng)?shù)娜軇┲腥苋胗袡C(jī)染料作為激光器的工作物質(zhì)。 三種激光器的典型結(jié)構(gòu) 1、固體激光器 以紅寶石激光器為例， 結(jié)構(gòu)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(lì)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(lì)光時(shí)，被處于基態(tài)的鉻離子吸收躍遷到高能級(jí)，向低能級(jí)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(zhǎng)單一？如何實(shí)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(lì)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(zhǎng)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(shí)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(lái)調(diào)節(jié)光柵衍射角，使某一波長(zhǎng)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(zhǎng)的激光。 若連續(xù)改變光柵的傾斜角，可實(shí)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(zhǎng)成分，可采用反射面的確定反射峰或光柵衍射極大來(lái)實(shí)現(xiàn)單一波長(zhǎng)的激光輸出。 六、激光的應(yīng)用 世界上第一臺(tái)激光器誕生于1960年，我國(guó)于1961年研制出第一臺(tái)激光器。激光技術(shù)已與多個(gè)學(xué)科相結(jié)合形成多個(gè)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，比如光電技術(shù)，激光醫(yī)療與光子生物學(xué)，激光加工技術(shù)，激光檢測(cè)與計(jì)量技術(shù)，激光全息技術(shù)，激光光譜分析技術(shù)，非線性光學(xué)，超快激光學(xué)，激光化學(xué)，量子光學(xué)，激光雷達(dá)，激光制導(dǎo)，激光分離同位素，激光可控核聚變，激光武器等等。激光的應(yīng)用主要包括 ： 激光加工系統(tǒng):包括激光器、導(dǎo)光系統(tǒng)、加工機(jī)床、控制系統(tǒng)及檢測(cè)系統(tǒng)。激光加工工藝包括切割、焊接、表面處理、打孔、打標(biāo)、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(jì)算機(jī)、電氣機(jī)殼、電子機(jī)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(yīng)用在航空航天、汽車制造、電子儀表、化工等行業(yè)。國(guó)內(nèi)目前比較成熟的激光打孔的應(yīng)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(jī)葉片、多層印刷線路板等行業(yè)的生產(chǎn)中。 在未來(lái)推動(dòng)光電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的進(jìn)程中，激光技術(shù)與其他技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的結(jié)合有以下方面：激光化學(xué)：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(guò)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(yù)期的反應(yīng)。 激光醫(yī)療：激光在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用分為兩大類：激光診斷與激光治療。當(dāng)前激光醫(yī)學(xué)的出色應(yīng)用研究主要表現(xiàn)在以下方面：光動(dòng)力療法治癌；激光治療心血管疾病；準(zhǔn)分子激光角膜成形術(shù)；激光治療前列腺良性增生；激光美容術(shù)；激光纖維內(nèi)窺鏡手術(shù)；激光腹腔鏡手術(shù)；激光胸腔鏡手術(shù)；激光關(guān)節(jié)鏡手術(shù)；激光碎石術(shù)；激光外科手術(shù)；激光在吻合術(shù)上的應(yīng)用；激光在口腔、頜面外科及牙科方面的應(yīng)用；弱激光療法等。 新型激光武器研究：激光測(cè)距儀是激光在軍事上應(yīng)用的起點(diǎn)，將其應(yīng)用到火炮系統(tǒng)，大大提高了火炮射擊精度。激光雷達(dá)相比于無(wú)線電雷達(dá)，激光制導(dǎo)導(dǎo)彈，以及模擬戰(zhàn)場(chǎng)上使用的激光武器技術(shù)運(yùn)用。激光武器的優(yōu)點(diǎn)；無(wú)需進(jìn)行彈道計(jì)算；無(wú)后坐力；操作簡(jiǎn)便，機(jī)動(dòng)靈活，使用范圍廣；無(wú)放射性污染，效費(fèi)比高。 2-2 半導(dǎo)體光源 一、能級(jí)的基本概念 能級(jí)：電子在原子的各層軌道上運(yùn)動(dòng)，在每個(gè)軌道上都具有一定的能量，稱能級(jí)。固體和氣體介質(zhì)的能級(jí)是分立的。 能帶：原子很多時(shí)，所有電子能級(jí)分裂，形成一組密集的、有一定寬度的帶狀結(jié)構(gòu)，稱能級(jí)帶，簡(jiǎn)稱能帶。半導(dǎo)體材料的能級(jí)是能帶。 能帶分為價(jià)帶、導(dǎo)帶和禁帶（帶隙）。下圖導(dǎo)帶：自由電子能帶，沒(méi)有自由電子時(shí)導(dǎo)帶是空的價(jià)帶：共價(jià)鍵束縛電子所占據(jù)的能帶。價(jià)帶被電子填滿，是不導(dǎo)電的。禁帶：導(dǎo)帶與價(jià)帶之間的能帶，又稱帶隙，電子不存在的區(qū)域。價(jià)電子獲得足夠的能量就成為自由電子，從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，此時(shí)在價(jià)帶上留下空穴位置。半導(dǎo)體的禁帶 比絕緣體小，導(dǎo)帶上有少量電子；導(dǎo)體無(wú)禁帶。如下圖。 二、半導(dǎo)體中的能帶結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體光源的核心是PN結(jié)，將P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體相接觸就能形成PN結(jié)。 在本征半導(dǎo)體中摻入微量雜質(zhì)可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。若摻入的雜質(zhì)能給導(dǎo)帶提供電子，稱N型半導(dǎo)體，如摻入的雜質(zhì)是錫、碲等；若摻入的雜質(zhì)能給價(jià)帶提供空穴，稱P型半導(dǎo)體，如摻入的雜質(zhì)是鍺等。 電子占據(jù)各個(gè)能級(jí)的幾率是不同的，在熱平衡狀態(tài)下，能量為E的能級(jí)被一個(gè)電子占據(jù)的幾率為其中 EF稱費(fèi)米能級(jí)，是絕對(duì)零度時(shí)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(jí)E上的幾率越高。 一般認(rèn)為，在溫度不很高時(shí)，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(méi)有被電子占據(jù)；電子占據(jù)費(fèi)米能級(jí)的幾率均為1/2 當(dāng)P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體結(jié)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(kuò)散，導(dǎo)致P區(qū)失去空穴而留下帶負(fù)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(dòng)，在接觸面附近就形成一個(gè)很薄的空間電荷區(qū)，稱P-N結(jié)。P-N結(jié)內(nèi)電場(chǎng)由N指向P，內(nèi)電場(chǎng)的方向與多數(shù)載流子擴(kuò)散方向相反，起阻擋擴(kuò)散的作用，稱為勢(shì)壘。 在P區(qū)接電源正極，N區(qū)接負(fù)極，外加電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)反向，外電場(chǎng)使N區(qū)電子向P區(qū)移動(dòng)，即電子從低能級(jí)向高能級(jí)移動(dòng)（勢(shì)壘就是帶隙），實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。P區(qū)可看作導(dǎo)帶區(qū)，N區(qū)可看作價(jià)帶區(qū)。 P-N結(jié)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(zhuǎn)換成光能，是電致發(fā)光，越過(guò)帶隙的電子與空穴直接復(fù)合而發(fā)射出光子。是一種冷光源，沒(méi)有熱轉(zhuǎn)換過(guò)程。 不同的P、N材料制作的發(fā)光二極管，發(fā)出的光波長(zhǎng)不同。在光纖系統(tǒng)中采用的發(fā)光二極管的波長(zhǎng)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(yīng)用方便，生產(chǎn)出帶有尾纖的發(fā)光二極管。 由于LED沒(méi)有光學(xué)諧振腔選擇波長(zhǎng)，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(qiáng)最大對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為發(fā)光峰值波長(zhǎng) ，光譜曲線上兩個(gè)半光強(qiáng)點(diǎn) 和 對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)差稱為譜線寬度 發(fā)射波長(zhǎng)不同，目前LED分為三個(gè)波段：可見(jiàn)光LED(400-700nm)、近紅外短波LED (800-900nm)近紅外長(zhǎng)波長(zhǎng)LED (1000-1700nm) ，可見(jiàn)光LED主要用作指示燈、數(shù)字和字母顯示等，后兩個(gè)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(jié)構(gòu)形式有面發(fā)光型和邊(又稱側(cè)面 )發(fā)光型，分別表示從平行于結(jié)平面的表面和從結(jié)區(qū)的邊緣發(fā)光。 當(dāng)在規(guī)定的正向直流工作電流下，對(duì)LED施加數(shù)字脈沖或模擬信號(hào)驅(qū)動(dòng)電流，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jiàn)下圖。四、半導(dǎo)體激光二極管(LD) 半導(dǎo)體激光二極管，簡(jiǎn)稱半導(dǎo)體激光器，是通過(guò)受激輻射發(fā)光的一種閾值器件，適合用作高速、大容量、長(zhǎng)距離光纖通信系統(tǒng)的光源。1 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)與光增益：在LD中通過(guò)向N、